富氧顶吹镍熔炼炉余热锅炉的研究与开发

陈逢胜，王岗

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

富氧顶吹镍熔炼炉余热锅炉的研究与开发

陈逢胜，王岗

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

针对富氧顶吹浸没喷枪熔池熔炼技术首次应用于大规模镍冶炼工业化生产，研发成功了世界上首台富氧顶吹镍熔炼炉余热锅炉，该余热锅炉是目前世界上蒸发量最大的有色冶金炉余热锅炉。介绍了富氧顶吹镍熔炼炉余热锅炉的性能参数、结构特点、创新性、先进性、运行情况和运行效益，指出了其在余热回收领域的重要意义和应用前景。

镍熔炼;顶吹炉;余热锅炉;蒸发量;创新

1 前言

金川集团有限公司原采用镍闪速炉熔炼技术为主进行镍冶炼［1］。为了进一步扩大生产规模，增强对原料的适应能力，提升镍冶炼的技术和装备水平，金川集团有限公司决定采用由金川集团有限公司、澳大利亚澳斯麦特公司和中国恩菲工程技术有限公司联合开发的JAE富氧顶吹浸没喷枪熔池熔炼技术新建一套镍冶炼系统，这是JAE富氧顶吹浸没喷枪熔池熔炼技术首次应用于大规模镍冶炼工业化生产。作为该项目中最为关键的设备之一，富氧顶吹镍熔炼炉余热锅炉系统由中国恩菲工程技术有限公司总承包。

随着有色冶炼技术的发展，近几年来采用顶吹炉作为熔炼炉和吹炼炉的应用越来越多。在冶金炉后设置余热锅炉，通过高温烟气与余热锅炉受热面之间的热交换使烟气冷却，同时利用烟气冷却过程中放出的热量生产蒸汽，不仅可以有效地冷却冶炼烟气，减少污染，满足后续烟气除尘和制酸工艺的要求，确保冶炼工艺的安全生产，而且可以充分回收烟气余热，节约燃料，降低冶炼能耗，提高整个工艺过程的经济性［2］。顶吹炉后面设置的顶吹炉余热锅炉则是顶吹冶炼过程中必须的一个关键设备，余热锅炉运行的稳定直接关系到整个冶炼工艺生产。

2 余热锅炉参数和结构

2.1 余热锅炉设计参数

金川富氧顶吹镍熔炼炉余热锅炉的设计是基于以下烟气条件进行的:

余热锅炉入口烟气量:117678Nm3/h(正常)，

130000 Nm3/h(最大);

余热锅炉入口烟气温度:1380±50℃;

余热锅炉入口烟气成份(Vol.%):

CO217.87，SO30.13，SO215.81，H2O22.55，O23.37，N240.27;

余热锅炉入口烟气含尘量:37.95g/Nm3;

余热锅炉工作压力:4.6MPa;

余热锅炉工作温度:260℃;

余热锅炉蒸发量:96t/h(正常)，105t/h(最大);

余热锅炉排烟温度:341℃(正常)，348℃(最大)。

2.2 余热锅炉结构

本余热锅炉采用直通式强制循环锅炉，由熔炼炉炉盖、上升烟道、下降烟道和水平布置的对流区四部分组成。熔炼炉炉盖、上升烟道、下降烟道和对流区外墙均由膜式水冷壁组成。余热锅炉结构示意图如下:

图1 余热锅炉结构示意图

上升烟道尺寸为3020×5060mm，高约37m。上升烟道下部采用单独受热面称水冷屏，水冷屏高度约为0.48m，水冷屏与上升烟道上部采用耐高温柔性膨胀节连接。

下降烟道尺寸为4100×5060mm，高约40m。上升烟道和下降烟道之间为过渡区，过渡区顶部设置1个防爆门，防爆门外部设防护烟罩和烟道，烟道接至安全地点。下降烟道前墙与上升烟道后墙连接处采用倾斜结构，与水平面的倾角为65°，以减轻烟灰的粘结。

对流区宽为4480mm，直段高为7050mm，长度约40m。对流区内部布置1块烟气挡板和8组对流管束，并预留1组管束的位置。8组对流管束中有2组屏式结构的管束，6组为顺列结构的管束。

