有色冶金炉余热锅炉设计原则及应用

知识点：冶金炉

有色冶金炉余热锅炉设计原则及应用

有色金属火法冶炼工艺使用多种类型的冶金炉, 如沸腾熔烧炉、反射炉、转炉、闪速炉、烟化炉等。这些炉子本身消耗大量热能, 同时产生大量余热。为回收余热, 一般采用余热锅炉回收高温烟气带走的热。由于有色冶金炉排出的烟气多有烟温高, 含尘量大、腐蚀性气体含量大且很多有色冶炼设备是周期性工作使得烟气热焓值变化大等问题, 对于采用余热锅炉回收烟气余热, 存在热源热负荷不稳定, 锅炉受热面易结渣、堵灰、磨损与腐蚀等困难。这成为余热锅炉设计和运行中需着重解决的问题。

1、有色冶金炉余热锅炉的设计原则

1.1、有色冶炼炉及烟气热性

各种有色冶金炉有不同的工艺特点和烟气特性, 以沸腾焙烧炉和烟化炉为例：

（1）沸腾焙烧炉

沸腾焙烧包括氧化焙烧和酸化焙烧两部分。氧化焙烧是放热反应, 沸腾层内有过剩热（可设埋入式冷却水套或汽化装置以稳定沸腾层温度）, 烟气温度高（最高约90℃—1120℃），烟气量较稳定（因可实现生产连续化），但含尘量大且粘连性强。酸化焙烧时烟温低于氧化焙烧炉, 烟气含尘量低于氧化焙烧炉但烟气中含SO2高, 可高达15% ,腐蚀性很强。

（2）烟化炉

烟化炉是以金属氧化物烟尘为产品的低熔点有色金属挥发熔炼炉, 间断作业, 产品如氧化锌粉、氧化铅粉。其烟气温度高至1200℃—1300℃，烟气量不稳定, 含尘量约在100—150g/ Nm3 , 烟尘粘结性强。

总的说来, 有色冶金炉的高温烟气都有这些特点: 烟气热焓值周期性波动,间断作业的炉子烟气量和烟温均大幅周期性波动, 连续作业的炉子也是熔炼时烟气量大而出料时炉子只需保温, 烟气量小; 烟气含尘量大（精练反射炉除外）; 烟尘由于含低熔点金属氧化物、硫化物组成低熔共存物而具有强的粘连性; 烟气中腐蚀性气体含量高。

1.2、根据烟气特性进行余热锅炉选型

根据有色冶金炉烟气的特性, 并吸取国内外近年来积累的经验, 余热锅炉选型时应作如下考虑：

（1）余热锅炉整体布置根据不同情况通常采取两种型式: 一种为水平直通式烟道结构, 烟气作水平流动; 另一种为双回程纵向冲刷的烟道结构。前者烟气直线流动, 可减轻烟气流与飞灰分布的不均匀性, 因而可防止飞灰的局部堆积和磨损; 后者管屏间节距较大, 灰粒不易搭桥, 且烟气自下向上急转弯, 可分离部分粗灰粒, 降低烟尘浓度, 占地较少。比较而言, 烟尘浓度越大的, 越宜采用第一种型式。

（2）余热锅炉宜采用大空腔辐射室并布置大量的辐射受热面, 以保证烟气在辐射室中冷却到软化点以下, 比结渣温度低100℃—150℃，使熔融状态的烟尘在辐射室变成固体小颗粒沉降, 防止烟气进入对流受热面时结渣、灰堵。

