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煙氣中的二次能源,降低煙氣溫度,而且可以捕集高溫煙氣中的部分煙塵,回收貴重金屬,降低煙氣的含塵量。但在運行過程中,鍋爐的結焦和積灰不可避免,防止和處理鍋爐的結焦和積灰關系到鍋爐及生產(chǎn)的正常運行。

某冶煉公司側吹爐為雙側吹豎式熔池熔煉爐,主要處理復雜金精礦,其出煙口靠近下料口,因為側吹爐負壓操作,部分輕質原料會被負壓吸入上升煙道,進而進入余熱鍋爐中,與煙氣中的金屬氧化物、硫酸鹽等物質附著在鍋爐管束上,形成結焦。針對鍋爐結焦問題,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行搖動,使管束上的結焦掉落。側吹爐一個運行周期30 d(2 次檢修之間時間),在運行至10 d 左右時,便需要每天進行結焦清理,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、改造鍋爐輻射區(qū)結構、添加結焦抑制劑、優(yōu)化鍋爐振打運行與吹灰、采用鍋爐噴涂技術、控制爐內(nèi)熔體噴濺高度、控制爐料水分、控制二次風量等措施對鍋爐結焦進行了有效控制,目前運行周期得到延長,由30 d增加至40 d,提高了系統(tǒng)開車率。

1 結焦情況及結焦的危害

1.1 結焦情況及結焦成分

1.1.1 結焦情況

改造之前,在停車檢修時對鍋爐內(nèi)部結焦情況進行觀察發(fā)現(xiàn),鍋爐結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、二組管束結焦尤為嚴重,對流區(qū)管束及爐墻水冷壁均有不同程度結焦,嚴重時凝渣擋屏、管束、水冷壁之間完全黏結,沒有縫隙,水冷壁結焦厚度可達到200～300 mm。清理結焦前需要花費大量時間強制通風對鍋爐進行降溫,因鍋爐內(nèi)部屬于受限空間且無法使用大型機械,降溫后需作業(yè)人員進入鍋爐內(nèi)部使用風鎬、大錘等手持工具進行清理,清理時間長,難度大同時存在較大危險。

1.1.2 結焦成分分析及結焦原理

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焦取樣進行分析,結果見表1。

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

1.1.2.2 結焦原理

結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固化形成。可見,煙塵的熔點是結焦的關鍵。可用煙塵熔點溫度及煙塵的主要成分判斷結焦指標,煙塵熔點越低,鍋爐受熱面越容易結焦。

通過對結焦的取樣化驗結果來看,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,當煙氣中有CO、H2等還原性氣體存在時,灰分熔點降低約200 ℃。這是因為還原性氣體能使灰分中高熔點的Fe2O3(1 565 ℃)還原成低熔點的FeO(1 360 ℃)的緣故,兩者熔點相差200 ℃。鉛、鋅等可以通過降低爐料含量進行控制。銅、硅可以通過爐料細度及控制熔煉爐內(nèi)熔體噴濺高度進行控制。通過對鍋爐熔融流體的化驗分析發(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,結合生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析,確定熔融流體為礦粉夾帶進入鍋爐后熔化產(chǎn)生。

1.2 結焦危害

1.2.1 鍋爐熱效率下降

鍋爐受熱面結焦后,由于結焦的導熱性能差,會嚴重影響鍋爐傳熱,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焦的嚴重程度,生產(chǎn)實踐中,在鍋爐結焦清理干凈、正常開車后鍋爐出口溫度為360～370 ℃,連續(xù)開車運行1 個月,結焦嚴重時,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)量可以判斷鍋爐結焦的嚴重程度,生產(chǎn)實踐中,在鍋爐結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,鍋爐結焦嚴重的情況下,蒸發(fā)量降低到29 t/h 以下,下降明顯。

1.2.3 系統(tǒng)負壓難以控制

鍋爐管束的結焦會造成鍋爐內(nèi)的氣流出現(xiàn)偏斜,使鍋爐的阻力增大,需要增大SO2風機頻率,才能保證系統(tǒng)負壓,提高頻率會使風機耗電量增加,結焦嚴重時可能造成通道堵塞,導致煙氣外溢無法進入硫酸工段,只能停車清理結焦。

1.2.4 影響鍋爐運行的安全性

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

2 鍋爐結焦原因分析

2.1 鍋爐爐膛溫度的影響

冶煉溫度越高,爐內(nèi)反應越強烈,入爐物料中的易揮發(fā)物質氣化越強烈,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)因為溫度降低而凝固,當附著在受熱面管壁上時,便會形成一層疏松的灰層,運行中通過吹灰和振打就可以除掉。但當爐膛內(nèi)溫度較高時,一部分灰塵顆粒已經(jīng)達到熔融狀態(tài)或半熔融狀態(tài),若這部分灰塵顆粒在達到受熱面前未得到足夠冷卻達到凝固狀態(tài),便具有較高的粘結能力,產(chǎn)生結焦的可能性就越大。側吹熔煉溫度可達1 250～1 300 ℃,煙塵率很高,煙氣溫度也高,鍋爐容易產(chǎn)生結焦。

2.2 爐料的影響

在影響結焦的因素中,爐料的特性起主要作用[1]。由于該冶煉企業(yè)主要處理復雜金精礦,爐料種類繁雜,入爐物料多時可達數(shù)十種原料,成分復雜,雜質含量較高,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,高細度原料在系統(tǒng)負壓及高溫煙氣帶動下,入爐時非常容易直接進入鍋爐及后續(xù)工段,大部分鉛和部分鋅等雜質元素在高溫熔煉下進入煙氣中,導致鍋爐結焦的產(chǎn)生。

