王崗，李煒煒，封吉龍

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038;2.金川集團(tuán)公司，甘肅金昌 737100)

金川鎳閃速爐余熱鍋爐擴(kuò)能改造

王崗，李煒煒，封吉龍

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038;2.金川集團(tuán)公司，甘肅金昌 737100)

金川集團(tuán)有限公司鎳閃速爐余熱鍋爐運(yùn)行18年后已不能適應(yīng)冶金工藝的生產(chǎn)要求，需要進(jìn)行徹底的技術(shù)改造。中國恩菲工程技術(shù)有限公司承擔(dān)了余熱鍋爐改造的設(shè)計(jì)工作。本文對原有余熱鍋爐運(yùn)行中存在的問題進(jìn)行了細(xì)致的分析，并詳細(xì)介紹了改造后余熱鍋爐的技術(shù)特點(diǎn)。

閃速爐;余熱鍋爐;設(shè)計(jì)

1 概述

金川集團(tuán)有限公司是采、選、冶、化配套的大型有色冶金、化工聯(lián)合企業(yè)，鎳和鉑族金屬產(chǎn)量占中國的90%以上，是中國最大的鎳、鈷生產(chǎn)基地。1992年該公司建成亞洲第一座、世界第五座煉鎳閃速爐，使我國的鎳冶煉工藝達(dá)到了世界同行業(yè)先進(jìn)水平。與鎳閃速爐配套的余熱鍋爐是閃速熔煉工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，當(dāng)時(shí)我國還不具備設(shè)計(jì)、制造這種余熱鍋爐的能力，金川集團(tuán)有限公司和北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院經(jīng)過深入細(xì)致的調(diào)研和考察，對日本川崎重工(Kawasaki)和芬蘭奧斯龍(Ahlstrom)公司的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了全面的比較，最后從芬蘭奧斯龍公司全套引進(jìn)了閃速爐余熱鍋爐及相關(guān)設(shè)備。該余熱鍋爐于1992年10月投入運(yùn)行，是國內(nèi)第一臺在輻射室中設(shè)置輻射管屏的余熱鍋爐，也是第一臺采用彈性振打清灰裝置的余熱鍋爐，代表了當(dāng)時(shí)的世界先進(jìn)水平。在投運(yùn)后的十余年間該余熱鍋爐一直是國內(nèi)運(yùn)行狀況最好的閃速爐余熱鍋爐之一，能夠很好地滿足冶金工藝長周期穩(wěn)定生產(chǎn)的要求。

隨著閃速爐的生產(chǎn)能力逐年提高，余熱鍋爐的煙氣條件發(fā)生了很大的變化，2004年以后該余熱鍋爐在運(yùn)行過程中也逐漸暴露出一些問題，主要是對流區(qū)入口煙溫過高，對流區(qū)積灰嚴(yán)重。2009年一季度閃速爐余熱鍋爐對流區(qū)入口平均煙溫為920℃左右，最高達(dá)到947℃。由于進(jìn)入對流區(qū)煙氣溫度較高，對流區(qū)管束的粘結(jié)十分嚴(yán)重，幾乎每天都要利用閃速爐點(diǎn)檢時(shí)間進(jìn)行人工清灰，每周由于清灰影響閃速爐投料3～4h。另外該余熱鍋爐經(jīng)過近18年的長期運(yùn)行，也存在設(shè)備老化、設(shè)備故障率高等問題，因此金川集團(tuán)有限公司準(zhǔn)備利用2010年閃速爐冷修的機(jī)會對該余熱鍋爐進(jìn)行徹底的改造使之能夠適應(yīng)今后生產(chǎn)的要求。

根據(jù)金川集團(tuán)有限公司的要求，福斯特惠勒能源公司(Foster Wheeler Energia Oy)、歐薩斯能源環(huán)境設(shè)備有限公司(Oschatz GmbH)和中國恩菲工程技術(shù)有限公司于2009年8月分別提交了各自的改造設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過深入細(xì)致的技術(shù)論證，金川集團(tuán)有限公司最終決定采用中國恩菲工程技術(shù)有限公司的設(shè)計(jì)方案。

