供稿|張偉旗/ ZHANG Wei-qi
某冶煉廠于1982年從日本川崎重工率先引進(jìn)BLW77型強(qiáng)制循環(huán)閃速爐余熱鍋爐(簡(jiǎn)稱FFB)。多年來,該廠通過不斷的消化吸收、跟蹤發(fā)展和自主創(chuàng)新突破,已建成集環(huán)保、節(jié)能、高效于一體的國(guó)內(nèi)外規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的閃速煉銅企業(yè)。而FFB一直與主工藝流程相伴而生,是閃速爐(簡(jiǎn)稱FF爐)生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備之一,其運(yùn)行狀況直接影響到FF爐的正常運(yùn)行,F(xiàn)F爐排煙中所含煙塵的40%左右在通過FFB時(shí)受重力作用而沉降下來[1]。勿容置疑,其作用不可替代,且舉足輕重。
對(duì)銅冶煉工業(yè)而言,閃速熔煉工藝無疑是一次大革命。該廠雖歷經(jīng)數(shù)次技改工程挖潛,富氧量和裝入量大幅提高,1#FF爐產(chǎn)能達(dá)30萬t/a。但隨著產(chǎn)能的不斷攀升及銅精礦雜質(zhì)含量的不斷變化,F(xiàn)FB運(yùn)行工況與原設(shè)計(jì)相比變化很大,其煙氣條件及運(yùn)行參數(shù)變化大,熱負(fù)荷已遠(yuǎn)超原設(shè)計(jì)水平,煙氣含塵量陡增,煙塵粘結(jié)嚴(yán)重、易垮塌且難以預(yù)測(cè),只能低負(fù)荷生產(chǎn),甚至被迫停爐“爆破”清灰,嚴(yán)重干擾主工藝生產(chǎn)的順行,對(duì)安全生產(chǎn)威脅大,經(jīng)濟(jì)損失巨大,因而成為制約該類生產(chǎn)線的技術(shù)“瓶頸”和核心問題。
余熱資源的利用方式隨著熱源形態(tài)即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的不同與溫度水平的不同而有所不同。而工業(yè)余熱資源利用,按用途主要分為:余熱制冷制熱法、熱功轉(zhuǎn)換法及熱交換法。其中,制冷制熱法由吸收式制冷機(jī)組和熱泵來回收余熱;熱功轉(zhuǎn)換法是傳統(tǒng)的以水為工質(zhì)的蒸汽透平發(fā)電方法及以低沸點(diǎn)工質(zhì)的有機(jī)工質(zhì)的發(fā)電方法,如余熱鍋爐、蒸汽透平或膨脹機(jī)組成低溫汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng);而熱功轉(zhuǎn)換法通過換熱設(shè)備直接將能源傳遞給自身工藝的耗能流程,降低一次能源消耗,效率高、最直接、最經(jīng)濟(jì)[2]。
然而,余熱回收最青睞余熱鍋爐。FFB是處于FF爐與電收塵之間的“咽喉”設(shè)備,其運(yùn)行狀況的好壞,極其關(guān)鍵。實(shí)踐證明,只要合理控制FFB運(yùn)行壓力,保證其壁溫始終高于煙氣露點(diǎn)溫度,低溫腐蝕問題不難解決;受熱面磨損損傷,可通過合理組織煙氣流動(dòng)、降低煙氣流速,得到有效的遏制;由于振打裝置難以清除越積越大的粘結(jié)煙塵,因而成為FFB設(shè)計(jì)創(chuàng)新中的重中之重。
FFB采用強(qiáng)制循環(huán)方式,利用回收閃速爐、貧化電爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥酂?,生產(chǎn)中壓飽和蒸汽,配套飽和蒸汽汽輪機(jī)組、發(fā)電機(jī)組抽汽供熱,以實(shí)現(xiàn)供熱、電聯(lián)產(chǎn),其重油燃燒釋放熱量及余熱蒸汽的利用率極高,完全能適應(yīng) FF爐“四高”即“高投料量、高富氧濃度、高熱強(qiáng)度、高冰銅品位”熔煉技術(shù)的生產(chǎn)需求。其工藝流程是:純水→除氧→余熱鍋爐→汽輪發(fā)電機(jī)組→凝結(jié)水→除氧→余熱鍋爐。其關(guān)鍵核心技術(shù)是:持續(xù)工藝技術(shù)裝備創(chuàng)新,設(shè)計(jì)耐低溫腐蝕、粘結(jié)性冶煉煙氣的余熱鍋爐并運(yùn)行優(yōu)化。
