陸樹友，王 翔（銅陵有色金屬集團股份有限公司 金冠銅業(yè)分公司，安徽 銅陵 244100）

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銅冶煉制酸中高溫?zé)峁苠仩t可靠性探討和實踐

陸樹友，王 翔
（銅陵有色金屬集團股份有限公司 金冠銅業(yè)分公司，安徽 銅陵 244100）

摘要：文中對銅冶煉制酸工藝系統(tǒng)中高溫?zé)峁苠仩t工質(zhì)和主要設(shè)計參數(shù)的選取進行了探討，綜合分析了目前中高溫?zé)峁苠仩t運行中存在的主要問題，并結(jié)合運行實踐對鍋爐漏煙、漏水和內(nèi)外同時爆管等難題提出了防范措施和解決方案，為工程實際提供參考。

關(guān)鍵詞：熱管鍋爐； 鍋爐型式； 設(shè)計參數(shù)； 可靠性； 鍋爐故障； 防范措施

1　引言

銅陵有色金冠銅業(yè)分公司（以下簡稱金冠銅業(yè)）是國內(nèi)目前單套系統(tǒng)產(chǎn)能最大的“雙閃”冶煉技術(shù)工藝銅冶煉企業(yè)，配套年產(chǎn)1450kt/a非衡態(tài)高濃度轉(zhuǎn)化制酸工藝，如圖1所示，采用“4/2/5/3/1”煙氣換熱流程，分別在Ⅰ熱交和轉(zhuǎn)化器Ⅱ?qū)又g設(shè)置1#中高溫?zé)峁苠仩t產(chǎn)2.1MPa中壓蒸汽，在Ⅳ熱交和一吸塔之間設(shè)置2#低溫?zé)峁苠仩t產(chǎn)0.6MPa低壓蒸汽。近年來，熱管余熱回收技術(shù)得以深入發(fā)展，并日趨成熟［1-2］，在轉(zhuǎn)化工序設(shè)置熱管鍋爐回收余熱的技術(shù)得到廣泛應(yīng)用［3-4］，根據(jù)國內(nèi)貴溪冶煉廠、祥光銅業(yè)、金隆銅業(yè)、富春江和鼎冶煉廠和金冠銅業(yè)熱管鍋爐的實際運行情況來看，冶煉制酸系統(tǒng)熱管鍋爐入口煙氣溫度低于450℃時，熱管鍋爐運行平穩(wěn)，當(dāng)溫度高于450℃，且采用熱管鍋爐時，經(jīng)常發(fā)生箱體開裂、漏煙、冷端集箱漏水現(xiàn)象，嚴(yán)重時發(fā)生熱管元件爆管，冷端爐水進入煙氣側(cè)，造成長時間停產(chǎn)的重大事故，因此中高溫?zé)峁苠仩t的優(yōu)化設(shè)計選型對銅冶煉制酸工藝系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行意義重大。

2　制酸余熱鍋爐型式的選擇

制酸工藝系統(tǒng)中的鍋爐可選擇類型主要包括水管鍋爐、火管鍋爐、熱管鍋爐和熱風(fēng)循環(huán)式熱管鍋爐。水管鍋爐和火管鍋爐采用直接換熱形式，鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊、膨脹量小，造價低，但安全程度相對較差；熱風(fēng)循環(huán)式熱管鍋爐利用熱風(fēng)在高煙煙氣側(cè)吸收熱量，在熱管鍋爐側(cè)釋放熱量，安全程度相對較高，但由于熱風(fēng)循環(huán)需風(fēng)機驅(qū)動，不僅增加了初期投資，而且運行成本提高；熱管鍋爐利用熱管元件內(nèi)部真空密閉的工作介質(zhì)相變潛熱來傳遞熱量，傳熱效率相對較高，且煙氣與爐水有二道阻隔，安全程度也較好。因此，在冶煉制酸工藝系統(tǒng)中，在煙溫未超出熱管元件的耐溫范圍時，熱管鍋爐是較為經(jīng)濟可靠的選擇。

