銅側(cè)吹熔煉余熱利用裝備及工藝的適應(yīng)性設(shè)計(jì)

魏烈旭

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

1 引言

銅側(cè)吹熔煉余熱鍋爐除了回收高溫?zé)煔獾挠酂嶂猓钪匾呢?zé)任是熔煉工藝配套服務(wù)，如果側(cè)吹熔煉余熱鍋爐不能正常穩(wěn)定地運(yùn)行，嚴(yán)重的會(huì)造成整個(gè)熔煉工序停爐才能檢修，長(zhǎng)時(shí)間停爐給生產(chǎn)企業(yè)帶來的損失將會(huì)是非常巨大的，每停一次爐產(chǎn)生的電費(fèi)損失、重新開爐的燃料費(fèi)用、作業(yè)率減少造成的經(jīng)濟(jì)損失等。所以銅側(cè)吹熔煉余熱鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面一定要充分理解所用之處的工藝特點(diǎn)，如果只以產(chǎn)汽為目的而不考慮工藝的適應(yīng)性就注定是失敗的。實(shí)踐表明，熔煉余熱鍋爐常因上升煙道及輻射室粘結(jié)嚴(yán)重、結(jié)大塊，對(duì)流區(qū)管束堵塞等問題，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)［1-3］，本文重點(diǎn)針對(duì)上述問題探討銅側(cè)吹熔煉余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

目前對(duì)銅冶煉廠熔煉爐煙氣余熱回收大都采用余熱鍋爐形式，產(chǎn)生的中壓飽和蒸汽采用背壓機(jī)組或者抽凝式機(jī)組蒸汽利用方式［4-7］，而熔煉余熱鍋爐產(chǎn)出的中壓飽和蒸汽經(jīng)過熱后直接拖動(dòng)的應(yīng)用方式國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，本文針對(duì)25萬t陰極銅規(guī)模所配套的銅熔煉余熱鍋爐所產(chǎn)中壓飽和蒸汽采取過熱后直接拖動(dòng)的利用方式進(jìn)行比選分析。

2 熔煉爐煙氣特性及煙氣參數(shù)

側(cè)吹熔煉爐是連續(xù)作業(yè)，煙氣量幾乎無波動(dòng)，煙氣溫度較高，含塵量大，二氧化硫含量高，煙塵的物理化學(xué)性質(zhì)特別復(fù)雜，尤其是煙氣溫度高的區(qū)域更容易粘結(jié)、結(jié)塊和積灰，而余熱鍋爐尾部的管束易發(fā)生磨損，煙氣中二氧化硫含量高容易發(fā)生低溫腐蝕。側(cè)吹熔煉余熱鍋爐進(jìn)口煙氣參數(shù)見表1所示。

表1 側(cè)吹熔煉余熱鍋爐進(jìn)口煙氣參數(shù)

3 余熱鍋爐循環(huán)方式

由于銅熔煉爐的煙氣具有煙溫高、煙氣成分復(fù)雜、具有腐蝕性，且含有大量粘結(jié)性煙塵的特點(diǎn)，所以其余熱鍋爐一般均采用強(qiáng)制循環(huán)，且循環(huán)倍率比較高（20倍以上）［8］，本文銅側(cè)吹余熱鍋爐采用強(qiáng)制循環(huán)，利用循環(huán)水泵作為動(dòng)力給循環(huán)水加壓，強(qiáng)迫鍋水循環(huán)流動(dòng)。鍋爐水循環(huán)必須經(jīng)過計(jì)算合理分配各個(gè)受熱面的流量，比如上升煙道煙溫總體很高需要較大的循環(huán)倍率保證充足的水量使其降溫，同時(shí)保護(hù)水冷壁管子提高余熱鍋爐的使用壽命，否則會(huì)導(dǎo)致余熱鍋爐內(nèi)的水產(chǎn)生循環(huán)停滯、循環(huán)倒流、汽水分層或下降管帶汽等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生管段過熱變形，甚至爆管，對(duì)熔煉爐的正常生產(chǎn)產(chǎn)生威脅。另外受熱面受熱強(qiáng)度的不同，在不同的溫度區(qū)間水循環(huán)回路也應(yīng)合理分配和計(jì)算，高溫區(qū)水回路不宜過長(zhǎng)，低溫區(qū)卻應(yīng)適當(dāng)增長(zhǎng)，同時(shí)水循環(huán)倍率也可適當(dāng)減小，從而減少泵的阻力，減少流量，降低投資和運(yùn)行成本，在余熱鍋爐設(shè)計(jì)中每根受熱面管入口設(shè)置節(jié)流圈，保證每根管得到可靠的冷卻。本文余熱鍋爐上升及下降煙道較高，考慮煙道受熱管的熱負(fù)荷強(qiáng)度的不同分別設(shè)計(jì)成3段及2段且均為單獨(dú)水循環(huán)，高溫區(qū)單獨(dú)回路長(zhǎng)度控制在25～55m（按溫度區(qū)間選取），整臺(tái)余熱鍋爐總循環(huán)回路為955個(gè)，循環(huán)流量為2000m3/h，循環(huán)倍率設(shè)計(jì)值為23倍。