FFB的工作條件主要包括:負(fù)荷種類、應(yīng)力狀態(tài)、加載速度、工作溫度、接觸介質(zhì)、摩擦條件、化學(xué)環(huán)境等;其零件材質(zhì)和工藝因素主要包括:化學(xué)成分、冶金質(zhì)量、組織狀態(tài)和殘余應(yīng)力等。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:最大煙氣量55000 Nm3/h;入口煙溫1340 ℃;出口煙溫360 ℃;蒸發(fā)量47.0 t/h;蒸汽溫度259 ℃;給水溫度104 ℃;鍋爐壓力5.1 MPa(g),運(yùn)行壓力4.5 MPa(g);循環(huán)水流量1160 m3/h;汽包8400 m×1900 m×5022 m;汽包水位H+440、HH+525、HHH +575、L-440、LL-525、LLL-575 mm;連續(xù)排污額定(若要求水量滿)2%~4%;煙氣阻力300 Pa。其入口煙氣條件為:煙氣量38577 Nm3/h;煙溫1340 ℃;煙氣成分(SO233.5%、CO23.57%、H2O 6.10%、O21.73%、N253.10%;煙氣含塵量144.45 g/Nm3;爐口輻射熱6410 MJ/h。
據(jù)FFB設(shè)計(jì)條件,其吹灰噴射空氣、鍋爐漏風(fēng)及密封空氣分別為6000 m3/h、4000 m3/h、3600 m3/h,因FF爐煙氣量<設(shè)計(jì)值,煙氣成分的變化使其熱負(fù)荷≥原設(shè)計(jì)水平,結(jié)合一期、三期運(yùn)行工況進(jìn)行熱平衡驗(yàn)算,其蒸發(fā)量為51.9<56~60 t/h實(shí)際值;其入口煙氣溫度≈設(shè)計(jì)值,因FF爐漏風(fēng)、煙氣成分變化不大,其入口煙氣量>設(shè)計(jì)值,F(xiàn)F爐滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)應(yīng)達(dá)66000~68000 m3/h;若按煙氣成分設(shè)計(jì)值再次核算,三期技改工程完工后,F(xiàn)FB實(shí)際工況條件下的受熱面積足夠,但隨著煙氣條件的變化,輻射室出口煙氣溫度陡升,煙氣含塵量倍增,F(xiàn)FB對(duì)流部入口煙塵粘結(jié)的危險(xiǎn)性變大,安全生產(chǎn)隱患大。
為有效地防止產(chǎn)生煙氣粘結(jié)現(xiàn)象,F(xiàn)FB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采用空間足夠大的“空腔輻射冷卻室”,以快速將高溫?zé)煔饫鋮s至煙塵粘結(jié)溫度以下,從而能迅速將煙塵變?yōu)楣腆w顆粒而分離沉降下來,并進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化。
新設(shè)計(jì)輻射部水冷壁前5 m采用Ω管,其余采用膜式水冷壁,使FFB的密封性得以根本改善;輻射部?jī)?nèi)懸掛有一排水冷壁擋板,可延長(zhǎng)輻射部?jī)?nèi)煙氣的滯留時(shí)間,冷卻效率高,對(duì)煙塵的硫酸鹽化反應(yīng)極為有利;而將水冷壁轉(zhuǎn)角部分優(yōu)化設(shè)計(jì)成45°倒角,則更有利于防止煙塵在該轉(zhuǎn)角處粘結(jié)。
原設(shè)計(jì)輻射部水冷壁背撐梁為框架式,彈簧錘振打只能裝在大背撐梁上,彈簧錘受設(shè)計(jì)所限,難以發(fā)揮原有功能,輻射部入口頂棚和拐角處大量煙灰易粘結(jié)成超大塊,甚至累積至上百噸,一旦大塊脫落,勢(shì)必砸壞鍋爐水冷壁管,停爐檢修時(shí)間長(zhǎng),損失巨大,宜將兩側(cè)墻前5 m框架式大背撐梁改為小梁;為優(yōu)化環(huán)境,減少吹灰器孔的漏風(fēng)、漏煙,可拆除部分吹灰器;為增加彈簧錘振打的力度及有效面積,大幅降低煙塵的粘結(jié),可將振打桿直接焊接在水冷壁上;為不留“死角”,可調(diào)整部分彈簧錘至適宜的安裝位置,且在輻射部?jī)蓚?cè)墻和前墻,新增設(shè)6臺(tái)彈簧錘振打,以使其清灰作用發(fā)揮到極致。
因原設(shè)計(jì)不合理及煙氣沖刷,F(xiàn)FB輻射部側(cè)壁上硫酸鹽化噴嘴管周圍的爐管易漏水,導(dǎo)致FF爐被迫停爐檢修,損失極其嚴(yán)重,可對(duì)輻射部側(cè)壁上硫酸鹽化噴嘴管周圍的爐管進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新,由原水平設(shè)計(jì)改為突起設(shè)計(jì)方式,煙氣沖刷則驟減。
