徐 靜,于明飛,楊依茂

(山東恒邦冶煉股份有限公司,山東煙臺 264100)

余熱鍋爐不但可以回收高溫?zé)煔庵械亩文茉?降低煙氣溫度,而且可以捕集高溫?zé)煔庵械牟糠譄焿m,回收貴重金屬,降低煙氣的含塵量。但在運(yùn)行過程中,鍋爐的結(jié)焦和積灰不可避免,防止和處理鍋爐的結(jié)焦和積灰關(guān)系到鍋爐及生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

某冶煉公司側(cè)吹爐為雙側(cè)吹豎式熔池熔煉爐,主要處理復(fù)雜金精礦,其出煙口靠近下料口,因?yàn)閭?cè)吹爐負(fù)壓操作,部分輕質(zhì)原料會被負(fù)壓吸入上升煙道,進(jìn)而進(jìn)入余熱鍋爐中,與煙氣中的金屬氧化物、硫酸鹽等物質(zhì)附著在鍋爐管束上,形成結(jié)焦。針對鍋爐結(jié)焦問題,該公司原有的解決方案是在鍋爐水冷壁增加4 個10 cm ×3 cm 的操作孔,通過自制的工具以人工的形式對管束進(jìn)行搖動,使管束上的結(jié)焦掉落。側(cè)吹爐一個運(yùn)行周期30 d(2 次檢修之間時間),在運(yùn)行至10 d 左右時,便需要每天進(jìn)行結(jié)焦清理,每次需要2 h,工人勞動量大,且效果不是很明顯。

為此,該公司通過采取改造圓盤制粒機(jī)、改造鍋爐輻射區(qū)結(jié)構(gòu)、添加結(jié)焦抑制劑、優(yōu)化鍋爐振打運(yùn)行與吹灰、采用鍋爐噴涂技術(shù)、控制爐內(nèi)熔體噴濺高度、控制爐料水分、控制二次風(fēng)量等措施對鍋爐結(jié)焦進(jìn)行了有效控制,目前運(yùn)行周期得到延長,由30 d增加至40 d,提高了系統(tǒng)開車率。

1 結(jié)焦情況及結(jié)焦的危害

1.1 結(jié)焦情況及結(jié)焦成分

1.1.1 結(jié)焦情況

改造之前,在停車檢修時對鍋爐內(nèi)部結(jié)焦情況進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),鍋爐結(jié)焦主要集中在上升煙道、下降煙道及爐膛輻射區(qū),其中輻射區(qū)凝渣擋屏及第一、二組管束結(jié)焦尤為嚴(yán)重,對流區(qū)管束及爐墻水冷壁均有不同程度結(jié)焦,嚴(yán)重時凝渣擋屏、管束、水冷壁之間完全黏結(jié),沒有縫隙,水冷壁結(jié)焦厚度可達(dá)到200～300 mm。清理結(jié)焦前需要花費(fèi)大量時間強(qiáng)制通風(fēng)對鍋爐進(jìn)行降溫,因鍋爐內(nèi)部屬于受限空間且無法使用大型機(jī)械,降溫后需作業(yè)人員進(jìn)入鍋爐內(nèi)部使用風(fēng)鎬、大錘等手持工具進(jìn)行清理,清理時間長,難度大同時存在較大危險。

1.1.2 結(jié)焦成分分析及結(jié)焦原理

1.1.2.1 成分

對該冶煉廠生產(chǎn)系統(tǒng)配套鍋爐的各部分結(jié)焦取樣進(jìn)行分析,結(jié)果見表1。

表1 鍋爐各部位結(jié)焦化驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Coking test data of various parts of boiler %

1.1.2.2 結(jié)焦原理

結(jié)焦的根本原因是熔化狀態(tài)下的煙塵沉積在受熱面上遇冷凝結(jié)固化形成?？梢?煙塵的熔點(diǎn)是結(jié)焦的關(guān)鍵?？捎脽焿m熔點(diǎn)溫度及煙塵的主要成分判斷結(jié)焦指標(biāo),煙塵熔點(diǎn)越低,鍋爐受熱面越容易結(jié)焦。