4 側(cè)吹熔煉爐余熱鍋爐結(jié)構(gòu)形式選擇

（1）立式結(jié)構(gòu)形式。現(xiàn)在銅側(cè)吹熔煉爐余熱鍋爐大都采用上升煙道、下降煙道和水平煙道的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式的煙氣順暢，可減少煙塵的粘接；上升煙道高，煙氣停留時(shí)間長(zhǎng)，有利于煙塵的沉降，降低煙塵率；熔煉爐出口煙氣直接進(jìn)入余熱鍋爐的上升煙道，上升煙道布置的水冷壁可有效吸收爐口輻射熱和高溫?zé)煔庥酂幔瑹煔庥酂峄厥諢嵝矢撸簧仙裏煹啦贾眯问剑瑫?huì)增加工藝廠房的高度，余熱鍋爐汽包平臺(tái)較高，不利于余熱鍋爐日常的點(diǎn)檢和維護(hù)；采用立式結(jié)構(gòu)形式需要做好上升煙道漏水的應(yīng)急措施，以免上升煙道漏水進(jìn)入熔煉爐內(nèi)造成安全事故。

（2）臥式結(jié)構(gòu)形式。熔煉余熱鍋爐采用臥式結(jié)構(gòu)形式，需要在熔煉爐出口和余熱鍋爐進(jìn)口之間設(shè)置連接煙道，以閃速熔煉爐余熱鍋爐連接煙道的長(zhǎng)期使用效果來看，連接煙道處經(jīng)常粘結(jié)，不便清理，需要對(duì)物料成分進(jìn)行有效控制，否則連接煙道處和余熱鍋爐輻射室入口處經(jīng)常結(jié)大塊，需要人工清理，影響整個(gè)冶煉工藝的順暢運(yùn)行；采用臥式結(jié)構(gòu)形式，占地面積比立式形式的占地稍大，可能對(duì)整個(gè)廠區(qū)的布置產(chǎn)生影響。

本文熔煉余熱鍋爐采用立式結(jié)構(gòu)形式，且在余熱鍋爐入口處增加電動(dòng)插板，若上升煙道出現(xiàn)漏水狀況后，電動(dòng)插板及時(shí)將余熱鍋爐入口閘死，以防漏水進(jìn)入熔煉爐內(nèi)造成安全事故。

5 側(cè)吹熔煉爐余熱鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 上升煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上升煙道入口流速不易過大，流速過大射流現(xiàn)象加劇，容易產(chǎn)生偏流或射向頂棚，煙氣溫度就不會(huì)降低至設(shè)計(jì)值，較低的煙氣流速有助于大部分煙塵尚未和管壁接觸被分離沉降下來，即使有些松散的積灰附在管壁上，也容易用機(jī)械方法清除，本文設(shè)計(jì)上升煙道入口截面尺寸為4.056m×4.056m，保證煙氣標(biāo)況流速在1.5m/s以下。上升煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要重點(diǎn)考慮實(shí)際生產(chǎn)過程中入口處及入口以上7m范圍內(nèi)的部位容易粘結(jié)熔融狀煙塵，易形成煙塵大塊，且質(zhì)地比較堅(jiān)硬，清除比較困難的問題，在上升煙道入口處須增設(shè)清理門，同時(shí)為了方便后續(xù)維修更換，此部位設(shè)計(jì)成單獨(dú)的水循環(huán)。上升煙道具體設(shè)計(jì)如下所示。

