闪速炉余热锅炉工艺装备设计创新及运行优化

供稿|张伟旗/ ZHANG Wei-qi

某冶炼厂于1982年从日本川崎重工率先引进BLW77型强制循环闪速炉余热锅炉(简称FFB)。多年来，该厂通过不断的消化吸收、跟踪发展和自主创新突破，已建成集环保、节能、高效于一体的国内外规模最大、技术最先进的闪速炼铜企业。而FFB一直与主工艺流程相伴而生，是闪速炉(简称FF炉)生产过程中的关键设备之一，其运行状况直接影响到FF炉的正常运行，FF炉排烟中所含烟尘的40%左右在通过FFB时受重力作用而沉降下来[1]。勿容置疑，其作用不可替代，且举足轻重。

对铜冶炼工业而言，闪速熔炼工艺无疑是一次大革命。该厂虽历经数次技改工程挖潜，富氧量和装入量大幅提高，1#FF炉产能达30万t/a。但随着产能的不断攀升及铜精矿杂质含量的不断变化，FFB运行工况与原设计相比变化很大，其烟气条件及运行参数变化大，热负荷已远超原设计水平，烟气含尘量陡增，烟尘粘结严重、易垮塌且难以预测，只能低负荷生产，甚至被迫停炉“爆破”清灰，严重干扰主工艺生产的顺行，对安全生产威胁大，经济损失巨大，因而成为制约该类生产线的技术“瓶颈”和核心问题。

FF余热锅炉技术发展现状及分析

余热资源的利用方式随着热源形态即固态、液态和气态的不同与温度水平的不同而有所不同。而工业余热资源利用，按用途主要分为：余热制冷制热法、热功转换法及热交换法。其中，制冷制热法由吸收式制冷机组和热泵来回收余热；热功转换法是传统的以水为工质的蒸汽透平发电方法及以低沸点工质的有机工质的发电方法，如余热锅炉、蒸汽透平或膨胀机组成低温汽轮机发电系统；而热功转换法通过换热设备直接将能源传递给自身工艺的耗能流程，降低一次能源消耗，效率高、最直接、最经济[2]。

然而，余热回收最青睐余热锅炉。FFB是处于FF炉与电收尘之间的“咽喉”设备，其运行状况的好坏，极其关键。实践证明，只要合理控制FFB运行压力，保证其壁温始终高于烟气露点温度，低温腐蚀问题不难解决；受热面磨损损伤，可通过合理组织烟气流动、降低烟气流速，得到有效的遏制；由于振打装置难以清除越积越大的粘结烟尘，因而成为FFB设计创新中的重中之重。

FFB关键技术和设计参数及条件

技术原理及核心技术

FFB采用强制循环方式，利用回收闪速炉、贫化电炉产生的高温烟气余热，生产中压饱和蒸汽，配套饱和蒸汽汽轮机组、发电机组抽汽供热，以实现供热、电联产，其重油燃烧释放热量及余热蒸汽的利用率极高，完全能适应 FF炉“四高”即“高投料量、高富氧浓度、高热强度、高冰铜品位”熔炼技术的生产需求。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。其关键核心技术是：持续工艺技术装备创新，设计耐低温腐蚀、粘结性冶炼烟气的余热锅炉并运行优化。

设计参数及烟气条件

FFB的工作条件主要包括：负荷种类、应力状态、加载速度、工作温度、接触介质、摩擦条件、化学环境等；其零件材质和工艺因素主要包括：化学成分、冶金质量、组织状态和残余应力等。其主要设计参数为：最大烟气量55000 Nm3/h；入口烟温1340 ℃；出口烟温360 ℃；蒸发量47.0 t/h；蒸汽温度259 ℃；给水温度104 ℃；锅炉压力5.1 MPa(g)，运行压力4.5 MPa(g)；循环水流量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；连续排污额定(若要求水量满)2%～4%；烟气阻力300 Pa。其入口烟气条件为：烟气量38577 Nm3/h；烟温1340 ℃；烟气成分(SO233.5%、CO23.57%、H2O 6.10%、O21.73%、N253.10%；烟气含尘量144.45 g/Nm3；炉口辐射热6410 MJ/h。