圖2　熱管蒸汽發(fā)生器工作原理圖

3　熱管鍋爐工質(zhì)的選擇

熱管元件工質(zhì)有鈉加鉀、萘、聯(lián)苯、汞和純凈水等，作為有機物的萘、聯(lián)苯等工質(zhì)因易結(jié)碳，使用壽命低；金屬汞耐高溫且換熱效果好，但因易揮發(fā)，制作熱管元件時易中毒［5］；鈉加鉀作為工質(zhì)時，因元素特別活潑，極易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不凝性氣體和腐蝕性產(chǎn)物；純凈水加緩蝕劑作為工質(zhì)，需要對熱管表面進行化學(xué)液鈍化處理，熱管元件中的水汽混合物隨溫度升高，內(nèi)壓較大，性能受熱管元件的冷熱端比例、熱端翅片螺距等因素的影響較大。

在冶煉制酸工藝系統(tǒng)中，因煙氣溫度不高于600℃，含塵量低，且5～8年冷修一次，只要控制好熱管元件的設(shè)計參數(shù)，采用加緩蝕劑的純凈水作為工質(zhì)是較經(jīng)濟適用的。

4　中高溫?zé)峁苠仩t主設(shè)計參數(shù)的選擇原則

在冶煉制酸工藝中，合理選擇熱管鍋爐的運行參數(shù)對于轉(zhuǎn)化和干吸的工藝參數(shù)控制和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行極其重要；熱管鍋爐產(chǎn)生的蒸汽能更好的平衡整個廠區(qū)的蒸汽供給，經(jīng)濟效益顯著。

4.1熱管鍋爐運行壓力

熱管鍋爐運行壓力取決于煙氣露點溫度和熱管冷端爐水與熱管元件工質(zhì)的溫差。煙氣露點溫度決定了鍋爐運行壓力的低限值，原則上熱管熱端管壁溫度應(yīng)大于煙氣露點值20℃以上［6］；熱管冷端爐水與熱管元件工質(zhì)的溫差決定了鍋爐運行壓力的高限值，原則上爐水溫度與熱管元件工質(zhì)溫差控制在20～30℃之間，而熱管元件工質(zhì)溫度受熱量攜帶極限的影響，工質(zhì)溫度不宜超過250℃［7］，爐水工作溫度控制范圍為220～230℃，對應(yīng)鍋爐運行壓力高限值為2.78MPa。實際工程應(yīng)用中，考慮整體經(jīng)濟性和安全度，熱管鍋爐運行設(shè)計壓力不宜超過2.3MPa。

4.2熱管鍋爐入口煙氣溫度

熱管鍋爐入口煙氣溫度取決于箱體材質(zhì)的耐溫性能、熱管工質(zhì)熱量攜帶極限值的控制和管系、箱體的膨脹自由度設(shè)計等。綜合以上要素和目前國內(nèi)成熟的應(yīng)用實例，在工藝不允許鍋爐內(nèi)漏的情況下，熱管鍋爐入口煙氣溫度不宜超過450℃。

4.3熱管鍋爐煙氣壓力

煙氣側(cè)壓力取決于系統(tǒng)的阻力、箱體膨脹節(jié)的耐壓能力、箱體與煙管截面差值帶來的內(nèi)壓升力對喇叭口連接焊縫強度的影響，只要能滿足系統(tǒng)工藝的需求，煙氣壓力不宜有過多富裕量，正常控制在35kPa以內(nèi)。

5　中高溫?zé)峁苠仩t常見故障與防范措施

中高溫?zé)峁苠仩t常見故障是箱體漏煙、承壓件漏水和換熱熱管元件爆管［8-9］。以銅陵有色銅冶煉技術(shù)升級改造項目為例，兩套制酸系統(tǒng)各配置一臺中高溫?zé)峁苠仩t，鍋爐設(shè)計參數(shù)如表1所示。2014 年5月大修至2015年10月大修，共漏水10次，Ⅰ系統(tǒng)6次，Ⅱ系統(tǒng)4次。

