闪速炉余热锅炉常见损伤机理及关键技术

供稿|张伟旗 / ZHANG Wei-qi

能源短缺是全球始终面临的严峻挑战，余热回收技术则是节约能源和提高能源利用率的重要手段。目前，铜冶炼厂多使用闪速炉、转炉、阳极炉、倾动炉等冶金炉，余热锅炉与熔炼炉及电收尘器一起，并称为现代化冶炼厂不可或缺的三大设备。而某冶炼厂于1982年从日本川崎重工率先引进我国最大的BL-W77型强制循环闪速炉余热锅炉(简称FFB)，其一直与主工艺流程相伴而生，是闪速炉（简称FF炉）相配套的核心设备之一，FF炉排烟中所含烟尘的40%左右通过FFB时受重力作用而沉降下来[1]。

该厂经几期扩建挖潜及“四高”熔炼技术的运用，1#FF炉产能达30万t/a，但铜精矿原料复杂多变，FFB热负荷已远超原设计水平，烟气含尘多、黏结严重、易垮塌且难预测，被迫低负荷生产，甚至停炉“爆破”清灰，严重影响铜酸系统满负荷作业，检修成本高，成为生产技术“瓶颈”。该厂依靠“立体化节能法”即意识超前、技术进步、项目节能三把“金钥匙”，针对其常见损伤机理和关键技术研究，终在长期困扰闪速熔炼主工艺生产的烟尘黏结、低温腐蚀及受热面磨损等世界性难题方面取得重大突破。

关键技术

主要原理

FFB处于闪速炉和电收尘之间，是闪速炉的“咽喉”设备，其运行的好坏，极其关键。其主要功用是：满足FF炉“四高”熔炼技术，使高温烟气降温，捕集部分高温烟尘，便于回收二次能源和贵重金属，减少烟气含尘量，为电收尘及制酸工艺创造有利条件；防止烟气漏入空气，外部空气使CO烧损；利用FF炉的高温烟气、化学反应、可燃废气及高温产品等余热，回收二次能源，通过与锅炉冷却水进行热交换产生蒸汽，作为供热、汽、电和动力的辅助能源，可满足下道工序需求，极大地提高热能的总循环利用率，既节能降耗，又经济环保。

改进后的FFB选用水平直通悬挂、膜式水冷壁及强制循环式。其主要由锅炉本体、水汽烟风燃料管道及附属设备、测量仪表、锅炉附属机械等部分构成。其工艺流程是：纯水→除氧→余热锅炉→汽轮发电机组→凝结水→除氧→余热锅炉。FF炉上升烟道排出的1340℃高温烟气进入FFB，烟气分别经过辐射部、对流部冷却至700℃、350℃以下，从对流部排出，烟气中的烟尘大量沉降，再进一步由沉降室及电收尘器除尘，烟气则送硫酸车间制酸[2]，FFB烟尘经破碎后，返回FF炉；利用回收FF炉、贫化电炉高温烟气余热，生产饱和蒸汽，由汽轮机组、发电机组抽汽供热、电联产。

核心技术

该厂FFB的设计和运行条件与三期、一期相比，变化很大，而FFB的先进性和可靠性将直接影响到闪速熔炼系统的技术水平和经济效益，为与现有阴极铜产能120万t/a相匹配，必须适应FF炉“四高”即“高投料量、高富氧浓度、高热强度、高冰铜品位”熔炼技术在熔炼过程中工艺控制的生产需求，其结构选型必须根据其烟气的性质、入口位置、布置型式及清灰方式等来进行综合考量。其关键核心技术是：自主创新设计耐低温腐蚀、耐黏结冶炼烟气、耐飞灰磨损的余热锅炉及运行优化。

性能特点

工况要求

FFB的使用工况十分恶劣。其入口烟气温度高，要求耐高温、高压、大的热流强度，以保证其连续、稳定、安全地运行，因而对高温工艺烟气的温度和冷却速率的控制要求极其严格；烟气含尘量大，且内含黏结性极强的金属，腐蚀性气体SO2、CO2、H2O及O2等浓度高，一旦处理不当，会产生低温腐蚀，特别是SO2波动大，易结露形成SO32-、SO42-，应侧重于易清灰，以防积灰堵塞、腐蚀及磨损；其所处理的高温烟气多含硫化物，反应性强，会与漏入的空气发生“二次燃烧”，易黏结于锅炉冷却管群、灰斗和刮板上，必须常除灰和定期停炉清扫。