通過對結(jié)焦的取樣化驗(yàn)結(jié)果來看,其中銅、鐵、硅、鉛、鋅等成分占比合計60%以上,不同區(qū)域的結(jié)焦成分含量各不相同,硬度也不同。鐵可以通過控制煙氣中還原性氣體加以控制,當(dāng)煙氣中有CO、H2等還原性氣體存在時,灰分熔點(diǎn)降低約200 ℃。這是因?yàn)檫€原性氣體能使灰分中高熔點(diǎn)的Fe2O3(1 565 ℃)還原成低熔點(diǎn)的FeO(1 360 ℃)的緣故,兩者熔點(diǎn)相差200 ℃。鉛、鋅等可以通過降低爐料含量進(jìn)行控制。銅、硅可以通過爐料細(xì)度及控制熔煉爐內(nèi)熔體噴濺高度進(jìn)行控制。通過對鍋爐熔融流體的化驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)鉛、鋅含量較高,這是由于鉛、鋅含量較高的原料粒度較細(xì),結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析,確定熔融流體為礦粉夾帶進(jìn)入鍋爐后熔化產(chǎn)生。

1.2 結(jié)焦危害

1.2.1 鍋爐熱效率下降

鍋爐受熱面結(jié)焦后,由于結(jié)焦的導(dǎo)熱性能差,會嚴(yán)重影響鍋爐傳熱,降低鍋爐效率,無法有效降低煙氣溫度,對后續(xù)電收塵及硫酸工段產(chǎn)生影響。通過鍋爐的降溫效果可以判斷鍋爐結(jié)焦的嚴(yán)重程度,生產(chǎn)實(shí)踐中,在鍋爐結(jié)焦清理干凈、正常開車后鍋爐出口溫度為360～370 ℃,連續(xù)開車運(yùn)行1 個月,結(jié)焦嚴(yán)重時,鍋爐出口溫度可升到420～430 ℃,鍋爐降溫效果明顯下降。

1.2.2 影響鍋爐蒸發(fā)量

水冷壁與管束結(jié)焦后會使鍋爐蒸發(fā)量下降,影響后續(xù)余熱利用率。通過蒸發(fā)量可以判斷鍋爐結(jié)焦的嚴(yán)重程度,生產(chǎn)實(shí)踐中,在鍋爐結(jié)焦清理干凈正常開車后蒸發(fā)量可保持33 t/h,連續(xù)開車一個月后,鍋爐結(jié)焦嚴(yán)重的情況下,蒸發(fā)量降低到29 t/h 以下,下降明顯。

1.2.3 系統(tǒng)負(fù)壓難以控制

鍋爐管束的結(jié)焦會造成鍋爐內(nèi)的氣流出現(xiàn)偏斜,使鍋爐的阻力增大,需要增大SO2風(fēng)機(jī)頻率,才能保證系統(tǒng)負(fù)壓,提高頻率會使風(fēng)機(jī)耗電量增加,結(jié)焦嚴(yán)重時可能造成通道堵塞,導(dǎo)致煙氣外溢無法進(jìn)入硫酸工段,只能停車清理結(jié)焦。

1.2.4 影響鍋爐運(yùn)行的安全性

結(jié)焦通常是不均勻的,會使水冷壁出現(xiàn)受熱不均勻的情況,熱偏差增大。爐膛上部結(jié)焦掉落時可能砸壞水冷壁或造成刮板機(jī)堵塞,嚴(yán)重時造成停車。

2 鍋爐結(jié)焦原因分析

2.1 鍋爐爐膛溫度的影響

冶煉溫度越高,爐內(nèi)反應(yīng)越強(qiáng)烈,入爐物料中的易揮發(fā)物質(zhì)氣化越強(qiáng)烈,煙氣溫度也就越高。一般情況下,煙塵顆粒隨著煙氣一起運(yùn)動,同煙氣一起被冷卻,如果液態(tài)的渣粒在接近水冷壁或爐墻前,已經(jīng)因?yàn)闇囟冉档投?當(dāng)附著在受熱面管壁上時,便會形成一層疏松的灰層,運(yùn)行中通過吹灰和振打就可以除掉。但當(dāng)爐膛內(nèi)溫度較高時,一部分灰塵顆粒已經(jīng)達(dá)到熔融狀態(tài)或半熔融狀態(tài),若這部分灰塵顆粒在達(dá)到受熱面前未得到足夠冷卻達(dá)到凝固狀態(tài),便具有較高的粘結(jié)能力,產(chǎn)生結(jié)焦的可能性就越大。側(cè)吹熔煉溫度可達(dá)1 250～1 300 ℃,煙塵率很高,煙氣溫度也高,鍋爐容易產(chǎn)生結(jié)焦。

2.2 爐料的影響

在影響結(jié)焦的因素中,爐料的特性起主要作用[1]。由于該冶煉企業(yè)主要處理復(fù)雜金精礦,爐料種類繁雜,入爐物料多時可達(dá)數(shù)十種原料,成分復(fù)雜,雜質(zhì)含量較高,其中高溫易揮發(fā)的鉛、鋅等含量較高；另外,入爐原料粒度分布不一,高細(xì)度原料在系統(tǒng)負(fù)壓及高溫?zé)煔鈳酉?入爐時非常容易直接進(jìn)入鍋爐及后續(xù)工段,大部分鉛和部分鋅等雜質(zhì)元素在高溫熔煉下進(jìn)入煙氣中,導(dǎo)致鍋爐結(jié)焦的產(chǎn)生。