热工平衡及能力验算

据FFB设计条件，其吹灰喷射空气、锅炉漏风及密封空气分别为6000 m3/h、4000 m3/h、3600 m3/h，因FF炉烟气量＜设计值，烟气成分的变化使其热负荷≥原设计水平，结合一期、三期运行工况进行热平衡验算，其蒸发量为51.9＜56～60 t/h实际值；其入口烟气温度≈设计值，因FF炉漏风、烟气成分变化不大，其入口烟气量＞设计值，FF炉满负荷生产时应达66000～68000 m3/h；若按烟气成分设计值再次核算，三期技改工程完工后，FFB实际工况条件下的受热面积足够，但随着烟气条件的变化，辐射室出口烟气温度陡升，烟气含尘量倍增，FFB对流部入口烟尘粘结的危险性变大，安全生产隐患大。

工艺装备设计创新及其运行优化

空腔辐射冷却室设计创新优化

为有效地防止产生烟气粘结现象，FFB结构设计应采用空间足够大的“空腔辐射冷却室”，以快速将高温烟气冷却至烟尘粘结温度以下，从而能迅速将烟尘变为固体颗粒而分离沉降下来，并进行运行优化。

辐射部水冷壁设计创新及优化

新设计辐射部水冷壁前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；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；而将水冷壁转角部分优化设计成45°倒角，则更有利于防止烟尘在该转角处粘结。

原设计辐射部水冷壁背撑梁为框架式，弹簧锤振打只能装在大背撑梁上，弹簧锤受设计所限，难以发挥原有功能，辐射部入口顶棚和拐角处大量烟灰易粘结成超大块，甚至累积至上百吨，一旦大块脱落，势必砸坏锅炉水冷壁管，停炉检修时间长，损失巨大，宜将两侧墙前5 m框架式大背撑梁改为小梁；为优化环境，减少吹灰器孔的漏风、漏烟，可拆除部分吹灰器；为增加弹簧锤振打的力度及有效面积，大幅降低烟尘的粘结，可将振打杆直接焊接在水冷壁上；为不留“死角”，可调整部分弹簧锤至适宜的安装位置，且在辐射部两侧墙和前墙，新增设6台弹簧锤振打，以使其清灰作用发挥到极致。

辐射部侧壁炉管设计创新优化

因原设计不合理及烟气冲刷，FFB辐射部侧壁上硫酸盐化喷嘴管周围的炉管易漏水，导致FF炉被迫停炉检修，损失极其严重，可对辐射部侧壁上硫酸盐化喷嘴管周围的炉管进行设计创新，由原水平设计改为突起设计方式，烟气冲刷则骤减。

烟气动力场组织设计创新优化

为防止严重积灰，应从烟气动力场组织的角度出发，统筹考虑，可通过烟气动力场合理的设计、布置，使烟气充满辐射冷却室，不发生偏流和短路，促使烟温按照设计的需求来降温，即使其炉况不太稳定、使用原料变化较大时，其辐射部和对流部均不会再出现结大块、烟尘粘结难清理等现象。

辐射部出口烟温控制设计优化

根据FFB内硫氧化物的分压和氧分压，硫酸盐生成温度一般约700 ℃，新设计将FFB辐射部出口的烟气温度控制于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在管壁上，便于清理；在辐射部出口处，可增设隔栅型挡板，以便均匀地分布对流区入口烟气的流量。

对流管束结构设计创新及优化

原设计对流部通常积灰多，烟尘粘结严重，主要是由于烟气成分不断产生变化且含尘量高，通过FFB热力校核计算，其辐射室出口烟温陡增至约790 ℃＞770 ℃左右即检查孔所测的对流口入口处烟温，导致对流部较以前更易产生烟尘粘结；同时，原对流受热面结构设计不太合理，凝渣管屏的前、中、后部设有6台吹灰器，在对流部两侧沿锅炉纵向设有2组振打锤，对于位于凝渣管屏和四组对流管束下部相连的各振打点，往往因振打力度不足，积灰严重，粘结烟尘难以及时清理，易堵塞烟道。