主要性能

热负荷不稳定：因受生产工艺、生产周期等因素影响，生产过程中的余热随之变化而变化，如FF炉高温烟气余热回收的烟气量，随投料量的变化而变化，即便生产工艺是连续稳定的，但进入FFB的烟气量和烟气温度却是持续波动的；而高温产品和高温炉渣，可利用资源则是间断性的。

烟气强腐蚀性：因铜冶炼生产过程的特殊性，大多数冶金炉烟气具有强烈的腐蚀性气相，大量SO2等腐蚀性气体、烟尘及内含各种金属或非金属元素的炉渣，易导致FFB产生低温腐蚀等。强腐蚀性等因素常使设备受到危害，甚至导致整个系统停产。

烟尘物化反应：冶金炉烟气中，高温烟尘量大，其性质十分恶劣，极易导致积灰、结渣及磨损等问题。以FFB为例，烟尘发生率高是闪速熔炼的主要特点之一，通常随烟气带走的烟尘量约为投料量的5%～10%，FF炉投产初期则更高；烟气中含高温熔融状态烟尘约251 g/m3，遇水冷壁极易产生结渣、磨损及堵塞，严重影响FFB的正常运行，安全隐患较大。

安装场地受限：因工艺流程不同，FFB在露天布置等位置不尽相同，一些与FFB相连接的设备，由于受烟气温度等性质所限，特别是厂区余热系统蒸汽管网总体设计时，必须统筹考虑，严格加以控制。

损伤形成机理

积灰损伤

◆ 机理研究

积灰按其特性可分为：黏结性、黏附性及松散性。通过对灰分和结垢物能量频谱研究、组分研究及电镜研究等，积灰主成分是重油燃烧后烟气中的灰分物质，主要有：磁铁矿、磁黄铁矿、铜硫化物、金属铜、硅酸盐类矿物及玻璃体等，硅酸盐类矿物以铁橄榄石和辉石类为主。积灰的形成过程极其复杂，涉及物理、化学及烟气动力学过程，至今尚无定论。而黏结性损伤形成机理极为复杂，它根据所处区域温度的不同而不同：

高温区域烟尘处于熔融、半熔融状态，其所生成的是黏结性积灰。主因是入口烟气温度高，含尘量大，烟尘以熔融、半熔融状态存在，黏结性极强的难熔金属Cu、Fe、Si、Au、Ag、Ni等及其化合物，主要在该高温区凝固并沉积下来；或受热面积灰所含活性固体颗粒又与烟气中金属氧化物、硫化物在高温状态结合发生二次物理化学反应，形成低熔点的共融体；或结构设计不合理，易造成受热面产生黏结性积灰。

低温区域固态烟尘颗粒一般生成黏附性积灰或松散性积灰。高温烟尘中含低熔点金属元素较多，其硫化物或氧化物大多呈气态形式，烟气温度降至其熔点时，呈黏附性较强的熔融状态形式，一旦接触受热壁面，易产生黏附性积灰；或锅炉低负荷运行时，会加速低温黏结灰尘厚度的增长速度，扩大低温黏结灰的范围。而松散性积灰是指＜200μm烟尘粒子受静电引力或分子引力作用，附着于管壁上，使壁面导热率大为降低，恶化了传热效果，但在管束上沉积厚时仍呈松散状态，易用机械清灰法去除。

◆ 积灰的危害

受热面的积灰或结渣，恶化了热量的传导，热效率低下，致使受热面受力不均匀，将会引起内应力作用剧增，长期作用下易导致产生金属疲劳现象，甚至爆管；特别是，黏结性积灰，强度大且难清除，烟气阻力大，甚至会完全堵塞烟道，造成被迫停炉检修；而低温腐蚀会使烟气偏流，积灰累积到一定程度时，受热面磨损增大，会产生不必要的停炉，导致经济损失巨大。因而，清除积灰对FF余热锅炉的正常运行，极其重要。