為防止嚴(yán)重積灰,應(yīng)從煙氣動(dòng)力場(chǎng)組織的角度出發(fā),統(tǒng)籌考慮,可通過煙氣動(dòng)力場(chǎng)合理的設(shè)計(jì)、布置,使煙氣充滿輻射冷卻室,不發(fā)生偏流和短路,促使煙溫按照設(shè)計(jì)的需求來降溫,即使其爐況不太穩(wěn)定、使用原料變化較大時(shí),其輻射部和對(duì)流部均不會(huì)再出現(xiàn)結(jié)大塊、煙塵粘結(jié)難清理等現(xiàn)象。
根據(jù)FFB內(nèi)硫氧化物的分壓和氧分壓,硫酸鹽生成溫度一般約700 ℃,新設(shè)計(jì)將FFB輻射部出口的煙氣溫度控制于760 ℃左右,使進(jìn)入對(duì)流部的煙塵主要以質(zhì)地疏松的硫酸鹽類形式沉積在管壁上,便于清理;在輻射部出口處,可增設(shè)隔柵型擋板,以便均勻地分布對(duì)流區(qū)入口煙氣的流量。
原設(shè)計(jì)對(duì)流部通常積灰多,煙塵粘結(jié)嚴(yán)重,主要是由于煙氣成分不斷產(chǎn)生變化且含塵量高,通過FFB熱力校核計(jì)算,其輻射室出口煙溫陡增至約790 ℃>770 ℃左右即檢查孔所測(cè)的對(duì)流口入口處煙溫,導(dǎo)致對(duì)流部較以前更易產(chǎn)生煙塵粘結(jié);同時(shí),原對(duì)流受熱面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不太合理,凝渣管屏的前、中、后部設(shè)有6臺(tái)吹灰器,在對(duì)流部?jī)蓚?cè)沿鍋爐縱向設(shè)有2組振打錘,對(duì)于位于凝渣管屏和四組對(duì)流管束下部相連的各振打點(diǎn),往往因振打力度不足,積灰嚴(yán)重,粘結(jié)煙塵難以及時(shí)清理,易堵塞煙道。
為克服其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷,新設(shè)計(jì)采用帶有彈性振打清灰裝置的對(duì)流管束替代原設(shè)計(jì)的凝渣管屏和對(duì)流管束,且在輻射冷卻室中設(shè)置2組輻射管屏,將輻射室出口煙溫降至約720 ℃。生產(chǎn)實(shí)踐證明,為有效地避免FFB對(duì)流受熱面的嚴(yán)重粘結(jié),必須嚴(yán)格控制對(duì)流部入口煙溫<750 ℃,只要對(duì)流管束結(jié)構(gòu)合理、振打裝置有效,即便是更高的煙氣溫度下,煙塵粘結(jié)亦可避免。籍此,更值得鍋爐設(shè)計(jì)師借鑒和加以推廣。
生產(chǎn)運(yùn)行過程中,對(duì)流部側(cè)墻水冷壁易產(chǎn)生晃動(dòng)較大的故障,為了杜絕該故障的發(fā)生,可通過新增設(shè)限位裝置,且采用鋼架進(jìn)行局部加固等措施來進(jìn)一步強(qiáng)化。
煙氣的成分極為復(fù)雜,其中所含金屬氧化物或硫化物在煙氣的冷卻過程中,皆可與煙氣中的SO2、O2或SO3等反應(yīng)生成硫酸鹽,為促進(jìn)煙塵硫酸鹽化反應(yīng)的發(fā)生,降低煙塵的粘結(jié)性,促使積灰變得更松散、易清除,宜采用噴入硫酸鹽化風(fēng)技術(shù)和噴加焦粉法加以控制,即可通過FF爐上升煙道,將一定數(shù)量的硫酸鹽化風(fēng)送入余熱鍋爐;同時(shí),在FFB輻射部前墻上,新增設(shè)4根硫酸鹽化風(fēng)管,以優(yōu)化煙氣的速度和方向,防止煙氣向上流竄,可大幅減少拐角和頂棚處的煙氣粘結(jié)。此舉,對(duì)今后銅冶煉FFB及相似余熱鍋爐的發(fā)展及應(yīng)用,頗具參考價(jià)值。
為便于清理煙氣流經(jīng)通道所形成的粘結(jié)物,必須在上升煙道入口和余熱鍋爐入口鼓入富氧或空氣,使煙氣中熔融的金屬氧化物發(fā)生硫酸鹽生成反應(yīng),該閃速熔煉的硫酸鹽化技術(shù)因富氧或空氣的通入,會(huì)促使煙氣中SO3的濃度上升,而SO3濃度高,則對(duì)設(shè)備防腐和制酸系統(tǒng)等方面極為不利。因此,必須找到O2含量控制的最佳平衡點(diǎn)。
