轉爐循環水冷式煙罩余熱回收

〔摘 要〕介紹了銅冶煉廠轉爐煙罩兩種冷卻方式：常壓汽化冷卻式和循環水冷式，并對兩者的區別進行了闡述。詳細介紹了循環水冷式煙罩余熱回收系統的設計思路，包括工藝流程、關鍵控制點等，并對已實施的工程項目進行分析。分析表明循環水冷式煙罩余熱回收系統工藝穩定，節能、節水，具有良好的經濟效益，值得推廣。

〔關鍵詞〕轉爐煙罩；汽化冷卻式；常壓汽化冷卻式；循環水冷式；換熱量；回路阻力

中圖分類號：TF341.1；TK172? ?? 文獻標志碼：Ｂ? 文章編號：1004-4345（2024）02-0016-04

Waste Heat Recovery of Converter Circulating Water-cooled Hood

ZUO Tao

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract? This article introduces two cooling methods of converter hood in copper smelter： atmospheric pressure vapor-cooled and circulating water-cooled， and explains the differences between the two methods. This article provides a detailed introduction to the design concept of a circulating water-cooled hood waste heat recovery system， including process flow， key control points， etc.， and analyzes the implemented engineering projects. The analysis shows that the circulating water-cooled hood waste heat recovery system has stable process， energy-saving and water-saving advantages， and good economic benefits， which is worth promoting.

Keywords? converter hood; vapor-cooled; atmospheric pressure vapor-cooled; circulating water-cooled; quantity of heat exchange; loop resistance

1? ?轉爐煙罩概況

轉爐是銅冶煉過程中處理冰銅的主要冶金設備。由于轉爐吹煉是間斷運行的，因此在裝料、出渣、放銅的階段沒有煙氣產生，且吹煉階段煙氣成分和煙氣量會隨著吹煉周期階段的不同而發生變化。位于轉爐爐口和后續余熱鍋爐之間的轉爐煙罩，作為轉爐的重要附屬設備，設計時應盡量保障煙氣的輸送順暢，且盡可能減少漏風，以提高煙氣中SO2的濃度，改善勞動條件，實現低成本、高效率地回收煙氣中的熱量。

目前，銅冶煉廠轉爐煙罩一般由前部活動煙罩、內層固定煙罩和環集煙罩3個部分組成。轉爐煙罩示意見圖1。前部活動煙罩采用整體耐熱鑄鋼件制成，該部分煙罩在轉爐加銅锍、倒渣和出銅時啟動頻繁，且受輻射熱強烈烘烤，是整個煙罩中工作條件最差的部分。內層固定煙罩是轉爐煙罩的主體，其功能是匯集和排出轉爐出口的煙氣，并將煙氣冷卻到一定的溫度，其部分結構設計需滿足耐熱、密封、耐蝕、結構形狀合理，且不會影響有關其他設備操作等要求。環集煙罩通常用鋼板焊接而成，分上部固定罩和前部回轉罩兩個部分。當轉爐加銅硫、倒渣和出銅時，爐口會離開內層煙罩，從爐口冒出的煙氣由環集煙罩收集、排走，避免煙氣擴散到廠房內[1]。

