轉爐處理銅浮渣煙氣冷卻裝置的設計與運用

范振宇,廖麗柯,羅 賓

(湖南水口山有色金屬集團有限公司精鉛稀貴廠,湖南 衡陽 421513)

0 引言

某鉛冶煉廠采用φ3.3 m×8.5m 銅浮渣轉爐替代反射爐處理銅浮渣,銅浮渣轉爐從能耗及自動化程度方面都有很大的改善[1]。但是浮渣轉爐高溫煙氣會對煙氣口耐火材料產生沖刷,并且原料中含有S、Cl、F 等元素,產生的煙塵會對水冷煙罩的管壁造成高溫腐蝕及低溫酸腐蝕[2-4],使得爐座整體連續運行壽命不到3個月,嚴重制約了爐子的作業率。水冷煙罩至表冷段的人字煙管積灰嚴重,清灰工作量較大,爐內負壓條件無法穩定控制。根據爐子實際的運行參數,設計煙氣口銅水套及優化煙罩水套是提高爐子整體壽命的重要攻關方向[5]。

1 問題分析

該廠銅浮渣轉爐采用25%～40%的富氧燃燒天然氣加熱,煙氣溫度1 000～1 200℃。根據生產情況,該爐面臨兩個瓶頸問題,一是鎂鉻渣骨料搗筑的煙道口燒損嚴重,使用周期為1～2個月,二是煙氣中含有2%～5%的SO2,高溫煙氣直接對水冷煙罩進行硫化物高溫腐蝕,加上煙塵對水冷壁的沖刷侵蝕等原因,煙罩使用壽命只有3～5個月。現場煙道口燒損及水冷壁腐蝕情況見圖1。受原料及爐況的局限性,目前尚未找到徹底解決防高溫腐蝕的有效辦法。相關研究認為煙氣溫度在500℃以內,高溫腐蝕可以得以保持和控制[6],綜合煙氣的低溫腐蝕及煙氣后期布袋除塵器要求大于露點溫度180℃[7],所以理論上在水冷煙罩溫度保持在300～500℃可以保證煙罩材料的使用壽命[8],轉爐煙氣冷卻裝置的改進應根據此理論工況條件來設計。

2 轉爐冷卻裝置優化設計方案

2.1 煙口銅水套設計

要提高爐體煙氣口使用壽命,并將高溫煙氣控制在300～500℃范圍內,工程應用中較成熟的方案是增加銅水套冷卻裝置[9],由于該銅浮渣爐煙口狹小,整體式水套相較于分塊式的水套更容易安裝,更換更加便捷,供水簡易可靠。根據工況條件,煙氣量為7 670m3/h,煙塵濃度為10～20 g/m3,煙氣溫度從1 000～1 200℃冷卻至700～800℃,排煙煙氣焓的計算式見式(1)。

圖1 煙道口燒損及水冷壁管腐蝕情況

式中:Iy是由爐體進入銅水套的煙氣焓,kJ/Nm3；Ic為進入銅水套的煙塵焓,kJ/Nm3。

以選用φ48 mm×9 mm 銅管為前提,進行冷卻換算,換熱面積需3m2以上,入口冷卻水壓大于0.25 MPa,水流量大于2×10m3/h,能較好滿足降溫工藝,銅水套外形及管路布置如圖2所示。水套側面厚度為100 mm,蛇形管內腔距離水套內側面35.5 mm,離水套外壁面25.5 mm。水套設置兩組水路,每組水路流經2個側面,每組管道約4.2 m的蛇形管道。

圖2 銅水套總裝圖

2.2 水冷煙罩設計

轉爐煙氣水冷裝置原采用膜式水冷壁拼裝而成的水冷煙罩,換熱面積為43m2,經過試生產測試,使用壽命為3～5個月,后期出現大面積泄漏,備件及維修成本較高。考慮到后期維修及更換方便,以模塊化、能快速維修替換為設計指導思想,達到減少檢修時間的目的。

