閆華龍,代紅坤,鄧 蕊
(1.中銅東南銅業(yè)有限公司,福建 寧德 352000;2.中國銅業(yè)有限公司,云南 昆明 650000)
閃速爐熔煉爐出口煙氣溫度均較高,煙氣需經(jīng)余熱鍋爐降溫除塵后方可進入硫酸系統(tǒng),余熱鍋爐是利用水與高溫煙氣換熱產(chǎn)生蒸汽的一種設(shè)備,是生產(chǎn)安全性和連續(xù)性的重要保障。本文針對銅閃速熔煉綜述了余熱鍋爐常見的一些問題和改進措施,為余熱鍋爐的設(shè)計和管理提供一些思路和想法。
余熱鍋爐由鍋爐本體、汽包和管道構(gòu)成,鍋爐本體分為輻射部和對流部。銅冶煉廠常用余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)基本為兩種形式,一種是多通道式,另一種是直通[1]。這兩種余熱鍋爐在結(jié)構(gòu)布置上特點各異,根據(jù)銅閃速熔煉生產(chǎn)過程的特點,閃速爐煙氣中SO2和煙塵含量高,煙氣溫度高,且煙塵中含有粘接性很強的金屬,為防止積灰,常采用直通式余熱鍋爐,國內(nèi)某廠閃速熔煉余熱鍋爐示意圖如圖1所示。
圖1 國內(nèi)某廠閃速熔煉爐余熱鍋爐示意圖
煙氣進入余熱鍋爐后,首先進入輻射部,通過輻射散熱的方式,使煙氣中部分煙塵冷凝并沉降下來,為了改善煙氣流場,在輻射室前部增加煙氣擋板,為了增強冷卻效果,經(jīng)常在輻射部架設(shè)數(shù)組管屏,之后進入對流部,對流部入口較輻射部出口小,使得煙氣流速增加,形成對流,于對流部的管束換熱,從而實現(xiàn)進一步降溫除塵。
國內(nèi)某廠閃速爐煙氣情況見表1和表2。
表1 閃速爐煙氣參數(shù)
表2 閃速熔煉爐煙氣和煙塵成分
由表1可知,閃速爐出口煙氣具有溫度較高和含塵量較大的特點,鍋爐本體還具有一定的漏風量。由表2煙氣成分可知,閃速爐煙氣以SO2和N2為主,并含有少量水分,為了保持一定的氧勢煙氣中還含有少量的O2。SO2來自精礦的反應(yīng),CO2來自于精礦中碳酸鹽的分解和燃料的燃燒,水分主要來自燃料的燃燒和精礦本身所帶水分,O2的含量主要由閃速爐出口煙氣的氧勢所決定。
由閃速爐出口煙氣條件分析可知,煙氣中SO2濃度較高,酸露點溫度及鍋爐內(nèi)循環(huán)水溫度也相應(yīng)較高,鍋爐在升溫過程及正常生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的膨脹不能忽略;含塵量大,會導(dǎo)致積灰,從而引起傳熱效率低以及堵塞等問題,且煙塵成分以金屬硫化物和氧化物為主,可能會導(dǎo)致鍋爐內(nèi)發(fā)生二次反應(yīng);煙氣中所攜帶煙塵對管束和管屏的磨損較嚴重;SO2濃度高且含有一定的水蒸氣,會產(chǎn)生一定的低溫腐蝕;由于SO2具有一定的腐蝕性和毒性,因而對鍋爐密封性要求較高。
由煙塵成分可知,煙塵中硫含量較低,且由閃速熔煉爐內(nèi)反應(yīng)可知,硫應(yīng)以硫化亞銅形式存在,鐵以氧化物為主,且銅精礦中一般伴生有一定量的鉛鋅等金屬,隨著煙氣溫度的降低,煙氣中的鉛鋅等金屬或金屬化合物會由氣態(tài)或液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài),會導(dǎo)致煙道黏結(jié),且不易消除。
通過以上對閃速爐出口煙氣及煙塵的分析,并結(jié)合冶煉廠生產(chǎn)實踐,余熱鍋爐常出現(xiàn)低溫腐蝕、積灰、機械故障、煙道漏風、膨脹和磨損等問題,現(xiàn)針對這些問題的成因和現(xiàn)行解決方法進行闡述。
余熱鍋爐的腐蝕一般分為高溫腐蝕和低溫腐蝕[2],高溫腐蝕是因為溫度過高,使得受熱面的主要材質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生的腐蝕,這類腐蝕在銅冶煉余熱鍋爐中很少發(fā)生。
進入余熱鍋爐的煙氣中含有較高濃度的SO2和少量的SO3,SO3與煙氣中的水蒸氣接觸就會形成硫酸蒸汽,當與煙氣接觸面的溫度低于硫酸蒸汽的酸露點時,就會在接觸面形成液態(tài)硫酸從而造成低溫腐蝕[3]。