煙罩長期處于高溫、高濃度SO2和高煙塵的煙氣沖刷下，因此設計時需要選擇合理的冷卻方式，以確保煙罩在高溫環境下能夠安全運行。內層固定煙罩按冷卻方式可分為汽化冷卻、常壓汽化冷卻和循環水冷式等。1）汽化冷卻可產出0.2～0.4 MPa的蒸汽，但蒸汽時有時無，且品位較低，利用率不高。汽化冷卻煙罩的使用壽命很短，本次不對其進行分析比較。2）常壓汽化冷卻，也稱“半汽化冷卻”，其進水為常溫軟化水，產出的105 ℃蒸汽放空，水套中的水為自然蒸發狀態，冷卻水由高位水槽自動補給。常壓汽化冷卻式固定煙罩在冶煉廠中采用居多，我國主要銅冶煉企業貴冶、金隆、云銅、紫金等均在使用。該設備延續了原日本設計的蒸發式煙罩的優點，工藝簡單、常壓作業、投資低，但箱式結構的煙罩內部存在汽空間，冷卻效果差，壽命短，水蒸氣直接外排，能源和水資源浪費嚴重，還存在白色污染，環境效果差。3）循環水冷式煙罩是最近幾年發展起來的一種新型煙罩形式。該設備不僅克服了傳統蒸發式煙罩的缺點，結合余熱鍋爐的給水系統設計，還可將煙罩循環水回收的熱量用于加熱余熱鍋爐給水，使熱能得以回收，水資源也不會被浪費。采用循環水冷卻系統后，轉爐煙罩內部沒有汽化死角，使用壽命明顯提高；改造后，沒有蒸汽放散，環保效果好。目前，該系統已在大冶、白銀等冶煉廠成功應用。

本文擬主要針對常壓汽化冷卻式煙罩和循環水冷式煙罩進行比較，探討轉爐煙罩的優化形式，以期為轉爐項目設備選擇提供參考。

2? ?常壓汽化冷卻式與循環水冷式比較

2.1? 常壓汽化冷卻系統分析

常壓汽化冷卻式煙罩的外部水循環系統詳見圖2。循環水貯槽中的循環水通過循環水泵輸送至高位水槽。高位水槽為多層結構，分為若干段，可分別給上方固定煙罩、側方固定煙罩和后方固定煙罩的各層水套供水。各層均設有溢流管和給水口，溢流管與下一層相通，給水口與水冷煙罩相應水套進水口連接，通過溢流管高度來保證水冷煙罩相應水套的滿水狀態。當水冷煙罩水套中的水蒸發時，高位水箱自動補水，多余的水通過溢流管流至下一層，最終通過高位水槽出水口自流至循環水貯槽，從而實現水系統循環。當循環水貯槽液位降至一定程度后，自動開啟補水閥，從外部自動補水至相應高度。

為檢測整個轉爐煙罩冷卻水套的水補給情況，在回流總管上會安裝斷流檢測器。只要回流管中始終保持回流，則說明各層水槽的水位處于正常狀態。高位水槽外部設有排汽管，利用它們可以連通水槽各段上層汽體空間，并通過最上層一段的排汽口與大氣相通。

2.2? 循環水冷式系統分析

循環水冷式煙罩外部水循環系統圖詳見圖3。在該系統中，冷水箱的水位控制得比較低，熱水箱中一部分水進入余熱利用系統，溢流部分進入冷水箱，進入下一個循環。循環水溫度逐步提高，當余熱利用帶走的熱量與煙罩回收的熱量達到平衡時，循環水的溫度趨于穩定。循環水溫度與余熱鍋爐的用水量有關，為使循環水系統不發生汽化，循環水溫度應盡量控制在90 ℃以下。

2.3? 對比分析

經過比較可以看出，常壓汽化冷卻式煙罩與循環水冷式煙罩的外形尺寸和支撐方式基本相同，不同的是二者的內部結構和水循環方式。二者之間的主要區別見表1。

由表1可知，循環水冷式煙罩的外部水循環系統和水套內部結構更加復雜，設備造價也相對更高，系統內循環工質水質要求高，但環境影響小，能源回收較好，且壽命比較長。預計節能、節水省下來的費用，幾個月就能收回該系統建設的新增投資，且在環境要求和能源價格逐步提高的趨勢下，循環水冷式煙罩的優勢會更加明顯。