2 原有余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1為金川集團(tuán)有限公司原有鎳閃速爐余熱鍋爐結(jié)構(gòu)簡圖。

該余熱鍋爐由輻射室和對流區(qū)兩部分組成。輻射室總長16.62m，寬6.52m，高13.246m，輻射室后部設(shè)置了三組輻射管屏，由于設(shè)置了輻射管屏，使輻射室的長度大大縮短了，整個(gè)輻射室的結(jié)構(gòu)非常緊湊。為了使輻射室的形狀更好地適應(yīng)煙氣流動(dòng)的特點(diǎn)，輻射室頂部的兩端均為45°斜角，在輻射室灰斗的中部設(shè)有水冷壁制作的隔墻。對流區(qū)頂棚比輻射室低4.12m，對流區(qū)總長15.89m，寬3.00m，高6.497m，對流區(qū)中設(shè)置6組管束。這是二十世紀(jì)八、九年代芬蘭奧斯龍公司閃速爐余熱鍋爐的典型配置［1］。

余熱鍋爐受熱面的清灰全部采用彈性振打清灰裝置。這種清灰裝置自二十世紀(jì)八十年代以后在各種有色冶金爐余熱鍋爐上大量使用，具有良好的清灰效果。

圖1 改造前閃速爐余熱鍋爐結(jié)構(gòu)簡圖

3 改造前余熱鍋爐運(yùn)行狀況分析

金川集團(tuán)有限公司鎳閃速爐自1992年10月投產(chǎn)以來，經(jīng)過一系列技術(shù)改造，鎳精礦處理能力由原設(shè)計(jì)的35萬t/年提高到近70萬t/年。隨著富氧濃度的提高和以煤代油技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣參數(shù)發(fā)生了很大的變化［2］。

表1為余熱鍋爐原設(shè)計(jì)參數(shù)與改造前運(yùn)行參數(shù)的比較，可以看到煙氣中SO2的含量由12%增加到20%以上，而CO2的含量由11%降低到1.63%，H2O的含量由5%降低到2.7%。

表1 余熱鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)的比較

余熱鍋爐輻射室截面積較大，煙氣流速很低，在輻射室中主要的傳熱方式是輻射傳熱，輻射傳熱量的大小與煙氣發(fā)射率有直接的關(guān)系，而煙氣發(fā)射率是由煙氣溫度、三原子氣體分壓和有效平均射線程長等條件決定的。在溫度、分壓和有效平均射線程長相同的情況下，不同煙氣組分的發(fā)射率是有很大差別的，一般情況下CO2和H2O的發(fā)射率較大，SO2的發(fā)射率較小，CO2與SO2的發(fā)射率之比可以達(dá)到300%［3］，因此在三原子氣體含量相近的情況下，SO2的含量越高，煙氣發(fā)射率越低。通過計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)，由于煙氣成分的改變，使煙氣發(fā)射率降低了16%，這意味著在輻射室中的傳熱量大大降低了。另一方面由于SO2的比熱容較高，SO2的含量增加，又使單位煙氣帶入余熱鍋爐的熱量增加了，所以盡管進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)煙氣量，但對流區(qū)入口的煙氣溫度卻提高了，事實(shí)上這種現(xiàn)象在貴溪冶煉廠也曾出現(xiàn)過［4］。要解決運(yùn)行中余熱鍋爐對流區(qū)入口煙溫過高，對流區(qū)積灰嚴(yán)重的問題，關(guān)鍵是增加余熱鍋爐輻射室的傳熱量。

4 余熱鍋爐改造方案

考慮到生產(chǎn)發(fā)展的需要，金川集團(tuán)有限公司要求閃速爐余熱鍋爐改造后應(yīng)能滿足在最大煙氣量86600Nm3/h的工況下長期穩(wěn)定運(yùn)行的要求，同時(shí)應(yīng)盡可能利用原有鋼結(jié)構(gòu)，加上配置上的各種限制，給改造工作帶來很大難度。