根據(jù)實踐,對鍋爐造成腐蝕最常見于鍋爐停運期間,受熱面溫度降低至環(huán)境溫度,空氣進入鍋爐內(nèi)部,所攜帶的水蒸氣與受熱面上的積灰接觸產(chǎn)生硫酸腐蝕受熱面。
從造成低溫腐蝕的原因上可知,生產(chǎn)過程中要保持循環(huán)水溫度高于煙氣的酸露點;合理優(yōu)化爐內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計和爐管形式,保證爐墻的密封性良好,鍋爐四周采用膜式水冷壁全部密封焊接,人孔門密封嚴實,并在人孔門中設(shè)置擋板與鍋爐面其平,控制好出口煙氣的煙溫在合理的范圍內(nèi),對新?lián)Q的冷卻水管進行耐磨耐腐蝕的熱噴涂試驗,在鍋爐停運期間做好鍋爐的保溫保壓工作等。
閃速熔煉爐煙氣中含塵量較高[4],煙塵中含有大量的金屬氧化物,降溫易黏結(jié),熔融態(tài)顆粒易停滯黏結(jié),形成大塊,堆積堵塞系統(tǒng),且因積灰傳熱效果不佳會導(dǎo)致輻射部出口煙氣溫度高等。余熱鍋爐煙塵分為粘接型、粘附型和松散型,粘接型煙塵主要在余熱鍋爐喉口部,主要原因是未反應(yīng)完全的熔融物料,在進入鍋爐區(qū)域時溫度降低,形成粘接,物理性質(zhì)較硬,難易清除;粘附性主要是在鍋爐輻射部中部側(cè)壁,由鉛、鋅等低熔點雜質(zhì)形成,通過加強振打、鹽化風、日常探灰等手段控制,實踐表明原料中Pb+Zn含量>1.5%,鍋爐積灰會受到較大影響。
在生產(chǎn)過程中,尤其在投產(chǎn)提料階段,鍋爐內(nèi)部溫度變化,極易導(dǎo)致積塊掉落卡刮板,導(dǎo)致刮板長時間不能運行,導(dǎo)致積灰的進一步惡化,由于鍋爐積灰導(dǎo)致降負荷或停產(chǎn)時間占比超過30%以上。
為了改善積灰情況,采取過以下改造和措施。
1.采用較為先進的彈簧錘振打裝置[5],取代吹灰器,由于吹灰器吹入氣體溫度低,導(dǎo)致鍋爐局部溫度過低[6],造成局部積灰嚴重。
2.設(shè)置硫酸鹽化風[7-8],其原理是將易粘接的金屬氧化物轉(zhuǎn)化為蓬松易清除的硫酸鹽化合物,防止煙氣在煙氣管道上的粘接,便于振打清理。
3.鍋爐入口采用Ω管且在其表面堆焊一層特殊材料,改變了煙塵與設(shè)備之間的粘接力,使得大部分的煙塵都沉降于鍋爐灰斗中。
4.在生產(chǎn)中根據(jù)煙灰性質(zhì),在鍋爐輻射部入口間斷加入藥劑[9],藥劑可改善煙灰性質(zhì),使得煙灰粘接性小,可在積灰處產(chǎn)生分層現(xiàn)象,便于清理。
5.在輻射部刮板尾部上增加鍋爐快開門,在爐內(nèi)負壓足夠的情況下在線清理鍋爐大塊。
6.降低輻射部出口排煙溫度,在確保爐渣、冰銅流動性良好的前提下,宜控制較低的煙氣溫度,或者預(yù)留掛屏位置[10]。一般認為進入對流區(qū)的煙氣溫度控制在750℃以下,但在2005年貴溪冶煉廠的改造表明,假如對流管束結(jié)構(gòu)合理,同時采用有效的清灰裝置,進入對流區(qū)的煙氣溫度可以控制在800℃以上。
7.由于對流區(qū)的截面相對爐膛截面較小,原鍋爐輻射爐膛與對流區(qū)連接處為截面突變,不利于煙氣流均勻進入對流區(qū),塵量存在波動,對收塵效果有影響,因此可將此處設(shè)計成錐面過度到對流區(qū)。
8.煙氣再循環(huán)降低鍋爐入口煙氣溫度,將電收塵后的煙氣再引入閃速爐余熱鍋爐的入口,使進入余熱鍋爐的煙氣迅速冷卻,從而減小煙塵粘接,通過此還可以組織輻射冷卻室的煙氣流動,起到改善煙氣流場和溫度場的作用。
9.采用先進的清理積灰方式,前期以人工清理為主,時間較長,后期引進了打渣機,設(shè)置了打渣機平臺,對于清理大塊頗有成效,時間顯著降低。
此外,若閃速熔煉爐內(nèi)反應(yīng)效果不佳,煙塵中含有過量的S,在煙氣進入余熱鍋爐時,會發(fā)生二次燃燒反應(yīng)[11],可在閃速爐沉淀池頂部位增設(shè)二次燃燒風,降低煙塵中的S含量。
余熱鍋爐的主要機械裝置為振打設(shè)備、水循環(huán)泵和煙塵運輸設(shè)備等。
彈簧錘振打是余熱鍋爐清灰的重要手段,要求振打裝置必須長周期連續(xù)作業(yè),應(yīng)加強點檢,對已損壞的振打器要及時進行更換。