2.3 煙氣中氧含量的高低

煙氣中單質(zhì)硫和煙塵中未完全燃燒的可燃物在氧氣充足的情況下,在鍋爐及后續(xù)工段易產(chǎn)生二次燃燒現(xiàn)象,使鍋爐溫度急劇上升,甚至出現(xiàn)火煙,造成負(fù)壓波動難以控制。

由風(fēng)機(jī)提供動力使側(cè)吹生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入硫酸工段制酸。負(fù)壓較大時煙氣流速增加,受熱面管束磨損速度增加,熱效率降低。同時,由于下料口與煙道位置的關(guān)系,爐料通過移動皮帶進(jìn)入爐內(nèi)時,高細(xì)度原料進(jìn)入熔池前易被負(fù)壓及高溫?zé)煔鈯A帶進(jìn)入鍋爐,出現(xiàn)二次燃燒,導(dǎo)致鍋爐溫度升高產(chǎn)生結(jié)焦。

2.4 鍋爐的高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行

該冶煉廠側(cè)吹爐設(shè)計投礦量為45 t/h,目前實(shí)際投礦量為95 t/h 左右。鍋爐額定蒸發(fā)量為33 t/h,目前該生產(chǎn)系統(tǒng)處于高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)鍋爐連續(xù)高負(fù)荷運(yùn)行,特別是超負(fù)荷運(yùn)行時,鍋爐爐膛熱負(fù)荷增加,溫度升高,煙塵中灰塵顆粒得不到充分冷卻,在吹灰器及振打器觸及不到的地方易形成積灰,如果不及時吹灰清理,當(dāng)熔融狀態(tài)軟化的煙塵粘結(jié)在上面后會形成大面積結(jié)焦[2]。鍋爐結(jié)焦和積灰量隨著鍋爐負(fù)荷及煙氣溫度的增加而增加。

2.5 吹灰振打設(shè)備的影響

如吹灰器布置不合理,沖擊波不能完全覆蓋管束全部受熱面,會導(dǎo)致未覆蓋區(qū)域受熱面上的積灰逐漸增多,進(jìn)而受高溫?zé)煔庥绊懛e灰軟化,接觸水冷壁部分便會硬化變成固態(tài),從而形成結(jié)焦。振打器未根據(jù)積灰及結(jié)焦程度合理布置,則會導(dǎo)致清灰效果差,能耗及水冷壁損傷增加。

2.6 直升煙道結(jié)焦與側(cè)吹爐內(nèi)熔體噴濺高度有關(guān)

爐內(nèi)熔體噴濺起來的細(xì)小熔體易被煙氣夾帶上升,遇水冷壁后粘結(jié)產(chǎn)生結(jié)焦[4],對煙道爐結(jié)焦進(jìn)行化驗(yàn)分析(表1),結(jié)果發(fā)現(xiàn),直升煙道區(qū)域結(jié)焦含銅、鐵普遍較高,而銅、鐵的化合物熔點(diǎn)高,不易揮發(fā),表明此處結(jié)焦是由精礦粉夾帶和熔體噴濺夾帶形成。

3 防止鍋爐結(jié)焦的對策措施

3.1 改造圓盤制粒機(jī)

有文獻(xiàn)研究表明,對入爐原料進(jìn)行制粒,將單位比重小、細(xì)度高、易被煙氣夾帶進(jìn)入后續(xù)工段的原料進(jìn)行制粒后投入,可有效控制精礦粉被負(fù)壓抽入后續(xù)工段,減少鍋爐結(jié)焦的產(chǎn)生[3-4]。為了提高制粒能力,對圓盤制粒機(jī)進(jìn)行改造,制粒能力由25 t/h 提升到50 t/h,改造后制粒成球率可達(dá)80%以上,球料水分10%～13%,球料粒度5～15 mm。該技術(shù)改造使上升煙道及輻射區(qū)結(jié)焦得到有效控制。

3.2 改造鍋爐輻射區(qū)結(jié)構(gòu)