FFB的煙氣中,除礦粉和各種金屬粉末外,還含有大量腐蝕性氣體SO2、CO、CO2、H2O及毒性極強(qiáng)的NOx氣體,嚴(yán)重堵塞煙氣輸送管道和取樣器,污染分析儀表,導(dǎo)致無法取樣及進(jìn)行正常的整個(gè)測(cè)量分析。對(duì)此,可通過建立氧氣分析系統(tǒng)即QT系列風(fēng)炮式反吹掃煙氣在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng),即在FFB和電收塵出口處,設(shè)置煙氣中的O2濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn),來監(jiān)測(cè)與控制煙氣中的O2含量。其主要優(yōu)點(diǎn)是:可有效地控制硫酸鹽化的反應(yīng),顯著提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì),以節(jié)能降耗、降本增效及延長(zhǎng)爐窯使用壽命。其技術(shù)難點(diǎn)是:樣氣采集、樣氣除塵過濾、樣氣除水等環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)及各環(huán)節(jié)設(shè)備的選取[3]。
因原設(shè)計(jì)不合理及汽包人孔密封墊圈材質(zhì)等問題,易導(dǎo)致FF爐被迫停爐檢修,為有效地提高密封性能,宜設(shè)計(jì)在保證人孔內(nèi)圈的同時(shí),適當(dāng)拓寬人孔外圈,避免造成巨大損失;同時(shí)應(yīng)提高密封墊圈材質(zhì),確保備件制造質(zhì)量,嚴(yán)格按技術(shù)規(guī)程裝拆等。
為充分滿足動(dòng)力透平發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)需求,減少因蒸汽量的波動(dòng)而造成的蒸汽過熱器SH、再熱器RH燒嘴燃燒不好,進(jìn)而影響蒸汽溫度的控制,應(yīng)在余熱系統(tǒng)蒸汽管網(wǎng)中FF爐和轉(zhuǎn)爐鍋爐蒸汽匯合點(diǎn)之后,新增設(shè)蒸汽進(jìn)氣壓力4.5 MPa、出汽壓力1.27 MPa、蒸汽流量15~20 t/h的抽汽減壓裝置,經(jīng)減壓后的蒸汽直接送入外界低壓蒸汽管網(wǎng)。一旦蒸汽干燥機(jī)停用汽,蒸汽量變大、壓力升高時(shí),減壓器則會(huì)自動(dòng)打開泄壓。
生產(chǎn)實(shí)踐證明,低溫腐蝕已成為進(jìn)一步降低FFB排煙溫度和提高熱效率的主要障礙。新設(shè)計(jì)采用較高的水循環(huán)倍率,且在FFB各分配聯(lián)箱上,專門設(shè)置調(diào)節(jié)孔板,可使FFB各換熱面的溫度均勻。
FFB早期多采用吹灰器或機(jī)械振打裝置清除受熱面沉積的煙塵[4]。而新設(shè)計(jì)則采用直通煙道式懸掛結(jié)構(gòu),煙氣流暢,便于振打清灰;可將原設(shè)計(jì)輻射部、對(duì)流部連桿式捶打和吹灰器全部改進(jìn)為彈性錘振打清灰裝置。如圖1所示,為FF余熱鍋爐振打裝置安裝圖。輻射部設(shè)有彈簧錘振打裝置49臺(tái),對(duì)流部40臺(tái),以有效地清除粘附于水冷壁、管壁和管束等部位煙塵,煙塵由運(yùn)轉(zhuǎn)振打裝置振落至FFB下部灰斗,再由二臺(tái)刮板機(jī)輸送出,最終抵煙灰倉(cāng)。
圖1 FF余熱鍋爐振打裝置安裝圖
其彈簧振打桿上設(shè)有雙片牒形彈簧,低頻沖擊力大時(shí),易損壞清理處;高頻沖擊力小時(shí),不能從沖擊點(diǎn)穿透得很遠(yuǎn),為便于清灰和防止積灰,又不致于損壞清理處,宜選用中頻振動(dòng)。其工作原理是:電動(dòng)機(jī)通過蝸輪蝸桿減速機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鏈駝,再通過鏈條帶動(dòng)舉錘裝置機(jī)構(gòu)將錘頭舉至設(shè)定高度,落錘裝置將錘頭落下?lián)舸驈椈烧翊驐U,舉錘機(jī)構(gòu)隨從動(dòng)輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)導(dǎo)向復(fù)位,再次舉錘實(shí)施第二次振打,如此循環(huán)周而復(fù)始。其主要優(yōu)點(diǎn)是:可通過調(diào)整彈簧錘錘打的時(shí)間與周期,清灰效果極其出色,平時(shí)故障少且易判斷,維修工作量小,節(jié)能效果甚佳。