循環(huán)泵是余熱鍋爐安全性和連續(xù)性的重要保證,泵排水量、壓力不足、泵振動噪音較大、軸承過熱、機械密封泄露均是循環(huán)泵可能會出現(xiàn)的問題。
煙塵輸送設(shè)備是持續(xù)性使用設(shè)備,使用期間可能出現(xiàn)由于過載、鏈條松弛或伸長異常、主鏈輪齒損傷等原因引起的鏈條抖動或者由于干擾、咬合、旋轉(zhuǎn)不良、裝配和安裝不合理引起的異常響聲等,因此在煙塵輸送設(shè)備在設(shè)計階段就應(yīng)考慮其穩(wěn)定性和出現(xiàn)故障時的檢修問題。在實際運行過程中,鍋爐因不可避免的結(jié)塊掉落,極易損傷刮板,一般采用加強格柵排布,采用加強型刮板等措施。
閃速爐出口煙氣中含有大量的有毒有害物質(zhì),為了保障現(xiàn)場操作人員的人身安全以及達到環(huán)保的要求,余熱鍋爐不允許出現(xiàn)正壓。要做到這一點,在抽速正常的前提下,還需確保鍋爐本體的密封性。否則除安全環(huán)保外同時會導(dǎo)致以下幾方面的問題。
1.煙塵漏損大,煙塵從爐內(nèi)溢出,導(dǎo)致多種金屬回收率降低。
2.鍋爐出口煙溫和負壓波動較大,常溫空氣進入鍋爐,降低煙氣溫度并且影響鍋爐內(nèi)壓力。
3.強化低溫腐蝕,空氣溫度較低且含有少量水分,抽入爐內(nèi)會導(dǎo)致局部低溫腐蝕。
4.鍋爐漏風會導(dǎo)致硫酸鹽化失去控制。
導(dǎo)致余熱鍋爐密封出現(xiàn)問題的原因主要有兩方面,一方面是設(shè)計本身,另一方面是腐蝕。
為了保證密閉性,余熱鍋爐一般采用整體膜式水冷壁設(shè)計,運行前對焊縫進行密閉性檢測,在運行中,隨時發(fā)現(xiàn)隨時堵封,對腐蝕部位要進行處理。
由閃速熔煉爐余熱鍋爐的體積較大,余熱鍋爐在啟動升溫及在正常生產(chǎn)時的溫度變化而引起的鍋爐本體及內(nèi)部構(gòu)件的膨脹不能被忽視,它對鍋爐的壽命和安全性具有較大影響[12]。
為了減小鍋爐膨脹產(chǎn)生的危害,應(yīng)合理設(shè)計膨脹縫,正確疏導(dǎo)膨脹應(yīng)力,鍋爐整體設(shè)計,合理選用鍋爐固定方式,灰斗與鍋爐本體采用可滑動法蘭連接,允許其自由膨脹,采用預(yù)壓、預(yù)拉和預(yù)留的方法,改善管道和受熱面部件之間的膨脹自由度。
煙塵在隨閃速熔煉爐煙氣的運動過程中,不斷與受熱面發(fā)生碰撞,造成受熱面撞擊磨損、刮痕磨損和擦動或者滾動磨損。
磨損程度主要受以下幾個方面影響[13]。
1.熔煉煙氣條件。如煙氣流速、含塵量和爐管外徑與磨損量均正相關(guān),且煙氣流速是影響余熱鍋爐磨損的主要因素。
2.煙塵的性質(zhì)。如溫度越高及煙塵之間的粘附性越強越加重受熱面的磨損。
3.受熱面的性質(zhì)。如材質(zhì)的耐磨性。
4.煙氣流場不合理引起的磨損,煙氣進入余熱鍋爐后呈螺旋形流動,產(chǎn)生偏流現(xiàn)象,煙氣流經(jīng)管屏時,爐管背面存在渦流現(xiàn)象,增加了管屏的磨損量,且部分管子背面形成尖劈狀流線型積灰。
為減輕煙氣對鍋爐的磨損,延長受熱面的使用壽命,應(yīng)設(shè)法降低煙氣含塵量,設(shè)計科學(xué)合理的煙氣流場;合理加大爐膛的橫截面積,使煙氣中較大的粒子在此空間進行沉降;管屏和管束應(yīng)盡量選擇耐磨性材質(zhì);在高溫輻射區(qū)選擇合理的氣速,防止粒子對管屏形成渦流造成磨損。
余熱鍋爐的運轉(zhuǎn)是在一個十分惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中,因此需要在設(shè)計安裝階段就要考慮避免或減少鍋爐可能會出現(xiàn)的問題;在生產(chǎn)階段,需要加強對操作人員的培訓(xùn),制定合理的鍋爐操作制度及點檢制度,穩(wěn)定閃速熔煉爐的爐況,不斷總結(jié)生產(chǎn)過程中遇到的一些問題以及探究解決的方法,在生產(chǎn)過程中不斷的改進和適應(yīng),以期在故障來臨前有一個清晰的預(yù)判,并且設(shè)法阻止其發(fā)生。