上升煙道設(shè)計(jì)成三段：第一段為過渡段煙道，高約6.75m，此部分位于高溫區(qū)域易粘接形成煙塵大塊及受高溫?zé)煔鉀_刷，且熱負(fù)荷大，故設(shè)計(jì)成單獨(dú)水循環(huán)，便于維修更換；第二段為上升煙道中部煙道，高約14.25m，單獨(dú)水循環(huán)；第三段為上升煙道上部煙道，高約11m，單獨(dú)水循環(huán)，上部煙道拐角處角度為65°，便于落灰，防止掛渣結(jié)大塊。上升煙道頂棚的沖刷方式考慮縱向沖刷，縱向沖刷積灰速度遠(yuǎn)小于橫向沖刷，而且也減小磨損。本文上升煙道頂棚低于水平過渡煙道和下降煙道頂棚2000mm，拐角連接處采用大角度彎制而成，以便掛渣方便脫落，單獨(dú)水循環(huán)，方便維修更換。上升煙道均由膜式水冷壁組成，水冷壁由φ38×5的鍋爐無縫鋼管和5mm厚的扁鋼焊制而成，管子間距56mm，上升煙道總高約32m。

上升煙道與下降煙道部連接拐點(diǎn)處處于煙氣漩渦區(qū)域，此處易磨損且容易積灰，設(shè)計(jì)采用兩邊開斜坡的型式，既減短了斜坡的長(zhǎng)度又能保證夾角的角度。對(duì)于磨損設(shè)計(jì)采用不銹鋼護(hù)板來保護(hù)受熱面管，此外在此區(qū)域開設(shè)清理門便于日常清灰。

5.2 下降煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下降煙道由膜式水冷壁組成，其兩側(cè)墻分別寬于上升煙道兩側(cè)墻672mm，以進(jìn)一步降低煙氣流速，減少下降煙道掛渣，下降煙道總高約24m，設(shè)計(jì)成二段單獨(dú)水循環(huán)煙道。下降煙道尺寸為5.4m×5.4m,由Φ38×5的鍋爐鋼管和5mm厚的扁鋼焊制而成，管子間距56mm。下降煙道與上升煙道一起通過吊桿裝置懸吊于鋼架頂部大板梁上，整體向下熱膨脹位移。

側(cè)吹熔煉余熱鍋爐下降煙道正對(duì)下部設(shè)有單獨(dú)較大落灰斗，便于大塊灰渣清理，此外下降煙道底部下收口膜式水冷壁與落灰管連接時(shí)應(yīng)設(shè)有耐高溫軟連接，使得落灰管和膜式水冷壁成為兩體結(jié)構(gòu)，收口處膜式水冷壁內(nèi)附8～12mm不銹鋼護(hù)板，以防高空落渣塊砸傷管壁。

5.3 水平煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水平煙道依次布置1塊輻射煙氣檔板、1組凝渣管屏、5組對(duì)流管束及2組預(yù)留對(duì)流管束，輻射煙氣擋板可使煙氣充分充滿輻射腔室從而提高換熱效率，另外起到擋塵的作用，使煙塵在輻射空腔內(nèi)最大程度的沉降從而減輕對(duì)流部管束的積灰，一般致密而堅(jiān)硬的積灰，都有玻璃狀物料和一些低熔點(diǎn)共熔物組成，它們的熔點(diǎn)一般在750℃左右，同時(shí)考慮到煙塵具有熱惰性，它的冷卻速度比煙氣緩慢，煙塵的溫度比煙氣溫度高100～250℃左右，考慮這些因素，輻射冷卻室出口煙氣溫度控制在650℃左右。