3? ?循環水冷式煙罩設計

3.1? 循環水流量設計

循環水的流量計算，除了考慮設計溫升和換熱面積外，還需要滿足鋼板的冷卻要求，使其不發生過熱與變形。煙罩鋼板的換熱量通常采用經驗數據。根據貴冶多年的統計資料換算，轉爐煙罩內表面鋼板的換熱量大約為12.5 MJ/（m2·h），設計溫升按每小時2 ℃控制，即可計算出循環水流量。一般多臺轉爐煙罩共用１套循環水系統，日常不方便對每臺煙罩進行控制和調節，因此循環水流量按全部轉爐煙罩同時運行的工況進行設計。特別是北方的冬季，為保護冷備轉爐不發生煙罩冰凍狀況，轉爐煙罩必須同時運行。

3.2? 循環水溫度控制

考慮到轉爐煙罩循環水的水溫是逐步提高的，為將循環水的溫度控制在一定范圍內，高溫循環水必須設置有開路。設計時，將高溫循環水送入余熱鍋爐用除氧器，再用低溫除鹽水補充進入循環水系統，這樣既可使循環水溫度得到控制，又可將煙罩回收的熱量轉入除氧器中，減少除氧器的蒸汽用量。因此，循環水溫度控制主要取決于煙罩吸熱量與除氧器給水加熱所需熱量的平衡，即煙罩的吸熱量=補充除鹽水的溫升熱值。熱平衡公式如下：

A×12.5 MJ/（m2·h）=Q×C×（t1-t2）/1 000（１）

式中：A為煙罩的受熱面積，m2；Q為除氧器用水量，kg/h；C為水的比熱，kJ/（kg·K）；t1為循環水溫度，℃；t2為補水溫度，℃。

由（１）式可知，只有除氧器用水量和循環水溫度是變量，其他都是固定值。因此，當除氧器用水量減少，循環水溫度就會升高，反之循環水溫度則降低。據測算，除氧器專供轉爐余熱鍋爐使用的循環水溫度在80～90 ℃；除氧器供熔煉余熱鍋爐和轉爐余熱鍋爐共用的循環水溫度低于60 ℃。由此可見，循環水溫度與除氧器的供水范圍密切相關。煙罩循環的最佳控制溫度在60～80 ℃，可以通過高溫循環水送入除氧器的流量來控制。循環水的最不利工況是除氧器的用水量太小，致使循環水溫度升高至沸點，此時熱水箱將有散蒸汽冒出，浪費能源。

3.3? 水箱容積的設計

水箱是轉爐煙罩循環水余熱回收系統的儲存設備，容積的大小必須滿足兩個條件：1）系統啟動時，應儲存足夠的水量向系統設備和管道供水；2）滿足日常運行循環水的儲存、緩沖作用。另外，水箱的容積可以參照《鍋爐房設計標準》（GB 50041—2020）對中間水箱的容積要求計算確定。水箱容積應滿足15～30 min循環水周轉量需求[2]。

3.4? 循環水回路阻力的平衡

每臺轉爐有30多塊水套，3臺轉爐共有上百塊水套。每塊水套有1～2個進出水口，且水套的形狀不規則，高低位置不一，管路長短也不同，如果循環水回路的阻力不平衡，將直接影響循環水量的分配，嚴重時可能會造成部分水套里的循環水發生汽化。因此，循環水回路阻力的平衡計算是本系統成功的關鍵，可借助鍋爐水動力計算軟件進行計算。在分配跡象出口設調節閥門，調節開度平衡匯合集箱每個回路的阻力，使每個回路阻力近似相等，從而使每個回路的水流量基本相同。

4? ?應用案例分析

目前，轉爐循環水冷式煙罩已在白銀銅業公司、大冶銅業公司和東營方圓銅業投入了使用。其中大冶銅業公司的轉爐循環水冷式煙罩，主要是用于延長煙罩的使用壽命，該企業對熱量未進行回收。東營方圓銅業的原有轉爐采用的是蒸發式煙罩，由于上部煙罩經常發生損壞，后改造成為強制水循環方式，截至目前使用效果良好。以下著重以白銀銅業公司的3臺轉爐循環水冷式煙罩為例，進行案例分析。

