鐘祥宇

（中銅東南銅業(yè)有限公司，福建寧德 352100）

某銅冶煉企業(yè)煙氣制酸系統(tǒng)采用1套凈化、2套干吸、2套轉(zhuǎn)化的二轉(zhuǎn)二吸制酸工藝流程，其中轉(zhuǎn)化工序采用高濃度SO2煙氣轉(zhuǎn)化技術(shù)。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(chǎn)生低壓蒸汽外送。該企業(yè)的熱管余熱鍋爐為4臺自然循環(huán)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(zhuǎn)化工序工藝流程及鍋爐參數(shù)

轉(zhuǎn)化工序有5段床層轉(zhuǎn)化器，并配套5個換熱器。SO2主風(fēng)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(zhuǎn)化器一段進行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，反應(yīng)后的轉(zhuǎn)化器一段煙氣經(jīng)Ⅰ換熱器、1.6 MPa中溫鍋爐回收熱量后依次進入轉(zhuǎn)化器二段、Ⅱ換熱器、轉(zhuǎn)化器三段、Ⅲ換熱器、轉(zhuǎn)化器四段和Ⅳ換熱器進行轉(zhuǎn)化反應(yīng)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(jīng)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(zhuǎn)化器五段進行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，反應(yīng)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(zhuǎn)化工序工藝流程見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)化工序工藝流程

2 存在的問題

余熱鍋爐主要由蒸發(fā)器、汽包及熱管、上升管、下降管、本體膨脹節(jié)、進出口煙道與連接煙道組成。4臺余熱鍋爐設(shè)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(shè)計值，1.6 MPa中溫余熱鍋爐產(chǎn)汽量8.5 t/h，低于11 t/h的設(shè)計值；0.8 MPa低溫余熱鍋爐產(chǎn)汽量5.9 t/h，低于10.5 t/h的設(shè)計值。

表1 4臺余熱鍋爐設(shè)計參數(shù)及改造前實際值

1.6 MPa中溫鍋爐位于Ⅰ換熱器出口至轉(zhuǎn)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(fā)器，鍋爐上蒸發(fā)器出現(xiàn)整體膨脹“拉升抬高”現(xiàn)象，導(dǎo)致上、下蒸發(fā)器方形膨脹節(jié)嚴(yán)重變形，補償能力失效，上、下蒸發(fā)器與方形膨脹節(jié)的焊縫經(jīng)常開裂漏煙，上蒸發(fā)器與入口煙道焊縫經(jīng)常開裂漏煙，上蒸發(fā)器連接的水汽系統(tǒng)所有管束均出現(xiàn)不同程度的受力變形。一系列鍋爐上蒸發(fā)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(fā)器低、中、高3個支撐點抬高約為80，40，10 mm。

2020年5月鍋爐內(nèi)檢時發(fā)現(xiàn)一、二系列1.6 MPa中溫余熱鍋爐上蒸發(fā)器內(nèi)部熱管發(fā)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(yán)重，煙灰顏色呈白色，并已硬化，翅片之間形成“搭橋”，導(dǎo)致傳熱系數(shù)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(chǎn)汽能力不足

經(jīng)分析，1.6 MPa中溫余熱鍋爐產(chǎn)汽能力不足有以下原因：

1）轉(zhuǎn)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(fā)生在靠近氣體出口側(cè)（溫度約500 ℃）與氣體出口相對的另一側(cè)（溫度超過600 ℃）。對轉(zhuǎn)化器一段內(nèi)部氣體運動進行流體仿真計算，發(fā)現(xiàn)是因為轉(zhuǎn)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(qū)域阻力低、氣速高、反應(yīng)時間不足造成溫度偏低；距離出口較遠(yuǎn)的區(qū)域阻力較高、氣速較低、反應(yīng)時間充分使溫度較高。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化率，因此高、低溫?zé)煔庠谵D(zhuǎn)化器出口混合后，轉(zhuǎn)化器一段出口煙氣溫度只能在550~570 ℃，并且再經(jīng)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(fā)器的熱管爆管，爆管數(shù)量約占總熱管數(shù)量的4.2%，因鍋爐設(shè)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(shè)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(fā)器“拉升抬高”

1.6 MPa中溫余熱鍋爐上蒸發(fā)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(chǎn)生緣于正常生產(chǎn)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(fā)器向上抬高；盲板力的產(chǎn)生緣于煙氣流體進入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器內(nèi)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(jīng)熱管反向折射至蒸發(fā)器箱體上，引起內(nèi)壓推力，一部分內(nèi)壓推力被四面的箱體吸收，另一部分作用在上蒸發(fā)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(fā)器向上“拉升抬高”，從而造成上蒸發(fā)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(shè)計值偏大，使盲板力更加明顯。

