煙氣制酸系統熱管余熱鍋爐問題分析及改進措施

鐘祥宇

（中銅東南銅業有限公司，福建寧德 352100）

某銅冶煉企業煙氣制酸系統采用1套凈化、2套干吸、2套轉化的二轉二吸制酸工藝流程，其中轉化工序采用高濃度SO2煙氣轉化技術。熱管余熱鍋爐專用于回收硫酸煙氣中的熱量、降低煙氣溫度，利用所回收的熱量加熱除氧水并產生低壓蒸汽外送。該企業的熱管余熱鍋爐為4臺自然循環余熱鍋爐，其中2個系列各有1臺1.6 MPa中溫余熱鍋爐和1臺0.8 MPa低溫余熱鍋爐。

1 轉化工序工藝流程及鍋爐參數

轉化工序有5段床層轉化器，并配套5個換熱器。SO2主風機輸送的冷SO2煙氣依次進入Ⅳ，Ⅱ換熱器，與熱煙氣二次換熱后進入轉化器一段進行轉化反應，反應后的轉化器一段煙氣經Ⅰ換熱器、1.6 MPa中溫鍋爐回收熱量后依次進入轉化器二段、Ⅱ換熱器、轉化器三段、Ⅲ換熱器、轉化器四段和Ⅳ換熱器進行轉化反應與換熱，之后煙氣進入0.8 MPa低溫鍋爐回收熱量后至一吸塔吸收SO3。經一次吸收后的冷煙氣依次進入Ⅴ，Ⅲ和Ⅰ換熱器換熱后，進入轉化器五段進行轉化反應，反應后的熱煙氣通過Ⅴ換熱器與一次吸收后的冷煙氣換熱降溫，進入二吸塔吸收SO3[1]。轉化工序工藝流程見圖1。

圖1 轉化工序工藝流程

2 存在的問題

余熱鍋爐主要由蒸發器、汽包及熱管、上升管、下降管、本體膨脹節、進出口煙道與連接煙道組成。4臺余熱鍋爐設計值及改造前實際值見表1。

由表1可知：鍋爐進口煙氣溫度低于設計值，1.6 MPa中溫余熱鍋爐產汽量8.5 t/h，低于11 t/h的設計值；0.8 MPa低溫余熱鍋爐產汽量5.9 t/h，低于10.5 t/h的設計值。

表1 4臺余熱鍋爐設計參數及改造前實際值

1.6 MPa中溫鍋爐位于Ⅰ換熱器出口至轉化器二段入口之間，0.8 MPa低溫鍋爐位于Ⅳ換熱器出口至一吸塔入口之間。

1.6 MPa中溫余熱鍋爐分上、下2個蒸發器，鍋爐上蒸發器出現整體膨脹“拉升抬高”現象，導致上、下蒸發器方形膨脹節嚴重變形，補償能力失效，上、下蒸發器與方形膨脹節的焊縫經常開裂漏煙，上蒸發器與入口煙道焊縫經常開裂漏煙，上蒸發器連接的水汽系統所有管束均出現不同程度的受力變形。一系列鍋爐上蒸發器低、中、高3個支撐點抬高約為110，50，10 mm，二系列鍋爐上蒸發器低、中、高3個支撐點抬高約為80，40，10 mm。

2020年5月鍋爐內檢時發現一、二系列1.6 MPa中溫余熱鍋爐上蒸發器內部熱管發生爆管。一系列熱管爆管11根，二系列熱管爆管10根，爆管的熱管大部分是管子端部脫離箱體管孔，爆管位置成“喇叭口”。0.8 MPa低溫余熱鍋爐熱管、底部氣室、煙道積灰異常嚴重，煙灰顏色呈白色，并已硬化，翅片之間形成“搭橋”，導致傳熱系數大幅降低，煙道煙氣阻力增加。