为克服其结构设计缺陷，新设计采用带有弹性振打清灰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约720 ℃。生产实践证明，为有效地避免FFB对流受热面的严重粘结，必须严格控制对流部入口烟温＜750 ℃，只要对流管束结构合理、振打装置有效，即便是更高的烟气温度下，烟尘粘结亦可避免。籍此，更值得锅炉设计师借鉴和加以推广。

对流部侧墙水冷壁装备设计创新

生产运行过程中，对流部侧墙水冷壁易产生晃动较大的故障，为了杜绝该故障的发生，可通过新增设限位装置，且采用钢架进行局部加固等措施来进一步强化。

烟气硫酸盐化工艺设计创新优化

烟气的成分极为复杂，其中所含金属氧化物或硫化物在烟气的冷却过程中，皆可与烟气中的SO2、O2或SO3等反应生成硫酸盐，为促进烟尘硫酸盐化反应的发生，降低烟尘的粘结性，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，即可通过FF炉上升烟道，将一定数量的硫酸盐化风送入余热锅炉；同时，在FFB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粘结。此举，对今后铜冶炼FFB及相似余热锅炉的发展及应用，颇具参考价值。

烟气在线检测分析设计创新优化

为便于清理烟气流经通道所形成的粘结物，必须在上升烟道入口和余热锅炉入口鼓入富氧或空气，使烟气中熔融的金属氧化物发生硫酸盐生成反应，该闪速熔炼的硫酸盐化技术因富氧或空气的通入，会促使烟气中SO3的浓度上升，而SO3浓度高，则对设备防腐和制酸系统等方面极为不利。因此，必须找到O2含量控制的最佳平衡点。

FFB的烟气中，除矿粉和各种金属粉末外，还含有大量腐蚀性气体SO2、CO、CO2、H2O及毒性极强的NOx气体，严重堵塞烟气输送管道和取样器，污染分析仪表，导致无法取样及进行正常的整个测量分析。对此，可通过建立氧气分析系统即QT系列风炮式反吹扫烟气在线监测分析系统，即在FFB和电收尘出口处，设置烟气中的O2浓度监测点，来监测与控制烟气中的O2含量。其主要优点是：可有效地控制硫酸盐化的反应，显著提高生产效率和产品品质，以节能降耗、降本增效及延长炉窑使用寿命。其技术难点是：样气采集、样气除尘过滤、样气除水等环节的实现及各环节设备的选取[3]。

汽包人孔密封泄漏设计创新优化

因原设计不合理及汽包人孔密封垫圈材质等问题，易导致FF炉被迫停炉检修，为有效地提高密封性能，宜设计在保证人孔内圈的同时，适当拓宽人孔外圈，避免造成巨大损失；同时应提高密封垫圈材质，确保备件制造质量，严格按技术规程装拆等。

抽汽减压装置设计创新及其优化

为充分满足动力透平发电机的生产需求，减少因蒸汽量的波动而造成的蒸汽过热器SH、再热器RH烧嘴燃烧不好，进而影响蒸汽温度的控制，应在余热系统蒸汽管网中FF炉和转炉锅炉蒸汽汇合点之后，新增设蒸汽进气压力4.5 MPa、出汽压力1.27 MPa、蒸汽流量15～20 t/h的抽汽减压装置，经减压后的蒸汽直接送入外界低压蒸汽管网。一旦蒸汽干燥机停用汽，蒸汽量变大、压力升高时，减压器则会自动打开泄压。

防局部过欠热低温腐蚀设计创新

生产实践证明，低温腐蚀已成为进一步降低FFB排烟温度和提高热效率的主要障碍。新设计采用较高的水循环倍率，且在FFB各分配联箱上，专门设置调节孔板，可使FFB各换热面的温度均匀。