（3）取消下锅筒, 上锅筒宜设在锅炉外, 这样方便受热面管束的装置。

（4）余热锅炉炉膛水冷壁应采用膜式水冷壁结构，管径大, 管子中心距小, 以提高辐射传热效果, 保证炉膛结构的密封性和利于清除灰渣。

1.3、根据热源热负荷特点定水循环方式和多台余热锅炉并联运行方案

余热热源的热负荷不稳定, 烟气量和烟温的周期性波动造成余热锅炉热负荷的周期性波动。尤其是间断作业的炉子, 如转炉、烟化炉、烟气量在一个炉期经历从零至最高值的大幅变化。即使是连续生产的炉子如沸腾炉、进料、排渣、出产品过程却是间断的, 引起烟温、烟气量波动。为防止余热锅炉在低负荷下发生水循环故障, 较适宜的方案是采用强制循环, 尤其是受热面较分散的情况（如沸腾炉余热锅炉）只能采用强制循环强制循环还有利于负荷波动时锅炉部件的自由伸缩, 以防止锅炉局部过热或热应力过大，受热面布置也相对自由。

锅炉热负荷的变化引起其产出蒸汽热负荷的变动,因此对有多台有色冶金炉的车间, 应各安装余热锅炉并联运行, 将余热源的周期性错开, 以达均衡产汽的效果。

1.4、有效的减少积灰、结渣、磨损、腐蚀的措施和清灰渣手段

（1）合理的对流受热面设计

对流受热面采用顺列管束膜式受热面, 烟气流速取较低值（3—4m/ s），减少磨损、减少和清除积灰有利。而烟化炉余热锅炉甚至采取不设对流受热面的手段减少烟尘粘附机会, 以提高产品（烟尘）合格率。

（2）防止高温腐蚀和低温腐蚀的设计

当余热锅炉受热面的壁温高于硫酸露点, 烟气温度在500℃以上区域发生的腐蚀为高温腐蚀。因此要控制余热锅炉内受热面壁温低于此温度, 一般不设过热器（考虑热负荷波动难以实现过热蒸汽参数额定也应不设过热器），对于余热量大的有色冶金炉余热锅炉需设过热器的, 也应布置在烟温低于700℃—800 ℃的区域。

由于烟气中含SO₂较高, 转化为SO₃后, 与烟气中水蒸汽结合生成硫酸, 当锅炉受热面壁温低于所生成硫酸露点时, 硫酸就在受热面壁上凝结而发生低温腐蚀。防止低温腐蚀须保持受热面壁温高于烟气露点温度。在设计上, 选择锅炉的工作压力应使相应的工质饱和温度高于烟气露点5℃—10 ℃，适当提高锅炉工作压力既可防低温腐蚀, 又可防硫酸结露与管壁积灰共同作用生成坚硬难除的低温粘连灰。

（3）有效的清灰渣措施

有色冶金炉余热锅炉的积灰、结渣情况较为严重。清除灰渣较多是采用压缩空气吹灰和机械振动两种形式或结合使用。压缩空气吹灰需配置相应的辅助设备,成本较高, 不太适于小型余热锅炉。安装在水冷壁角隅上的振动除灰装置由激振器、振动杆、连接弹簧和固定悬壁梁组成, 为了清除受热面上的积灰和渣而施加的振动力可在受热面上产生低、中、高频振动, 低频振动易引起锅炉构件局部较大的应力和应变而损坏构件。一般认为变频振动清灰效果较好，但从实践来看, 变频振动往往因冲击力穿透不够、位移过小而清灰打渣效果不理想, 合格的频率应是使锅炉水冷壁上各振动模态被充分激励出来, 在不损坏锅炉构件的前提下, 得到最大的有效振动而取得理想的清灰渣效果。

2、应用于实践

2.1、西北某厂14m² 锌沸腾炉余热锅炉设计

14m²锌沸腾焙烧炉烟气特性如表1。

沸腾炉为连续作业, 烟气量较为稳定, 但烟温波动大。

考虑烟气的各项特性, 余热锅炉设计采取如下方案：

（1）双通道烟气冷却室。第一通道为辐射大空腔, 第二通道为对流室。烟气主要以纵向冲刷受热面, 辐射室和对流室均采用鳍片管膜式受热面。

（2）考虑沸腾层有过剩热及烟温波动大, 设沸腾层埋管, 汽化埋管与烟气冷却室共同组成受热元件。分散的受热元件构成与沸腾炉融为一体的余热利用装置, 这样, 既充分利用了余热, 又可平衡由于烟温波动大造成的不均匀热负荷。