由于原有余熱鍋爐結(jié)構(gòu)非常緊湊，要在原有場地內(nèi)完成改造工作是很困難的。經(jīng)過認(rèn)真的核算，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，最終決定在余熱鍋爐尾部間隔3.5m新增2排鋼架，這樣可以使改造后的余熱鍋爐延長7m左右，原有鋼架予以保留，余熱鍋爐的改造設(shè)計(jì)就是在這樣的空間內(nèi)完成的。改造后的余熱鍋爐結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 改造后余熱鍋爐結(jié)構(gòu)簡圖

為了增加余熱鍋爐輻射室的傳熱量，在輻射室的橫截面積不變的情況下，將輻射室的長度由原來的16.62m延長到22.80m，同時(shí)取消了輻射室后部的斜角，這樣使輻射室的空間得到更充分的利用，從而可以在輻射室布置更多的受熱面。

在增加輻射室受熱面積的同時(shí)，合理組織輻射室中的煙氣流動(dòng)對于增加傳熱量也是非常重要的。原有的余熱鍋爐為了充分發(fā)揮輻射管屏的作用，在輻射室灰斗的中部設(shè)置了隔墻，有意識地組織煙氣沿輻射室上部流動(dòng)。研究表明這樣的布置會在輻射室的下部形成很大的渦流區(qū)，渦流區(qū)的容積達(dá)到輻射室總?cè)莘e的44%左右，渦流區(qū)中煙氣流動(dòng)速度很慢，使輻射室下部受熱面的傳熱效率大為降低［5］。改造后取消了輻射室灰斗中部的隔墻，代之以由輻射室頂棚垂下來的1塊梳形煙氣擋板。梳形煙氣擋板可以允許一部分煙氣穿過煙氣擋板進(jìn)入擋板后的輻射管屏，同時(shí)又強(qiáng)制一部分煙氣由擋板下的空間通過，使煙氣更好地充滿輻射室的空間，從而提高輻射受熱面的傳熱效果。除了煙氣擋板，在輻射室中還布置了4組輻射管屏，擋板前1組，擋板后3組。改造后可以將余熱鍋爐對流區(qū)入口的煙氣溫度降低到750℃以下。

改造后余熱鍋爐對流區(qū)的長度與改造前相當(dāng)，也同樣布置了6組對流管束，管束的結(jié)構(gòu)是重新設(shè)計(jì)的，前2組的橫向節(jié)距較以前增大了，同時(shí)管束的高度由原來的4.8m增加到了6.5m，這樣做的目的不僅是為了增加受熱面積，更主要的是為了增加煙氣的流通面積，這對降低煙道堵塞的危險(xiǎn)是有好處的。原有余熱鍋爐對流區(qū)的煙氣流速達(dá)到6m/s以上，這樣的流速對于閃速爐余熱鍋爐而言顯得太高了。

由于閃速爐余熱鍋爐煙氣含塵量較高，可靠的清灰設(shè)施對于余熱鍋爐的正常運(yùn)行是非常重要的。實(shí)踐證明彈性振打清灰裝置具有非常好的的清灰效果，因此本次改造設(shè)置了134臺彈性振打清灰裝置。沖擊波清灰是源于前蘇聯(lián)的清灰技術(shù)，其工作原理是利用可燃?xì)怏w(如乙炔)快速爆燃產(chǎn)生一定強(qiáng)度的壓力脈沖波，脈沖波反復(fù)作用于積灰表面上，從而將積灰或灰垢剝落。沖擊波清灰對于清除粒度很小的揮發(fā)性煙塵具有很好的效果，近年來在有色冶金爐余熱鍋爐上獲得越來越多的應(yīng)用，因此本次改造除了彈性振打清灰裝置之外，還在6組對流管束上設(shè)置了12個(gè)點(diǎn)的沖擊波清灰裝置以確保能夠及時(shí)地清理受熱面的積灰。