2.3 煙氣中氧含量的高低

煙氣中單質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,造成負壓波動難以控制。

由風機提供動力使側吹生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣進入硫酸工段制酸。負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系,爐料通過移動皮帶進入爐內(nèi)時,高細度原料進入熔池前易被負壓及高溫煙氣夾帶進入鍋爐,出現(xiàn)二次燃燒,導致鍋爐溫度升高產(chǎn)生結焦。

2.4 鍋爐的高負荷連續(xù)運行

該冶煉廠側吹爐設計投礦量為45 t/h,目前實際投礦量為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)處于高負荷連續(xù)運行狀態(tài)。當鍋爐連續(xù)高負荷運行,特別是超負荷運行時,鍋爐爐膛熱負荷增加,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,當熔融狀態(tài)軟化的煙塵粘結在上面后會形成大面積結焦[2]。鍋爐結焦和積灰量隨著鍋爐負荷及煙氣溫度的增加而增加。

2.5 吹灰振打設備的影響

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,會導致未覆蓋區(qū)域受熱面上的積灰逐漸增多,進而受高溫煙氣影響積灰軟化,接觸水冷壁部分便會硬化變成固態(tài),從而形成結焦。振打器未根據(jù)積灰及結焦程度合理布置,則會導致清灰效果差,能耗及水冷壁損傷增加。

2.6 直升煙道結焦與側吹爐內(nèi)熔體噴濺高度有關

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

3 防止鍋爐結焦的對策措施

3.1 改造圓盤制粒機

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

3.2 改造鍋爐輻射區(qū)結構

熔煉煙氣由直升煙道進入鍋爐后流速降低,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而形成結焦,此處因煙氣仍處于高溫狀態(tài),長時間運行后形成的結焦硬度大、面積大,極難清理,進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,直接落入刮板機箱體由刮板機收集帶走。鍋爐輻射區(qū)結構改造見圖1。

圖1 鍋爐輻射區(qū)結構改造Fig.1 Structural transformation of boiler radiation area

3.3 添加結焦抑制劑

文獻[6]研究結果表明,結焦抑制劑的主要成分為促進劑、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,在煙氣進入鍋爐前使之成鹽,形成松散易碎的結焦；另外,結焦抑制劑還能在管壁和管束上形成一層保護膜,間接性加入后能使水冷壁上的結焦產(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焦抑制劑可以改善結焦的松散程度,有效控制結焦的產(chǎn)生,即使產(chǎn)生結焦,清理難度也大幅降低。

3.4 優(yōu)化鍋爐振打運行與吹灰

3.4.1 優(yōu)化機械振打運行

機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行方式可有效降低爐墻結焦的產(chǎn)生。按照鍋爐上升煙道、下降煙道、輻射區(qū)、對流區(qū)的結焦程度進行分組,每組10 個左右,實施自動運行與停止控制程序,每組可自主設定運行時間。振打系統(tǒng)的優(yōu)化運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,第一組管束結焦尤為嚴重,受熱面極易產(chǎn)生結焦,長時間運行的管束會被結焦粘附成一體(圖2),阻擋煙氣通道,使鍋爐運行惡化。根據(jù)劉建黨[7]的研究,在受熱面進行定期吹掃,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,該技術采用乙炔與氧氣的反應爆破產(chǎn)生的沖擊波達到吹灰的目的[8]。但是,該技術存在成本高、影響系統(tǒng)負壓的問題,公司根據(jù)鍋爐結焦情況,引進了脈沖吹灰技術,在余熱鍋爐水冷壁兩側(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 個清灰點依次進行清灰操作,每循環(huán)一次約0.5 h。

3.5 采用鍋爐噴涂技術

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

通過目前運行情況來看,噴涂區(qū)域結焦明顯減少,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)的結焦很難粘附在受熱面上,即使有少量結焦,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焦的控制有著重要意義。側吹熔煉時由爐體兩側將富氧空氣鼓入渣層使熔體產(chǎn)生激烈攪動,促進熔池反應的進行,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、風眼壓力及風眼排布等幾方面進行控制。

熔渣黏度高是導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,同時對爐料進行調整,降低Zn、MgO 等雜質含量。

過吹會導致熔體噴濺高度急劇上升,由于側吹爐是將富氧空氣直接鼓入渣層,過量的氧參與熔煉反應會發(fā)生過吹現(xiàn)象,導致渣中磁性鐵含量增高,產(chǎn)生泡沫渣,嚴重時造成噴爐事故。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,對磁性鐵進行還原。生產(chǎn)過程中可以通過經(jīng)驗積累探索較優(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,盡量避免風眼的對吹。采用合適的風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

雖然側吹爐對原料的適應性強,對原料的水分、粒度要求不嚴格,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,嚴重時堵塞下料口；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備腐蝕。但是,原料過于干燥則會增加礦粉被夾帶進入鍋爐的情況,加重結焦?？刂坪侠硭趾?既有利于延長設備使用壽命,降低燃料成本,同時又能有效控制鍋爐結焦。

3.8 控制二次風量

側吹爐生產(chǎn)中通過控制電收塵出口殘氧2.5%左右調整二次風量,通過二次風以消除和控制煙氣中的單質硫和可燃物。在二次燃燒不可避免的情況下,通過提高風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,二次風在消除單質硫和可燃物的同時,還可以形成風幕阻擋煙塵進入鍋爐后續(xù)工段,減少結焦。

4 實踐效果

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

5 結語

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