上蒸發(fā)器 “拉升抬高”導(dǎo)致的后續(xù)衍生問題：上蒸發(fā)器連接的水汽系統(tǒng)管束均有不同程度的受力變形，最嚴(yán)重的是彎頭彎曲開裂。上、下蒸發(fā)器的方形膨脹節(jié)原設(shè)計目的是抵消下蒸發(fā)器箱體向上拉升的熱膨脹力，起壓縮作用，但因上蒸發(fā)器上抬膨脹節(jié)變成受拉變形，焊縫處經(jīng)常開裂漏煙。方形膨脹節(jié)因變形扭曲形成具有一定強度的結(jié)構(gòu)，下蒸發(fā)器箱體向上拉升的熱膨脹力無法在膨脹節(jié)處消除，從而經(jīng)膨脹節(jié)傳遞至上蒸發(fā)器，使上蒸發(fā)器增加了一個向上推力，更加劇了上蒸發(fā)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(chǎn)時，上蒸發(fā)器上抬，蒸發(fā)器外側(cè)向上抬高100 mm，因有數(shù)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(fā)器外側(cè)抬高無法回位，導(dǎo)致熱管受孔板擠壓受力，發(fā)生爆管。同時鍋爐蒸發(fā)器箱體與熱管因材質(zhì)及結(jié)構(gòu)不同，二者線性熱膨脹系數(shù)與體積熱膨脹系數(shù)不同，有孔板向外側(cè)的膨脹量大于熱管因熱膨脹導(dǎo)致的軸向伸縮量，也是導(dǎo)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(jié)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(jù)表2的數(shù)據(jù)進行初步分析，低溫鍋爐蒸發(fā)器、熱管和煙道內(nèi)白煙塵沉積的主要原因是轉(zhuǎn)化系統(tǒng)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(shè)備,生成的硫酸鐵在低溫鍋爐中富集。

4 改進措施

4.1 優(yōu)化轉(zhuǎn)化器一段煙氣出口管結(jié)構(gòu)

為平衡各區(qū)域氣流阻力，將出口管往轉(zhuǎn)化器內(nèi)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(shù)量多，靠近出口管孔徑大、間隔大、數(shù)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(yīng)時間延長，從而實現(xiàn)各區(qū)域轉(zhuǎn)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(fù)線管

考慮到4臺余熱鍋爐煙氣從轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化器一段出口至1.6 MPa中溫余熱鍋爐入口、轉(zhuǎn)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(jīng)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(jié)及蒸發(fā)器限位

為消除Ⅰ換熱器的熱膨脹力和鍋爐自身產(chǎn)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(jié)，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(fā)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(jié)構(gòu)支撐梁上，解決上蒸發(fā)器“拉升抬高”的問題。

因上、下蒸發(fā)器原膨脹節(jié)嚴(yán)重變形補償能力失效，該位置經(jīng)常漏煙，因而在不改變原膨脹節(jié)的基礎(chǔ)上，在外側(cè)包裹一層方形膨脹節(jié)，補償下蒸發(fā)器設(shè)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(nèi)，煙氣橫掠熱管受熱段，熱管元件的放熱段插在水-汽系統(tǒng)內(nèi)，水-汽系統(tǒng)的受熱及循環(huán)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(cè)插入套管中，而熱管和套管之間走飽和水并產(chǎn)生蒸汽，下部的爆管只影響其熱側(cè)的吸熱，爆管后工質(zhì)泄漏，熱管失去換熱功能，但夾套管內(nèi)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(yōu)化生產(chǎn)操作

減少系統(tǒng)開停車次數(shù)，提高系統(tǒng)作業(yè)率，避免低溫露點冷凝酸腐蝕，造成低溫鍋爐蒸發(fā)器內(nèi)部、煙道積白煙塵，提高低溫余熱鍋爐入口煙氣溫度，優(yōu)化煙氣換熱流程，確保余熱鍋爐換熱效率，穩(wěn)步提升蒸汽產(chǎn)量。

5 結(jié)語

由于前端轉(zhuǎn)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(chǎn)量從8.5 t/h增加到11.9 t/h，提高了40%。上蒸發(fā)器均未出現(xiàn)“拉升抬高”現(xiàn)象，改進前經(jīng)常出現(xiàn)焊縫開裂的位置均得到控制，鍋爐安全穩(wěn)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(chǎn)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(shè)計值30 ℃，后續(xù)將繼續(xù)改進。