白銀銅業公司的3臺轉爐原采用的是常壓汽化冷卻煙罩。這3臺轉爐煙罩共用了1套循環水系統，配有2臺φ1 600mm × 2 400mm 循環水貯槽、2臺50 m3/h的循環水泵和3臺φ900 mm×8 000 mm的高位水槽。雖然系統簡單，但運行下來冷卻效果并不理想，尤其是在冬季，大量的水蒸氣外溢，導致排氣管結冰，嚴重影響了煙罩的換熱效果。另外，該系統為了防止水套內部結垢，循環水使用的是一級反滲透工藝產出的除鹽水。除鹽水的最大補水量為4 t/h，對于白銀這種嚴重缺水的地區，成本很高。

針對以上問題，白銀銅業公司將原常壓汽化冷卻煙罩改造為循環水冷式煙罩，3臺轉爐共用1套循環水系統，高溫循環水供轉爐余熱鍋爐使用。該項目轉爐煙罩系統改造的基本思路是：原有3個水套的外形尺寸不變，安裝鋼架不動，水套全部更換（修改內部構造）。設置2個匯合集箱，并在環境集煙罩上部增加1個2 m寬的匯合集箱操作平臺。水箱和水泵設置在主廠房外，2個水箱露天布置，設置保溫和防凍設施，4臺水泵設置在現有的附房內。

設備選型的主要依據是煙罩的換熱量，只要保證煙罩內部的水流速度，能及時將煙罩所吸收到的熱量帶走即可。根據實際運行測算，轉爐煙罩單位面積的吸熱量為12.5 MJ/（m2·h），煙罩面積為375 m2，換熱量為4 687 MJ/h，每小時的水溫溫升控制為2 ℃，循環水流量為558 t/h，因此本項目的循環水泵設計流量為600 t/h，水箱容積為200 m3，大約為30 min的周轉量。除氧器加壓泵的參數取決于余熱鍋爐的用水量，如果余熱鍋爐的用水量為15 t/h，除鹽水的溫度為10 ℃，則熱水箱的水溫可維持在85 ℃左右，如果余熱鍋爐的用水量減少，水溫會高一些，最高可達到大氣的飽和溫度。

目前，白銀轉爐煙罩已運行了3年多時間，除氧器的供水溫度控制在90～95 ℃左右；沒有水蒸氣散發，有效解決了該廠多年來排氣管結冰的問題；除氧器消耗的蒸汽極少，蒸汽使用量減少了1.5～2 t/h，節省的蒸汽1年便可收回投資；且從未發生水冷煙罩變形、泄露、汽化等事故現象，用戶反映良好。

5? ?結語

隨著國家節能減排政策的持續推進，推廣和應用節能減排技術，提高能源利用效率，減少環境污染，已經成為冶金行業可持續發展的必然選擇?；厥諢煔庥酂崾翘岣吒G爐的熱效率、實現工廠節能降耗的重要途徑。轉爐循環水冷式煙罩余熱回收系統能成功地把煙氣的熱量回收并長期穩定地運行，不僅節約能源，而且減少了白色環境污染，經濟效益顯著。該設備可以在吹煉爐、精煉爐等其他冶煉爐窯的煙罩水套中推廣使用，尤其是用于嚴重缺水的地區，社會效益、經濟效益更為顯著。

參考文獻

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[3] 范林對，郭永強，汪鑫.關于煉鋼轉爐活動煙罩的改造與實踐[J].科技與創新，2017（12）：124.

[4] 陳志平，李文越.自蒸發式PS轉爐煙罩結構改進[J].有色冶金設計與研究，2018（2）：22-24.

[5] 顏杰.PS轉爐煉銅技術進展[M].北京：冶金工業出版社，2023.

收稿日期：2023-06-12

作者簡介：左濤（１９８４—），男，高級工程師，主要從事熱能與動力工程設計工作。