熔煉煙氣由直升煙道進(jìn)入鍋爐后流速降低,煙氣夾帶的大顆粒煙塵隨氣流在下降煙道及輻射區(qū)部分開始降落,原輻射區(qū)前水冷墻為斜面,極易造成煙塵堆積進(jìn)而形成結(jié)焦,此處因煙氣仍處于高溫狀態(tài),長時間運(yùn)行后形成的結(jié)焦硬度大、面積大,極難清理,進(jìn)一步惡化后極易造成煙道堵塞。經(jīng)過改造將輻射區(qū)前墻水冷壁改成垂直壁[5],使上升煙道頂部因重力作用和煙氣流速降低影響而降落的大顆粒煙塵不在斜坡產(chǎn)生沉積,直接落入刮板機(jī)箱體由刮板機(jī)收集帶走。鍋爐輻射區(qū)結(jié)構(gòu)改造見圖1。

圖1 鍋爐輻射區(qū)結(jié)構(gòu)改造Fig.1 Structural transformation of boiler radiation area

3.3 添加結(jié)焦抑制劑

文獻(xiàn)[6]研究結(jié)果表明,結(jié)焦抑制劑的主要成分為促進(jìn)劑、硝酸鹽、緩蝕劑等多種化工原料,其抑制原理為硝酸鹽迅速和煙氣中的金屬發(fā)生置換反應(yīng),在煙氣進(jìn)入鍋爐前使之成鹽,形成松散易碎的結(jié)焦；另外,結(jié)焦抑制劑還能在管壁和管束上形成一層保護(hù)膜,間接性加入后能使水冷壁上的結(jié)焦產(chǎn)生分層現(xiàn)象,從而通過振打裝置自行脫落。

通過從下料口間接添加結(jié)焦抑制劑可以改善結(jié)焦的松散程度,有效控制結(jié)焦的產(chǎn)生,即使產(chǎn)生結(jié)焦,清理難度也大幅降低。

3.4 優(yōu)化鍋爐振打運(yùn)行與吹灰

3.4.1 優(yōu)化機(jī)械振打運(yùn)行

機(jī)械振打清灰是余熱鍋爐爐墻水冷壁清灰的主要手段,合理的振打器安裝位置與運(yùn)行方式可有效降低爐墻結(jié)焦的產(chǎn)生。按照鍋爐上升煙道、下降煙道、輻射區(qū)、對流區(qū)的結(jié)焦程度進(jìn)行分組,每組10 個左右,實(shí)施自動運(yùn)行與停止控制程序,每組可自主設(shè)定運(yùn)行時間。振打系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行有效改善了鍋爐清灰效果,抑制了爐墻積灰的發(fā)生。

3.4.2 采用脈沖吹灰

鍋爐管束在鍋爐內(nèi)部直接受煙氣沖擊,第一組管束結(jié)焦尤為嚴(yán)重,受熱面極易產(chǎn)生結(jié)焦,長時間運(yùn)行的管束會被結(jié)焦粘附成一體(圖2),阻擋煙氣通道,使鍋爐運(yùn)行惡化。根據(jù)劉建黨[7]的研究,在受熱面進(jìn)行定期吹掃,可以保持受熱面的清潔,防止灰渣大量積聚。

圖2 管束結(jié)焦情況Fig.2 Coking situation of tube bundle

目前脈沖吹灰是清除鍋爐管束積灰的有效手段,該技術(shù)采用乙炔與氧氣的反應(yīng)爆破產(chǎn)生的沖擊波達(dá)到吹灰的目的[8]。但是,該技術(shù)存在成本高、影響系統(tǒng)負(fù)壓的問題,公司根據(jù)鍋爐結(jié)焦情況,引進(jìn)了脈沖吹灰技術(shù),在余熱鍋爐水冷壁兩側(cè)(主要在水冷壁中上部)增加了24 組脈沖吹灰器,鍋爐頂部增加12 組脈沖吹灰器,36 個清灰點(diǎn)依次進(jìn)行清灰操作,每循環(huán)一次約0.5 h。

3.5 采用鍋爐噴涂技術(shù)

鍋爐噴涂高溫納米陶瓷涂層可有效抑制結(jié)焦的產(chǎn)生[9-10],但該噴涂技術(shù)成本高、耗時長,公司只對結(jié)焦嚴(yán)重的直升煙道及輻射區(qū)水冷壁區(qū)域進(jìn)行了噴涂。

通過目前運(yùn)行情況來看,噴涂區(qū)域結(jié)焦明顯減少,噴涂后的涂層比原金屬水冷壁表面的光滑程度增加,使得熔融狀態(tài)的結(jié)焦很難粘附在受熱面上,即使有少量結(jié)焦,也因水冷壁光滑程度增加,自行脫落,從而無法形成大塊結(jié)焦。