3 原因分析

3.1 1.6 MPa中溫余熱鍋爐產汽能力不足

經分析，1.6 MPa中溫余熱鍋爐產汽能力不足有以下原因：

1）轉化器一段催化劑下表面各測點煙氣最大溫度差超過100 ℃，且最大溫差發生在靠近氣體出口側（溫度約500 ℃）與氣體出口相對的另一側（溫度超過600 ℃）。對轉化器一段內部氣體運動進行流體仿真計算，發現是因為轉化器一段煙氣進入催化劑床層后速率分布不均。距離出口較近的區域阻力低、氣速高、反應時間不足造成溫度偏低；距離出口較遠的區域阻力較高、氣速較低、反應時間充分使溫度較高。轉化器一段催化劑床層溫度不得超過600 ℃，否則影響催化劑活性及轉化率，因此高、低溫煙氣在轉化器出口混合后，轉化器一段出口煙氣溫度只能在550~570 ℃，并且再經過Ⅰ換熱器換熱后，進入鍋爐的煙氣溫度只有480~524 ℃。

2）鍋爐上蒸發器的熱管爆管，爆管數量約占總熱管數量的4.2%，因鍋爐設計換熱余量約為10%，理論上不影響換熱效率，但一定程度上仍影響換熱能力。

3）鍋爐給水泵至鍋爐的管線距離較長，給水存在熱量損失，給水泵出口溫度133 ℃，終端至鍋筒的給水溫度僅為115 ℃，較設計值偏低，一定程度上消耗水汽換熱的熱量。

3.2 1.6 MPa中溫余熱鍋爐上蒸發器“拉升抬高”

1.6 MPa中溫余熱鍋爐上蒸發器“拉升抬高”是因為受到熱膨脹力和盲板力兩種向上的拉力。熱膨脹力的產生緣于正常生產中Ⅰ換熱器自身受熱向上膨脹，鍋爐進口水平煙道向上位移，從而拉動鍋爐進口垂直煙道以及上蒸發器向上抬高；盲板力的產生緣于煙氣流體進入蒸發器，蒸發器內部熱管管束呈水平放置，造成煙道橫截面積變小，煙氣自身壓力經熱管反向折射至蒸發器箱體上，引起內壓推力，一部分內壓推力被四面的箱體吸收，另一部分作用在上蒸發器上部“天圓地方”形狀的入口煙道上，使其向上抬高并拉動上蒸發器向上“拉升抬高”，從而造成上蒸發器低、中、高3個支撐點抬升高度逐漸降低。從表1可知，鍋爐實際煙氣量比設計值偏大，使盲板力更加明顯。

上蒸發器 “拉升抬高”導致的后續衍生問題：上蒸發器連接的水汽系統管束均有不同程度的受力變形，最嚴重的是彎頭彎曲開裂。上、下蒸發器的方形膨脹節原設計目的是抵消下蒸發器箱體向上拉升的熱膨脹力，起壓縮作用，但因上蒸發器上抬膨脹節變成受拉變形，焊縫處經常開裂漏煙。方形膨脹節因變形扭曲形成具有一定強度的結構，下蒸發器箱體向上拉升的熱膨脹力無法在膨脹節處消除，從而經膨脹節傳遞至上蒸發器，使上蒸發器增加了一個向上推力，更加劇了上蒸發器整體的向上抬高。

3.3 1.6 MPa中溫余熱鍋爐熱管爆管

正常生產時，上蒸發器上抬，蒸發器外側向上抬高100 mm，因有數根熱管在高溫運行時與下部孔板脫落，若煙氣溫度降低，原本可返回孔板中的管子因蒸發器外側抬高無法回位，導致熱管受孔板擠壓受力，發生爆管。同時鍋爐蒸發器箱體與熱管因材質及結構不同，二者線性熱膨脹系數與體積熱膨脹系數不同，有孔板向外側的膨脹量大于熱管因熱膨脹導致的軸向伸縮量，也是導致熱管脫落的部分原因。

3.4 0.8 MPa低溫余熱鍋爐熱管積灰搭橋

將一、二系列0.8 MPa低溫余熱鍋爐熱管白煙塵取樣分析，分析結果見表2。

表2 0.8 MPa低溫余熱鍋爐熱管白煙塵成分分析

根據表2的數據進行初步分析，低溫鍋爐蒸發器、熱管和煙道內白煙塵沉積的主要原因是轉化系統停車前高濃度SO3未吹凈，煙氣溫度低于露點形成冷凝酸，從而腐蝕設備,生成的硫酸鐵在低溫鍋爐中富集。