輻射室外壁由膜式水冷壁組成，由φ38×5鍋爐鋼管和厚度為5mm的扁鋼焊接而成，管子間距為80mm。對(duì)流區(qū)外壁也由膜式水冷壁組成，由φ38×5鍋爐鋼管和厚度為5mm的扁鋼焊接而成，管子間距為100mm。管束均由φ38×5的鍋爐鋼管繞制而成，管束設(shè)置有頂罩，頂罩密封板（與煙氣接觸）采用6mm的304不銹鋼板，頂罩設(shè)計(jì)為全密封焊接結(jié)構(gòu)。

余熱鍋爐熱力計(jì)算匯總?cè)绫?所示。

表2 余熱鍋爐熱力計(jì)算匯總表

余熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 熔煉余熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

6 蒸汽利用方式

經(jīng)熱力計(jì)算，熔煉余熱鍋爐飽和蒸汽產(chǎn)量為67t/h，蒸汽壓力為5.0MPa，因硫酸轉(zhuǎn)化工序主轉(zhuǎn)化一段釋放大量的熱量，考慮將熔煉余熱鍋爐飽和蒸汽過熱，經(jīng)計(jì)算，產(chǎn)出的過熱蒸汽參數(shù)為4.9MPa，425℃。根據(jù)全廠蒸汽平衡，本項(xiàng)目余熱鍋爐產(chǎn)出蒸汽大于全廠所需的蒸汽負(fù)荷，按照能源梯級(jí)利用原則，中壓蒸汽可考慮送余熱電站發(fā)電（背壓式）或汽力拖動(dòng)（背壓式），汽力拖動(dòng)產(chǎn)生的乏汽（蒸汽參數(shù)為0.8MPa、185℃）供至廠區(qū)生產(chǎn)工藝用汽，汽力拖動(dòng)制氧站離心空壓機(jī)，兩種蒸汽利用方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如表3所示。

表3 蒸汽利用方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

綜合考慮設(shè)備費(fèi)用、能耗、運(yùn)行費(fèi)用等方面因素，本文采用中壓汽拖方案，經(jīng)計(jì)算，汽拖最大可拖動(dòng)7085kW，見表4所示, 而制氧站離心空壓機(jī)功率約為37500kW，即使全部中壓蒸汽送入汽拖也無法拖動(dòng)離心機(jī),因此制氧站離心空壓機(jī)采用汽拖+電驅(qū)相結(jié)合的的形式運(yùn)行。

表4 汽力拖動(dòng)最大拖動(dòng)功率計(jì)算表

7 結(jié)論

（1）針對(duì)銅側(cè)吹熔煉爐煙氣溫度較高，含塵量大，二氧化硫含量高，煙塵的物理化學(xué)性質(zhì)特別復(fù)雜的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)與煙氣特點(diǎn)相適應(yīng)的余熱鍋爐，銅側(cè)吹熔煉余熱鍋爐采取強(qiáng)制循環(huán)，立式形式，詳細(xì)分析了余熱鍋爐上升煙道、下降煙道和水平煙道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終上升煙道入口截面尺寸為4.056m×4.056m，設(shè)計(jì)為三段單獨(dú)水循環(huán)，便于維修更換；上升煙道拐角處角度為65°，便于落灰，防止掛渣結(jié)大塊；下降煙道截面尺寸為5.4m×5.4m，設(shè)計(jì)為二段單獨(dú)水循環(huán)。水平煙道依次布置1塊輻射煙氣檔板、1組凝渣管屏和5組對(duì)流管束，輻射煙氣擋板可使煙氣充分充滿輻射腔室提高換熱效率，另外起到擋塵的作用。

（2）熔煉余熱鍋爐飽和蒸汽產(chǎn)量為67t/h，且比較穩(wěn)定，本文將飽和蒸汽經(jīng)硫酸轉(zhuǎn)化工序主轉(zhuǎn)化一段過熱后進(jìn)行汽力拖動(dòng)，經(jīng)熱電平衡分析，汽拖最大拖動(dòng)功率為7085kW。