2015年10月大修至今共漏水3次，Ⅰ系統(tǒng)1次，Ⅱ系統(tǒng)2次。故障集中發(fā)生在低溫?fù)Q熱管束的北側(cè)10次，Ⅰ系統(tǒng)高溫段A管束發(fā)生1次，Ⅱ系統(tǒng)高溫段B管束發(fā)生2次；所有焊縫泄漏處為換熱管元件穿水夾套第一道和第二道焊縫。

表1　2.5MPa高溫?zé)峁苠仩t設(shè)計參數(shù)

5.1箱體和喇叭口焊縫開裂漏煙現(xiàn)象、原因簡析和防范措施

5.1.1漏煙現(xiàn)象

焊縫開裂漏煙位置集中在高溫?zé)煔馊肟诶瓤谂c上箱體連接的角焊縫，上下箱體連接處的東南角與西南角焊縫。

5.1.2原因簡析

入口喇叭口為304不銹鋼材質(zhì)制作的圓變方管，上箱體為碳鋼加內(nèi)側(cè)搗打料的矩形結(jié)構(gòu)，兩者表面工況溫度和材質(zhì)不同，膨脹量有明顯差別，且入口煙氣內(nèi)壓達到30kPa，圓變方式喇叭口受到近31t的內(nèi)力，導(dǎo)致角焊縫易開裂。

上下箱體連接處東南角與西南角焊縫開裂的原因是設(shè)計時箱體內(nèi)換熱管束安裝空間考慮不足，加上制作和安裝誤差累積，導(dǎo)致角焊縫出現(xiàn)錯邊后焊縫強度降低所致。

5.1.3防范措施

入口喇叭口和上下箱體全部采用304不銹鋼材質(zhì)，并在上下箱體之間增設(shè)中間膨脹節(jié)，上下箱體單獨支撐；圓變方入口喇叭口改為異徑管，內(nèi)置氣流分布板，上箱體向內(nèi)翻邊與異徑管大頭對接。這樣不僅可以減少上箱體的膨脹移動量，保障線性膨脹系數(shù)的一致性，還可減小圓變方入口喇叭口制作難度，提高安裝精度，保障焊接質(zhì)量。

設(shè)計時應(yīng)統(tǒng)籌考慮鍋爐部件安裝的先后順序和空間，同時將箱體之間的角焊縫對接改為對接焊縫，只需將管板折邊處理。因管束與換熱元件垂直的水平方向箱體承載力最小，最后的對接放在箱體承載力最小的面上進行，即使仍有一定的制作和安裝誤差，鍋爐箱體整體性能不會受大的影響。

5.2爆管內(nèi)漏

5.2.1爆管現(xiàn)象

金冠銅業(yè)分公司盡管未發(fā)生過熱管元件爆管內(nèi)漏現(xiàn)象，但其他使用單位確實發(fā)生了換熱元件的爆管事故，爐水進入煙氣側(cè)，造成巨大的直接和間接經(jīng)濟損失。

5.2.2原因簡析

熱管元件爆管主要有三大原因，一是熱管元件的無縫鋼管質(zhì)量和壁厚；二是熱管元件內(nèi)置工質(zhì)數(shù)量與特性、管封口的質(zhì)量［5］；三是熱管元件實際運行工況冷熱端比例失衡。

5.2.3防范措施

嚴(yán)格控制熱管元件采購、理化分析、庫存管理和制作質(zhì)量，適當(dāng)提高熱管元件的壁厚；防范熱管鍋爐內(nèi)部煙氣的短路和偏流，確保每根熱管元件冷熱端比例，控制單管功率低于熱量攜帶極限功率的55％。