4 改進措施

4.1 優化轉化器一段煙氣出口管結構

為平衡各區域氣流阻力，將出口管往轉化器內部延伸至中心附近，同時為分散氣流，防止氣體在局部聚集，將出氣管頂板擴大，并在頂板上按特定間距開孔，中心位置孔徑小、間距小、數量多，靠近出口管孔徑大、間隔大、數量少。因此煙氣進入催化劑床層下部出口管位置時阻力增大，反應時間延長，從而實現各區域轉化率及溫度平衡。改進后阻力消耗僅增加163 Pa，能量損失少。

4.2 增加鍋爐復線管

考慮到4臺余熱鍋爐煙氣從轉化器出口均通過換熱器換熱后進入鍋爐，煙氣溫度均有下降。2020年5月大修時，改造煙氣路線，在轉化器一段出口至1.6 MPa中溫余熱鍋爐入口、轉化器四段出口至0.8 MPa低溫余熱鍋爐入口增加旁路，使部分煙氣不經換熱器直接進入鍋爐，從而提高鍋爐的入口煙氣溫度。

4.3 增加1.6 MPa中溫余熱鍋爐膨脹節及蒸發器限位

為消除Ⅰ換熱器的熱膨脹力和鍋爐自身產生的盲板力，在入口處水平方向加裝φ1 800 mm×400 mm的304雙波膨脹節，軸向拉升位移為5 mm，軸向壓縮位移為90 mm，從而完全消除Ⅰ換熱器傳遞過來的熱膨脹力。此外，在鍋爐上蒸發器支撐點低、高處加裝若干個“7”形限位勾，并將支撐點中位的焊接滿焊固定至鋼結構支撐梁上，解決上蒸發器“拉升抬高”的問題。

因上、下蒸發器原膨脹節嚴重變形補償能力失效，該位置經常漏煙，因而在不改變原膨脹節的基礎上，在外側包裹一層方形膨脹節，補償下蒸發器設備的熱膨脹力。

4.4 割除并封堵爆裂熱管

熱管鍋爐采用熱管作為傳熱元件，熱管的受熱段置于煙道內，煙氣橫掠熱管受熱段，熱管元件的放熱段插在水-汽系統內，水-汽系統的受熱及循環完全和熱源分離而獨立存在與煙道之外[2]。熱管為單獨部件，其冷側插入套管中，而熱管和套管之間走飽和水并產生蒸汽，下部的爆管只影響其熱側的吸熱，爆管后工質泄漏，熱管失去換熱功能，但夾套管內的爐水并不會泄漏到煙氣中。為防止受煙氣波動影響其他熱管，在爆管上部將爆管處割除后取出，對其根部進行封堵處理。

4.5 優化生產操作

減少系統開停車次數，提高系統作業率，避免低溫露點冷凝酸腐蝕，造成低溫鍋爐蒸發器內部、煙道積白煙塵，提高低溫余熱鍋爐入口煙氣溫度，優化煙氣換熱流程，確保余熱鍋爐換熱效率，穩步提升蒸汽產量。

5 結語

由于前端轉化器一段出口溫度由550~570 ℃提高至570~590 ℃，1.6 MPa中溫余熱鍋爐入口溫度由480~524 ℃提高至525~545 ℃，蒸汽產量從8.5 t/h增加到11.9 t/h，提高了40%。上蒸發器均未出現“拉升抬高”現象，改進前經常出現焊縫開裂的位置均得到控制，鍋爐安全穩定運行。0.8 MPa低溫余熱鍋爐通過清理熱管之間的煙灰后，蒸汽產量從5.9 t/h增加到7.2 t/h，提高了約22%。因無法清除熱管螺旋翅片之間的灰渣，積灰問題仍未徹底解決，出口溫度仍高于設計值30 ℃，后續將繼續改進。