由于高溫氣體對水冷壁的沖刷、侵蝕作用,水冷壁后期出現大面積變薄,甚至泄漏的情況。為延長水冷煙罩整體使用壽命,煙罩改進方案采用水箱加水冷壁的組合模式。根據原水冷壁內部水管滲漏情況,煙罩與外排煙道面及相連的側面以及頂部,都為高溫高速紊流區,侵蝕較嚴重,因此選擇水箱方案緩解燒蝕泄漏問題；因為水冷煙罩為懸掛式安裝,考慮到整體重量以及換熱效果等因素,其他低溫、低速區選用水冷壁。

煙罩煙氣口與排煙管過渡段原設計存在水平區域P,內附輕質耐火澆注料煙管,在生產過程中,煙管掛灰及水平段積灰嚴重,生產過程容易阻塞煙道影響爐內負壓,并且煙灰板結后清灰難度非常大。為解決此問題,如圖3所示,延長煙罩約485 mm 至墻體側(圖3),使得管道順延直插入水冷煙罩側面,消除水平段；清除原內襯的澆注料,外部增設半圓形水套冷卻煙管。

水箱內壁設計如圖4所示,選用14 mm 20G 鍋爐鋼板,外壁使用12 mm 20G 鋼板,內部設置3 塊隔板。水冷壁設計則如圖5所示,采取水管外部附著式設計,用42 mm 鋼板做內襯壁面,外部蛇形水冷管道選用φ32 mm×3.5 mm 鋼管。管壁與內襯板采用連續滿焊,熔池深度控制在8～10 mm。此設計一方面可防止高溫煙氣直接侵蝕管壁；另一方面可以滿足后期修復方便,維修時可直接對燒損內側襯板進行焊補。

進入煙罩的煙氣量計算式見式(2),進入煙罩的煙氣焓計算式見式(3)。

圖3 水冷煙管結構優化圖

圖4 水箱零件圖

式中:Δ ?為煙罩的漏風系數,取0.1；V′為爐內燃燒產生煙氣量,m3/h。

圖5 水冷壁零件圖

式中:I′y是由銅水套進入水冷煙罩的煙氣焓,kJ/Nm3；I′c為進入水冷煙罩的煙塵焓,kJ/Nm3。

空氣及其組分焓值和煙塵的平均焓值見表1[10]。

表1 空氣及其組分焓值和煙塵平均焓值

根據熱平衡計算,其中水箱面積需大于等于25.13m2,水冷壁面積需大于等于12.68m2,換熱面積總共37.81m2,結構參數如表2所示。水冷煙罩總裝圖見圖6。

表2 水冷煙罩結構參數表

圖6 水冷煙罩總裝圖

2.3 水路設計

為保障供水可靠性,設計雙路水源聯鎖的冷卻水系統[11],進口水源為軟化水,水溫在30～35℃范圍內,備用水源采用電動調節閥,如圖7所示,通過DCS 實時監測主水源與備用水源供水水壓,當主水源壓力低于0.2 MPa時,由DCS 邏輯控制自動打開備用水源電動閥門,切換到備用水路供水,保障銅水套與水冷煙罩不間斷供水安全。

圖7 水路分配圖

3 調試效果

開爐測試水冷情況,供水水壓0.25～0.3 MPa,水流量、水路溫度、煙氣出口溫度趨勢如表3所示,在該工況下,銅浮渣轉爐能較好地滿足生產需求,爐況運行平穩。

表3 水冷煙罩運行數據表

4 結語

銅浮渣轉爐經過煙氣冷卻方案改造,解決了煙道口燒損嚴重問題,轉爐本體可以穩定運行,爐壽可達8個月以上。水冷煙罩采用模塊化設計,煙罩整體壽命可達1年以上,并且模塊化水套及水冷壁使得后期備件可替換性以及維修方便性都達到設計要求；人字煙管經改造后,不再大量積灰,經交接班簡單清理即可平穩保持爐內負壓,整體改造設計效果顯著。