運(yùn)輸機(jī)鏈條使用過程中,常出現(xiàn)卡死或斷裂現(xiàn)象。鏈條卡死時(shí),若不能及時(shí)停止,易導(dǎo)致鏈條拉斷或電機(jī)燒毀;一旦鏈條斷裂后,電機(jī)仍在旋轉(zhuǎn),則會(huì)導(dǎo)致鏈條進(jìn)一步損壞,增加檢修量和檢修難度。對(duì)此,可新增設(shè)速度檢測(cè)裝置,當(dāng)鏈條卡死或斷鏈時(shí),該裝置能立刻發(fā)出聯(lián)鎖信號(hào)及報(bào)警信號(hào),輸送機(jī)將自動(dòng)停止,以防止事態(tài)進(jìn)一步擴(kuò)大。
為避免對(duì)流部入口、沉降室等位置煙塵堆積,宜在對(duì)流部入口斜坡處新增設(shè)2臺(tái)彈性錘振打清灰裝置,可及時(shí)排除斜坡粘結(jié)煙塵,特別是能有效防止后移煙塵的堆積。
新設(shè)計(jì)FFB必須充分考慮到電爐煙氣量的大小,應(yīng)將電收塵后的部分低溫?zé)煔鈱?dǎo)入其入口,促使該部分煙氣得以快速冷卻,煙塵的粘結(jié)大幅減少;而通過優(yōu)化設(shè)計(jì)再循環(huán)煙氣導(dǎo)入位置及方向,合理組織輻射冷卻室的煙氣流動(dòng),對(duì)有效地改善煙氣流場(chǎng)及溫度場(chǎng)效果,影響極大,也有利于企業(yè)的生態(tài)建設(shè)和產(chǎn)生巨大的循環(huán)經(jīng)濟(jì)效益。
為加強(qiáng)FFB冷卻水的水質(zhì)管理,考慮到受當(dāng)?shù)貧夂虻乩項(xiàng)l件的限制,所使用冷卻水為動(dòng)力車間提供的純水,若循環(huán)水處理設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí),導(dǎo)致進(jìn)入FFB冷卻水管的水質(zhì)硬度、堿度、含鹽量等時(shí)有超標(biāo)現(xiàn)象,冷卻水管內(nèi)壁易產(chǎn)生沉積水垢,應(yīng)設(shè)計(jì)新增設(shè)一套水處理凈化設(shè)備用于除垢。
FFB嚴(yán)重缺水或燒干事故偶有發(fā)生,往往會(huì)造成爐管爆裂,水冷壁管全部或局部變形,除及時(shí)檢修及更換自動(dòng)給水調(diào)節(jié)器外,為以防萬一,宜在鍋爐工操作處,設(shè)計(jì)新增便于手動(dòng)控制的給水裝置。
智慧是火,創(chuàng)新是光??萍歼M(jìn)步和技術(shù)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)工廠跨越式發(fā)展的良好手段,也是FFB賴以生存和發(fā)展的根本所在。該廠通過持續(xù)的工藝裝備設(shè)計(jì)創(chuàng)新及運(yùn)行優(yōu)化,在FF爐“四高”熔煉技術(shù)強(qiáng)勁需求的驅(qū)動(dòng)下,在引進(jìn)技術(shù)與技術(shù)創(chuàng)新交叉融合的推動(dòng)下,保障了FFB的“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了與陰極銅產(chǎn)能超120萬t/a大關(guān)相匹配,不斷為FFB的發(fā)展與創(chuàng)新,開拓了新的理念、新的模式、新的技術(shù)及新的發(fā)展空間,其擁有的多項(xiàng)專利技術(shù)和關(guān)鍵核心技術(shù),則提升了國(guó)內(nèi)外相關(guān)鍋爐行業(yè)的工藝技術(shù)裝備水平,樹起了新的世界級(jí)裝備樣板,對(duì)進(jìn)一步穩(wěn)固有色冶煉裝備高端市場(chǎng)意義重大,有效地促進(jìn)了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展,其市場(chǎng)應(yīng)用前景十分廣闊。
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