弹簧锤振打装置设计创新及优化

FFB早期多采用吹灰器或机械振打装置清除受热面沉积的烟尘[4]。而新设计则采用直通烟道式悬挂结构，烟气流畅，便于振打清灰；可将原设计辐射部、对流部连杆式捶打和吹灰器全部改进为弹性锤振打清灰装置。如图1所示，为FF余热锅炉振打装置安装图。辐射部设有弹簧锤振打装置49台，对流部40台，以有效地清除粘附于水冷壁、管壁和管束等部位烟尘，烟尘由运转振打装置振落至FFB下部灰斗，再由二台刮板机输送出，最终抵烟灰仓。

图1 FF余热锅炉振打装置安装图

其弹簧振打杆上设有双片牒形弹簧，低频冲击力大时，易损坏清理处；高频冲击力小时，不能从冲击点穿透得很远，为便于清灰和防止积灰，又不致于损坏清理处，宜选用中频振动。其工作原理是：电动机通过蜗轮蜗杆减速机驱动主动链驼，再通过链条带动举锤装置机构将锤头举至设定高度，落锤装置将锤头落下击打弹簧振打杆，举锤机构随从动轮继续转动经导向复位，再次举锤实施第二次振打，如此循环周而复始。其主要优点是：可通过调整弹簧锤锤打的时间与周期，清灰效果极其出色，平时故障少且易判断，维修工作量小，节能效果甚佳。

刮板运输机断链保护设计创新

运输机链条使用过程中，常出现卡死或断裂现象。链条卡死时，若不能及时停止，易导致链条拉断或电机烧毁；一旦链条断裂后，电机仍在旋转，则会导致链条进一步损坏，增加检修量和检修难度。对此，可新增设速度检测装置，当链条卡死或断链时，该装置能立刻发出联锁信号及报警信号，输送机将自动停止，以防止事态进一步扩大。

防止烟尘后移堆积设计及创新

为避免对流部入口、沉降室等位置烟尘堆积，宜在对流部入口斜坡处新增设2台弹性锤振打清灰装置，可及时排除斜坡粘结烟尘，特别是能有效防止后移烟尘的堆积。

烟气再循环利用设计创新优化

新设计FFB必须充分考虑到电炉烟气量的大小，应将电收尘后的部分低温烟气导入其入口，促使该部分烟气得以快速冷却，烟尘的粘结大幅减少；而通过优化设计再循环烟气导入位置及方向，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，也有利于企业的生态建设和产生巨大的循环经济效益。

水处理净化除垢装备设计创新

为加强FFB冷却水的水质管理，考虑到受当地气候地理条件的限制，所使用冷却水为动力车间提供的纯水，若循环水处理设备维护保养不及时，导致进入FFB冷却水管的水质硬度、碱度、含盐量等时有超标现象，冷却水管内壁易产生沉积水垢，应设计新增设一套水处理净化设备用于除垢。

防止缺水或烧干装置设计创新

FFB严重缺水或烧干事故偶有发生，往往会造成炉管爆裂，水冷壁管全部或局部变形，除及时检修及更换自动给水调节器外，为以防万一，宜在锅炉工操作处，设计新增便于手动控制的给水装置。

结语

智慧是火，创新是光。科技进步和技术创新是实现工厂跨越式发展的良好手段，也是FFB赖以生存和发展的根本所在。该厂通过持续的工艺装备设计创新及运行优化，在FF炉“四高”熔炼技术强劲需求的驱动下，在引进技术与技术创新交叉融合的推动下，保障了FFB的“安、稳、长、满、优”运行，实现了与阴极铜产能超120万t/a大关相匹配，不断为FFB的发展与创新，开拓了新的理念、新的模式、新的技术及新的发展空间，其拥有的多项专利技术和关键核心技术，则提升了国内外相关锅炉行业的工艺技术装备水平，树起了新的世界级装备样板，对进一步稳固有色冶炼装备高端市场意义重大，有效地促进了我国国民经济的可持续性发展，其市场应用前景十分广阔。

[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)：30

[2] 王晓松. 闪速炉余热锅炉多场耦合数值模拟及结构优化. 长沙：中南大学，2012

[3] 钟福长，李奉彪，王伟，等. 闪速炉余热锅炉烟气在线监测分析系统—T系列风炮式反吹扫烟气在线监测分析系统.有色冶金设计与研究，2011，32(4-5)：97

[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)：1