◆ 自主创新

为缓解或清除锅炉积灰、积渣，应创新设计锅炉结构并进行运行优化，如辐射部、对流部均采用全膜式水冷壁且外加护板，锅炉出口与后部烟道焊接且增设补偿装置，灰斗落灰口配置具有密封功能的埋刮板运输机，根本改善锅炉的密封和保温性；构成各烟道的膜式壁节距，应据烟温的不同合理调整，使锅炉所有膜式壁的平均壁温皆控制于适宜范围内；采用足够大的空腔辐射冷却室，能将含尘气体在冷却室出口处被冷却至尘灰凝固点温度以下[3]，使烟尘变为固体颗粒，分离沉降下来；将水冷壁转角部分优化设计为45°倒角；FFB早期多采用吹灰器或机械振打装置清除受热面沉积烟尘[4]，吹灰器孔易漏风、漏烟，可拆除部分吹灰器，优化环境；在辐射部侧壁上，将硫酸盐化喷嘴管周围炉管由原水平设计改为突起设计方式，烟气冲刷骤减，可避免辐射部侧壁上硫酸盐化喷嘴管周围炉管漏水。

为使清灰装置功能发挥到极致，应创新设计新型弹簧锤振打清灰装置，如图1所示。其弹簧锤采用PLC自动控制系统，按设定周期自动运行，清灰效果好、运行可靠、动力消耗少；在优化振打布置上，采用带有该装置的对流管束，替代原设计的凝渣管屏和对流管束，且在辐射冷却室中设置2组辐射管屏，将辐射室出口烟温降至720℃；在辐射部共设49台，对流部共40台，可清除水冷壁、管壁和管束等部位黏结烟尘；在辐射部两侧墙和前墙上，新增设6台，且调整部分弹簧锤至适宜安装位置，不留清灰“死角”；在对流部入口斜坡处，新增设2台，避免对流部入口、沉降室等位置烟尘堆积，特别是可防止后移烟尘的堆积；在水冷壁上，可直接焊接振打杆，以增大弹簧锤的振打力度及有效面积；在炉口管理上，在确保冰铜、炉渣流动性良好的前提下，应采取偏低控制烟气温度法，加强对SO3发生率高的辐射部振打和吹灰，降低辐射部出口排烟温度。

图1 新型弹性锤击式振打清灰装置

为优化烟气动力学过程的控制，可通过合理设计、布置烟气动力场，使烟气充满辐射冷却室，不产生偏流或短路，促使烟温按照设计的需求来降温，即使其使用原料变化较大、炉况不太稳定时，其辐射部和对流部均不会再出现结大块、烟尘黏结难清理等现象；可将电收尘后的部分低温烟气，导入余热锅炉入口，促使该部分烟气得以快速冷却，烟尘黏结大幅减少；为有利于该厂生态建设和产生巨大的循环经济效益，可通过优化设计再循环烟气的导入位置及方向，合理组织辐射冷却室的烟气流动，对有效地改善烟气流场及温度场效果，影响极大。

为促进烟尘发生硫酸盐化反应，降低烟尘的黏结性，促使积灰变得更松散、易清除，宜采用喷入硫酸盐化风技术和喷加焦粉法加以控制。在2#FF炉沉淀池顶，设置5根二次氧枪，鼓入硫酸盐化风，以防烟气管道上烟尘黏结；通过FF炉上升烟道，将一定数量的硫酸盐化风送入FFB；在锅炉入口处，应设置3根常氧空气的硫酸盐化喷嘴，使烟灰硫酸盐化，便于振打清理，以降低烟尘发生率；在辐射部前墙上，新增设4根硫酸盐化风管，以优化烟气的速度和方向，防止烟气向上流窜，可大幅减少拐角和顶棚处的烟气黏结；在辐射部内，悬挂有一排水冷壁挡板，可延长辐射部内烟气的滞留时间，冷却效率高，对烟尘的硫酸盐化反应极为有利；将辐射部出口烟气温度控制于760℃左右，使进入对流部的烟尘主要以质地疏松的硫酸盐类形式沉积于管壁上。

腐蚀损伤

◆ 机理研究

腐蚀损伤形式可分为低温腐蚀和高温腐蚀。据相关资料统计: 因腐蚀性气体SO2、CO2、H2O及O2等浓度高，若处理不当，余热锅炉平均运行维护周期仅为3年，其中80%设备故障是由受热面材料腐蚀引起的。