改造后余熱鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 改造后余熱鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)

5 結(jié)語

金川集團(tuán)有限公司于2010年5月25日開始原有余熱鍋爐的拆除工作，6月5日新的鎳閃速爐余熱鍋爐開始安裝。鎳閃速爐于2010年8月25日點(diǎn)火，同時(shí)余熱鍋爐也開始升溫投入運(yùn)行，2010年9月22日鎳閃速爐開始投料試生產(chǎn)。在試生產(chǎn)期間鎳閃速爐進(jìn)行了投料量70 t/h、80 t/h、85 t/h、100 t/h、120 t/h的試運(yùn)行，在投料量120 t/h的工況下，余熱鍋爐蒸發(fā)量52 t/h，對流區(qū)入口煙溫為615℃左右。目前鎳閃速爐的投料量穩(wěn)定在100 t/h左右，余熱鍋爐蒸發(fā)量為44～46 t/h，對流區(qū)入口煙溫為530～550℃。

圖3 安裝中的閃速爐余熱鍋爐

在各種不同投料量下得到的余熱運(yùn)行參數(shù)表明余熱鍋爐輻射區(qū)換熱能力明顯增強(qiáng)，對流區(qū)入口煙氣溫度較改造前大幅度降低，相應(yīng)地對流區(qū)煙塵粘結(jié)明顯減少，而且積灰疏松易于清理。改造后的余熱鍋爐能夠很好地適應(yīng)鎳閃速爐在各種投料量下的生產(chǎn)工況，為鎳閃速爐的長周期穩(wěn)定生產(chǎn)提供良好保障。

［1］Rauno Peippo，Hannu Holopainen，Jari Nokelainen，Copper smelter waster heat boiler technology for the next millennium，Proceedings of Copper 99 International Conference(C)，Vol.V－Smelting Operation and Advances，Edited by D.B.George，W.J.(Pete) Chen，P.J.MackeyandA.J.Weddick，theMinerals，Metals＆Materials Society，1999:71－82.

［2］張更生.金川鎳閃速爐以煤代油技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用［J］.有色金屬(冶煉部分)，2005，(1):22－26.

［3］劉林華，楊有才.SO2氣體的輻射特性［J］.熱能動(dòng)力工程，1999，(4):293－295.

［4］王崗，勞學(xué)競，德強(qiáng).貴溪冶煉廠閃速爐余熱鍋爐改造［J］.有色金屬(冶煉部分)，2005，(1):11－14.

［5］R.Fuentes，P.Ruz，H.Jara，L.Salinas，M.Rosales，M.Cruz，A.Moyano，N.Perez，F(xiàn).rojas，F(xiàn)low pattern in the waste heat boiler of Chuquicamata＇s flash furnace，COPPER 2003(C)，Volume IVPyrometallurgy of Copper，The Hermann Schwarze Symposium on Copper Pyrometallurgy，Santiago，Chile，Edited by C.Diaz，C.Landoit，T.Utigard，227－240.

Upgrading and Reconstruction of the Nickel Flash Furnace WHB in JNMC

WANG Gang，LI Wei－wei，F(xiàn)ENG Ji－long

(1.China ENFI Engineering Crop.Beijing，China 100038; 2.Jinchuan Group LTD.Jinchang，Gansu，China 737100)

The waste heat boiler(WHB)of flash furnace in Jinchuan Nickel Material Company(JNMC)has been running nearly 18 years long，it is already not competent for the smelting production requirement.The reconstruction is demanded to be carried out imminently.ENFI takes the design task for the reconstruction of WHB.In this article，the problems which existed in the old WHB running process have been deeply analyzed，and technology characteristics after reconstructing are introduced in details.

flash furnace;Waste Heat Boiler;design

TF806

B

1009－3842(2011)01－0035－03

2010－12－21

王崗(1968－)，男，漢族，云南蒙自人，工學(xué)碩士，高級工程師，主要從事余熱鍋爐的設(shè)計(jì)和研究工作，E－mail:wangg@enfi.com.cn