熔炼炉和水冷屏之间设置烟气闸板，烟气闸板由钢结构框架和耐火浇注料组成，上升烟道两侧设置导轨，烟气闸板沿导轨滑动，正常运行时，烟气闸板放在炉外。

在余热锅炉的下列部位设置柔性膨胀节，水冷屏与熔炼炉炉盖接口、下降烟道与对流区接口、余热锅炉出口。膨胀节的作用是补偿两部分之间的不同方向的热膨胀，防止外部空气或内部烟气的泄漏，避免锅炉受热面的腐蚀，改善操作环境。

余热锅炉垂直烟道采用悬吊结构，上升烟道和下降烟道作为一个整体悬吊于厂房钢结构68.0m层横梁上。对流区作为一个整体通过箱形梁支撑在对流区钢结构柱侧。下降烟道和对流区两部分之间留有膨胀缝。

余热锅炉炉体采用热膨胀导向装置。清灰采用弹簧锤清灰装置，共设置了123组弹簧锤。

余热锅炉灰斗下部设置刮板除灰机，刮板除灰机将锅炉灰斗的烟灰运出炉外，通过灰管进入电收尘烟灰输送系统。下降烟道下部设灰斗，灰斗上设置格栅，以免大块积灰直接进入烟道卡死，大块积灰由人工从灰斗人孔门清出。

3 余热锅炉的创新性、先进性

该余热锅炉是世界上首台富氧顶吹镍熔炼炉余热锅炉，也是目前世界上蒸发量最大的有色冶金炉余热锅炉，具有入炉烟气量大，烟气温度高，运行工况变化频繁，热负荷波动大等特点。

成功解决了余热锅炉大面积受热面的热膨胀及结构稳定性问题［3］，在烟气量和炉膛负压剧烈波动的工况下，余热锅炉炉体结构没有明显的振动或摇摆。

实现了余热锅炉关键受热部件的结构创新。全新的膜式壁结构熔炼炉炉盖成功解决了浇筑料易脱落问题，并保护了炉盖管子不被磨损和侵蚀;水冷屏和进口密封装置采用的独特设计，实现了炉外清理水冷屏内部结焦，并能在澳斯麦特炉热态下方便地提升水冷屏以插入烟气闸板。改进了防爆门装置，大大降低了防爆门上产生结焦的风险，提高了锅炉运行的安全性。通过优化余热锅炉结构，同时采用先进可靠的清灰装置，及时在线清理余热锅炉各受热面的积灰和结焦，成功地解决了余热锅炉普遍存在的烟尘粘结和结渣问题［4-5］，提高了受热面的换热效率。余热锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的复杂控制对象［6］。针对富氧顶吹镍熔炼炉快速投料和停料的特点，余热锅炉采用强制循环，在负荷剧烈波动的工况下余热锅炉仍具有良好的水循环特性，未发生水循环停滞、倒流等情况，从而使余热锅炉可以快速启动，能适应负荷的波动，提高了余热锅炉的可靠性。

改进了供电电源的配置。根据现场的供电情况，采用3回路电源，确保了供电的可靠性。3回路电源的切换采用计算机自动控制，其转换时间控制在30s以内。另外还设置了蒸汽驱动泵，既节约了能源，又起到了保安的作用。

改进了锅炉参数检测和控制系统。对给水泵进水总管、除氧器除盐水水质电导率等多项参数实现了在线检测，迅速及时地监测锅炉的运行状况;锅炉控制除了与本身的检测系统融合在一起，同时与冶炼的工艺控制系统进行连锁，使两个系统紧密地结合到一起，当冶炼工艺参数超过余热锅炉承受范围时，连锁装置发生作用，切断冶炼工艺的加料和供风，大大地提高了整个生产系统的控制水平。