低温腐蚀主要指硫酸腐蚀。铜冶炼余热锅炉腐蚀大多属于该类腐蚀。锅炉受热面壁温低于所生成的硫酸露点时，硫酸易在管壁凝结产生腐蚀。其影响因素主要有：烟气中SO2含量高且波动大、SO3的转化率、空气漏入量、金属壁温及催化剂作用等，如硫的氧化物、硫酸盐络化物等，易在短时间内腐蚀、破坏锅炉受热面，使受热面积灰，导致表面凹凸不平，硫酸结露的接触表面积增大，增加硫酸结露的核心，会加速低温腐蚀。

高温腐蚀可分为硫化物腐蚀、焦硫酸型腐蚀及氯化物腐蚀。主要指烟气与锅炉水冷壁、过热器等高温区受热面发生复杂的物理化学反应产生的腐蚀。水冷壁面初始沉积的钾、钠等元素及水冷壁处还原性气氛高温条件下，会促进高温腐蚀发生；烟气中含钒、钠等，600～650℃以上高温金属表面及烟气中HCl气体及灰分NaCl、KCl、Na2SO4等共熔物在超过350～400℃金属表面腐蚀，在铜冶炼余热锅炉中几乎不存在，勿需研究。

◆ 腐蚀的危害

低温腐蚀特性呈均匀性，且速度相当惊人。易导致管壁厚度锐减，甚至产生破裂、穿孔，大量空气漏至烟气中，致使送风不足，炉内燃烧恶化，锅炉效率低下；同时，腐蚀会加重堵灰现象，导致烟道阻力增大，后果不堪设想，严重影响锅炉的经济运行。

高温腐蚀特性呈局部深陷、溃疡型。极易导致管子因管壁穿孔而破坏。为防止锅炉高温腐蚀，对烟尘易黏结的余热锅炉，应尽量不设置过热器，可通过采用控制炉内金属温度、保持受热面清洁等措施来解决，且FF余热锅炉所选择主汽参数对应的饱和温度不高，各膜式壁节距不大，整个膜式壁的平均温度并不高。因而，高温腐蚀现象极少。

◆ 自主创新

低温腐蚀与低温区积灰同时进行、同时存在、互为因果、互相影响，低温结露腐蚀在先，尾部积灰在后。低温结露造成局部腐蚀，降低了尾部受热面的壁温，导致低温烟灰沉积、黏附于受热面上，反过来又影响和加剧腐蚀。应坚持创新设计及优化，在炉体结构上，采用直通烟道，硫酸蒸汽不易与积灰形成硫酸盐且管壁不易结露，表面光滑无腐蚀核心，腐蚀速度小，同时应保证炉墙良好的密封，控制好出口烟温；在炉管形式选择上，条件许可时，应对新换冷却水管进行正反耐腐、耐磨的热喷涂实验，以提高耐腐、耐磨能力；在锅炉受热面布置上，安装弹性锤振打清灰装置，减少积灰，改进燃烧设备，改善雾化效果，减少过剩空气系数及机械不完全燃烧产物，优化燃烧工艺，加强配风调节，强化燃烧，缩小低温腐蚀区域；在各分配联箱上，专门设置调节孔板且采用较高的水循环倍率，使锅炉各换热面温度均匀，可防局部过热、欠热而造成局部低温腐蚀。

在优化运行控制上，必须严格控制锅炉运行负荷，减少低负荷运行时间，降低烟气的含氧量，减少SO3的转化率；在燃料材质上，设法降低燃料油中的硫含量，增加必要的脱硫措施；在烟气在线监控上，建立氧气研究系统即QT系列风炮式反吹扫烟气在线监测研究系统，即在锅炉和电收尘出口处设置烟气中O2浓度监控点，控制硫酸盐化反应[5]。实践经验证明，唯有合理控制余热锅炉运行压力，提高受热面壁温，使锅炉出口烟气温度始终高于硫酸蒸汽露点温度30℃以上，才是防止低温腐蚀的根本措施。