5.3外部集箱焊縫泄漏

5.3.1漏水現(xiàn)象

外部集箱焊縫開裂主要集中在換熱管穿管板后與水套管之間的第一道和第二道角焊縫上，從俯視角度看，焊縫開裂位置集中在水平夾角零度。

5.3.2原因簡析

鍋爐冷側(cè)管束整體懸空、未固定；汽包對側(cè)的上升和下降管管路長，固定和導(dǎo)向支撐點設(shè)計不合理；熱管在水夾套末端沒有固定，相變換熱時，產(chǎn)生高頻微振，熱管換熱元件受內(nèi)外震動的影響，長期運行時就會出現(xiàn)外部漏水現(xiàn)象。

下煙箱體底端固定，膨脹向上，而低溫?fù)Q熱管束冷側(cè)集箱受熱膨脹向下，導(dǎo)致?lián)Q熱管束冷側(cè)受雙向疊加的剪切力，在熱負(fù)荷波動和開停車時，產(chǎn)生振動性疲勞應(yīng)力，在受剪切力最大和焊縫最薄弱處出現(xiàn)開裂漏水。

硫酸系統(tǒng)開停車時溫變速率過快，箱體為不銹鋼材質(zhì)，膨脹系數(shù)大、傳熱快，且內(nèi)部無任何保溫措施，冷熱之間易產(chǎn)生熱交變應(yīng)力。

換熱管束冷側(cè)集箱穿水套管為角焊縫，制作時若不嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，可能產(chǎn)生焊接缺陷，在外力的長期作用下，焊縫薄弱處就會出現(xiàn)開裂漏水現(xiàn)象。

6　防范措施

在保證煙氣溫度處于露點以上的情況下，注意風(fēng)機入口導(dǎo)葉的調(diào)整，同時對鍋爐箱體內(nèi)外都進行保溫，減緩煙溫變化速率［10］。

對熱管鍋爐管系、箱體和換熱管束的支撐、膨脹、受力狀況、柔性和水動力進行全面校核計算，改進箱體冷側(cè)的支撐方式，做到支撐與被支撐物膨脹一致，且采用內(nèi)置定位環(huán)，保障單根熱管元件不產(chǎn)生內(nèi)部頻繁的相變振動。同時改進上升管和下降管的固定點和柔性設(shè)計，尤其是要考慮鍋爐部件相對膨脹應(yīng)力的校核和應(yīng)對措施?？煽紤]將現(xiàn)有管束的對稱布置改為靠汽包側(cè)單側(cè)布置，并采用徑向熱管［11］。金冠銅業(yè)分公司銅冶煉技術(shù)升級改造項目中在高溫?zé)峁苠仩t低溫區(qū)試用了一組徑向熱管，目前效果很好。

7　總結(jié)

中高溫?zé)峁苠仩t現(xiàn)處于逐步成熟完善階段，除以上設(shè)計和制作中應(yīng)重點關(guān)注外，對熱管鍋爐型式、煙氣流動方向、高溫段光管和帶翅片熱管的科學(xué)分配、集箱外漏的檢修空間、硫酸工藝優(yōu)化鍋爐進出口煙氣條件、徑向熱管和軸向熱管各自適合的煙氣溫度范圍等還需進一步探討和實踐論證。

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Discussion and Practice on Reliability of High Temperature Heat Pipe Boiler in Copper Smelting Acid Production Plant

LU Shu-you，WANG Xiang
（Jinguan Copper Corporation of Tongling Nonferrous Metals Group Co.Ltd，Tongling，244100，Anhui，China）

Abstract:The selection of the boiler type and the operation parameters of the middle and high temperature heat pipe boiler are discussed in this paper.Some operation problems of the heat pipe boiler，such as the smoke leakage，water leakage，pipe explosion and so on，are carefully analyzed，also effective precautions and solutions are put forward to solve those problems.It is significant for safety design and operation of the heat pipe boiler in the copper smelting acid production plant.

Keywords：heat pipe boiler；boiler type；operation parameters；reliability；failure of boiler；precaution

中圖分類號：TQ111.16

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1009-3842（2016）02-0074-04

收稿日期：2016-03-08

作者簡介：陸樹友（1972-），男，安徽樅陽縣人，工程師，主要從事銅冶煉企業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)管理工作。E-mail:lusy@jgty.net