4 余热锅炉运行情况

金川公司富氧顶吹镍熔炼工程是目前全球最大的富氧顶吹镍熔炼项目，项目投资22亿元，设计年处理镍精矿100万t，每年新增镍冶炼能力高镍锍含镍量6万t。镍熔炼炉内径Ø5.0m，炉内高16.5m，是目前世界上直径最大，炉膛高度最高的顶吹熔炼炉，它处理的镍精矿氧化镁含量较高，熔炼温度要比铜精矿高150～200℃，这就使富氧顶吹镍熔炼炉余热锅炉具有入炉烟气量大，烟气温度高的特点。该余热锅炉设计烟气量为117678m3/h，最大烟气量130000m3/h，入口烟气温度1380±50℃，设计蒸发量为93t/h，最大蒸发量105t/h，余热锅炉出口烟气温度350±30℃。试生产阶段发现实际进入余热锅炉的烟气量远远大于设计时预测的入炉烟气量，余热锅炉蒸发量经常超过设计最大蒸发量，因此对余热锅炉的水循环系统进行了适当调整，使余热锅炉的最大蒸发量达到160t/h。目前实际生产过程中，余热锅炉平均蒸发量约为126t/h，余热锅炉出口烟气温度320～360℃。

该项目于2006年9月30日开工建设，于2008年10月20日正式投产运行，经过近一个月的投料试运行，生产能力等各项指标就基本达到并部分超过设计能力。富氧顶吹镍熔炼余热锅炉经历了大负荷、JAE炉系统反复调整的复杂工况的考验，余热锅炉以其良好的工况适应性，各项技术指标均达到规定的性能指标，完全满足富氧顶吹炉生产工艺要求。以余热锅炉实际运行数据为计算依据，余热锅炉平均蒸发量为126t/h，年产汽量:997920t，年回收余热折合标准煤9.2万t。为后续烟气收尘和烟气制酸创造了较好的条件，同时回收了大量的冶炼烟气余热，提高了整个冶炼工艺生产的经济性。

5 结束语

富氧顶吹镍熔炼炉余热锅炉的研制成功，解决了同类型余热锅炉设计中所面临的许多技术问题，进行了大量的技术创新，保证了整个项目的顺利投产并达产，为业主创造了很好的经济效益，为冶炼厂真正实现节能减排创造了条件，也为有色冶金行业余热回收技术的发展做出了巨大贡献，在业内产生了深远的影响，具有重大的意义。

该项目的研究内容处于余热回收技术发展的前沿，其成果达到国际先进水平，在我国有色冶炼余热回收领域具有很好的市场前景和极大的推广价值。

［1］王伟，李光.金川镍闪速熔炼炉现状及前景展望［J］.有色金属(冶炼部分)，2003(1):2-5.

［2］阮建国，曾达云，宋冬根.大型铜冶炼厂烟气余热回收及热电联产［J］.有色冶金设计与研究，1994(4):27-34.

［3］陆树友.金昌冶炼厂澳斯麦特炉余热锅炉的设计特点与运行效果［J］.中国有色冶金，2004(6):38-39.

［4］北京有色冶金设计院.余热锅炉设计与运行［M］.北京:冶金工业出版社，198246-52.

［5］杨毓和.控制艾萨炉余热锅炉结渣探讨［J］.中国有色冶金，2007(5):19-22.

［6］余以慧.过程控制［M］.北京:清华大学出版社，1998:112-119.

Research and Development of Waste heat boiler for Oxygen-enriched Top-blast Nickel Smelting Furnace

CHEN Feng-sheng，WANG gang

(China ENFI Engineering Crop.，Beijing 100038，China)

When the oxygen-enriched top-blast submerged-lance melting-bath smelting technology first applying in the large -scale nickel refining commercial progress，the first waste heat boiler(WHB)for oxygen-enriched top-blast nickel smelting furnace is researched and developed in the world.The evaporating capacity of the WHB is the largest in WHBs for nonferrous metallurgy furnace in the world.The performance parameter，structure feature，innovation，advancement，operating status and operating efficiency are introduced in this article.Meanwhile，the significance and the applying prospect in the waste heat recovery are stated here.

nickel smelting;top-blast furnace;waste heat boiler;evaporating capacity;innovation

TK229.92+9

A

1009-3842(2011)06-0038-03

2011-09-26

陈逢胜(1976-)，男，湖南浏阳人，工学硕士，工程师，主要从事余热锅炉的设计和研究工作。E-mail:chenfs@enfi.com.cn