3.6 控制爐內(nèi)熔體噴濺高度

降低熔體噴濺高度對于直升煙道處結(jié)焦的控制有著重要意義。側(cè)吹熔煉時由爐體兩側(cè)將富氧空氣鼓入渣層使熔體產(chǎn)生激烈攪動,促進(jìn)熔池反應(yīng)的進(jìn)行,但同時也會產(chǎn)生熔體噴濺。

對于熔體噴濺高度的控制可以從渣性、渣溫、渣中磁性鐵含量、風(fēng)眼壓力及風(fēng)眼排布等幾方面進(jìn)行控制。

熔渣黏度高是導(dǎo)致熔體噴濺高的主要原因。降低熔渣黏度改善渣的流動性最有效且快速的方法是通過增加煤量和提高氧濃度、氧用量來提高渣溫,同時對爐料進(jìn)行調(diào)整,降低Zn、MgO 等雜質(zhì)含量。

過吹會導(dǎo)致熔體噴濺高度急劇上升,由于側(cè)吹爐是將富氧空氣直接鼓入渣層,過量的氧參與熔煉反應(yīng)會發(fā)生過吹現(xiàn)象,導(dǎo)致渣中磁性鐵含量增高,產(chǎn)生泡沫渣,嚴(yán)重時造成噴爐事故。泡沫渣產(chǎn)生后會使熔體噴濺高度急劇上升,控制渣中磁性鐵及泡沫渣的有效方法是增加煤的投入量,對磁性鐵進(jìn)行還原。生產(chǎn)過程中可以通過經(jīng)驗(yàn)積累探索較優(yōu)的煤投入量,表2 為該公司煤投入量與渣中磁性鐵含量關(guān)系表,此表中煤投入量不是最優(yōu)數(shù)據(jù),還有降低空間。

表2 煤投入量與渣中磁性鐵含量關(guān)系Table 2 Relationship between coal input and magnetic iron content in slag

另外,在保證正常生產(chǎn)的情況下,盡量避免風(fēng)眼的對吹。采用合適的風(fēng)眼壓力也是有效控制熔體噴濺高度的措施之一。

3.7 控制爐料水分

雖然側(cè)吹爐對原料的適應(yīng)性強(qiáng),對原料的水分、粒度要求不嚴(yán)格,但原料水分的含量對生產(chǎn)有重要影響。過高的爐料水分含量會造成原料黏結(jié),嚴(yán)重時堵塞下料口；爐料水分高在熔煉過程中會帶走大量熱能,增加煙氣量,額外增加燃料消耗；另外,煙氣中水分過高還會加快設(shè)備腐蝕。但是,原料過于干燥則會增加礦粉被夾帶進(jìn)入鍋爐的情況,加重結(jié)焦。控制合理水分含量,既有利于延長設(shè)備使用壽命,降低燃料成本,同時又能有效控制鍋爐結(jié)焦。

3.8 控制二次風(fēng)量

側(cè)吹爐生產(chǎn)中通過控制電收塵出口殘氧2.5%左右調(diào)整二次風(fēng)量,通過二次風(fēng)以消除和控制煙氣中的單質(zhì)硫和可燃物。在二次燃燒不可避免的情況下,通過提高風(fēng)量將二次燃燒位置前移,可以保證后續(xù)工段的溫度控制在合理范圍內(nèi)。另外,二次風(fēng)在消除單質(zhì)硫和可燃物的同時,還可以形成風(fēng)幕阻擋煙塵進(jìn)入鍋爐后續(xù)工段,減少結(jié)焦。

4 實(shí)踐效果

通過實(shí)施了以上抑制鍋爐結(jié)焦的措施后,側(cè)吹余熱鍋爐結(jié)焦情況明顯改善。改造之前,每次清理鍋爐結(jié)焦量為20～25 t,改造后每次停車檢修清理的結(jié)焦在10 t 左右；原來每月2 次清理結(jié)焦,時間合計48 h 左右,現(xiàn)在每月清理結(jié)焦僅需6～7 h；原來結(jié)焦發(fā)黏不易清理,現(xiàn)在結(jié)焦酥松易清理。

5 結(jié)語

火法冶煉鍋爐結(jié)焦不可避免,結(jié)焦程度不僅與鍋爐結(jié)構(gòu)和除焦技術(shù)(添加抑制劑、振打與吹灰、鍋爐噴涂等)有關(guān),也與入爐物料和冶煉操作有關(guān),例如入爐物料形態(tài)及水分含量、熔體噴濺和二次風(fēng)量等,均對鍋爐的結(jié)焦程度有不同程度的影響,需要在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷摸索,再進(jìn)行綜合考量,最終得出最優(yōu)操作參數(shù)。