磨损损伤

◆ 机理研究

烟气中的飞灰对受热面的磨损过程是，高温烟气携带有一定棱角的金属颗粒和未完全燃烧的燃料颗粒，飞灰通过受热面时，会以较高速度冲击、磨损受热壁面，飞灰每次撞击受热面，皆会剥离掉极微小的金属屑，致使受热面管壁磨损而逐渐变薄。飞灰的自身性质如：形状越不规则、直径越大、硬度越高等，磨损则越严重，特别是处于低温区的飞灰硬度越高，磨损越大。

磨损损伤形式可分为：撞击磨损、刮痕磨损、擦动或滚动磨损。撞击磨损由灰粒对受热面法线方向的垂直撞击力引起，摩擦磨损由灰粒对受热面切线方向的切向分力引起，当灰粒斜向撞击受热面时，管子表面同时受到撞击磨损和摩擦磨损，而灰粒对受热面的撞击角度，决定着两者的大小。FF余热锅炉运行过程中，烟道截面不同部位、受热面及沿管子周界的磨损极不均匀，因而，严重磨损通常发生于某些特定的部位，往往是由以上几种磨损方式有机组合而成，或是由其中一种引起另外两种方式的磨损。

◆ 磨损的危害

烟气的流速对受热面的磨损影响极大。流速愈高，飞灰对管壁的撞击力则愈大；飞灰浓度愈大，即烟气携带的烟尘愈多，撞击次数愈多，皆会加剧受热面的磨损，特别是在锅炉转弯烟道处，管子磨损最为严重，易造成受热面管子损坏，强度降低，导致泄漏；飞灰浓度不变时，飞灰流速的一次方与冲击次数成正比，飞灰流速的二次方与动能成正比，而飞灰流速的三次方则与管壁的磨损量成正比。飞灰磨损严重影响锅炉的安全高效运行，而修复或更换磨损部件，停炉检修周期长，耗费钢材量大，维修成本高。

◆ 自主创新

锅炉运行过程中，大量的高速烟气流不断冲撞受热面管壁，为防止积灰、堵塞及飞灰磨损损伤受热面，在锅炉选型上，应侧重于易清灰，宜选用水平直通烟道式悬挂炉型，烟气流畅，利于振打，使炉内烟气流动平稳、均匀且流速控制于5m/s以内；在优化结构设计上，水冷壁前5m采用Ω管，后为膜式水冷壁，对流部入口设凝渣屏，可有效改善对流部磨损；考虑到烟气横向冲刷时，错列管束比顺列管束磨损更大，应合理设计受热面管卡，以避免管壁与管壁之间及烟气涡流磨损等；若烟道轻微磨损时，应先作补焊处理，再探析原因；磨损面积大且相当严重时，应作换管处理；而在改善烟气流场上，可通过合理组织烟气流动、降低烟气流速，飞灰磨损即可得到有效的遏制。

结语

市场是企业的生命线，是企业的出发点和归宿，市场竞争归根到底取决于产品的质量和价格，而最终则取决于技术。该厂凭借出色的技术创新与自主研发能力，阴极铜产能已突破120万t/a大关，确保了FFB的“安、稳、长、满、优”运行，实现了低投入、高产出、低消耗、少排放、能循环及可持续发展，其技术经济效益十分显著。目前，余热锅炉正朝着大型化、高参数的方向发展，针对其损伤机理及关键核心技术研究，对今后相似行业余热锅炉的设计及应用，皆具有重大的示范引领、借鉴作用及现实启发意义，该厂技术创新水平及制造能力已在国内领先，部分技术国际领先。

[1]张伟旗，蔡龙生.闪速炉技术装备创新及常见设备故障的控制.中国有色冶金，2012,41（2）：11, 30-33.

[2]余齐汉. 贵冶2#闪速炉工艺过程及试生产实践. 有色金属（冶炼部分），2009（2）：21-24.

[3]何海泉. 含尘气体余热利用装置清灰的探讨. 冶金能源，2002(5)：43-49.

[4]王岗，劳学竞，德强. 贵溪冶炼厂闪速炉余热锅炉改造. 有色金属（冶炼部分），2005(1):11-14.

[5]钟福长，李奉标，王伟，等. 闪速炉余热锅炉烟气在线监测研究系统. 有色冶金设计与研究，2011，32（4-5）：97-99.