（3）不设省煤器、过热器、下锅筒。将汽水混合物汇集到一个汽包进行汽水分离, 汽包置于余热锅炉炉膛外。

（4）采用强制水循环

（5）锅炉设计压力取为2.1MPa, 因烟气中含有SO₂为11.85% , SO₃为0.12% , H₂O为8.5% , 计算出烟气露点温度在216℃。使水冷壁壁温为226℃（高于烟气露点10℃），考虑水冷壁温高于管内工质温度20 ℃左右,饱和工质压力应为1.92MPa。

（6）采用吹灰与振打相结合的清灰方式, 以吹灰为主。采用长伸缩式吹灰器, 基本无死角。

（7）余热锅炉本体采用悬吊方式以增加钢结构柔性。

该余热锅炉基本结构见图1。

 

该余热锅炉经近三年的运行, 运行正常。蒸发量及蒸汽压力均达到设计指标, 清灰效果良好, 受热面无严重腐蚀。

2.2、广西某冶炼厂锌氧炉余热锅炉设计

锌氧炉烟气特性如表2。

锌氧炉为间断作业的烟化炉, 直接从炉气中产出氧化锌粉, 烟气量和烟气温度均波动大。锌氧炉一个炉期约150min, 有80min（旺粉期）烟气温度和流量在最大值。

针对烟气特性, 设计上采取如下方案：

（1）采用水平直通式烟气冷却室。整个室为一个大空腔辐射室, 配置于锌氧炉聚尘室位置取代之。辐射室四面及顶棚设膜式水冷壁。

（2）不设对流受热面。减少烟气在余热锅炉内停留的时间（控制其在辐射室中停留8—10S）以减少烟尘粘附于受热面上的机会, 因受冷却速度影响,对流受热面的粘结粉只能作为返料, 设对流受热面将降低氧化锌粉直产一级品率。

（3）余热锅炉为两下集箱、四面及顶棚水冷壁直联汽包结构, 下降管布置于墙角。后墙水冷壁从两侧联箱伸出, 顺壁向上直联汽包, 使结构紧凑、耗钢材少、投资省。

（4）采用自然循环。虽然烟温及烟气量波动大, 但考虑烟气量不大, 余热锅炉结构简单、受热面少, 为节省运行费用采用自然循环。

（5）弹性振打除灰。

（6）车间两台锌氧炉各配置余热锅炉并联运行, 并将锌氧炉开炉时间错开半个炉期, 平衡供汽热负荷。

该余热锅炉运行两年多, 工作正常, 蒸发量及蒸汽压力均达设计指标, 锌氧炉直产一级品率提高。未设余热锅炉时, 锌氧炉沉降室所得粉末只能作返料,设余热锅炉后，余热锅炉粉ZnO含量大于99.9% , 白度近于一级品, 达二级品质量指标。

3、结论

有色冶金炉余热锅炉的设计与运行虽有难度, 但只要充分考虑余热源的特性, 结合文中的各项原则进行设计, 实践证明, 是能获得成功的。

通过多次有色冶金炉余热锅炉的设计, 得出如下结论, 适宜于有色冶金炉余热锅炉设计：

（1）对于热源烟气中含尘在100g/ Nm³以上的余热锅炉最好采用水平直通式烟道结构, 采用大空腔辐射室。

（2）采用膜式水冷壁比翅片式效果好。

（3）不适宜设下锅筒而宜设集箱分开布置, 上锅筒宜设在锅炉炉膛外。

（4）采用强制循环较为安全。

（5）锅炉的工作压力应满足防低温腐蚀要求。

（6）高效弹性振打机可达到理想的清灰效果。

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