铜富氧澳斯麦特熔炼余热锅炉的运行实践

荆巨峰

(中条山有色金属集团有限公司侯马北铜铜业公司， 山西 侯马 043000)

铜富氧澳斯麦特熔炼余热锅炉的运行实践

荆巨峰

(中条山有色金属集团有限公司侯马北铜铜业公司， 山西 侯马 043000)

介绍了铜富氧澳斯麦特熔炼过程中余热锅炉出现的一些工艺事故，并详细介绍了采取的防治措施和取得的效果，证明了余热锅炉技术管理的重要性。

铜； 澳斯麦特熔炼； 余热锅炉； 烟灰； 管理< class="emphasis_bold">[中图分类号] TF811; TK229.92

中条山有色金属集团有限公司侯马北铜铜业公司是国内较早采用澳斯麦特喷枪富氧顶吹熔炼工艺生产粗铜的有色企业，由于该技术逐步成熟，灵活性大，在此后的十几年时间里，国内多家有色企业相继采用了该技术，使得该技术已成为有色界较先进的、使用较多的技术之一，其涉足的领域有铜、铅、锡和镍等有色金属。中条山有色金属集团有限公司侯马北铜铜业公司富氧澳斯麦特熔炼配套的余热锅炉由于其本身具有高温高压、安全要求高、无备用等特点，要求连续、稳定、安全地运行，对高温工艺烟气的温度和冷却速率的控制要求非常严格。由于该工艺特有的烟气温度高、热流强度大、烟气中含水分高、烟尘容易产生粘结等特点，以及余热锅炉自身设计缺陷、熔炼炉操作、锅炉管理等方面原因，造成余热锅炉运行条件恶劣，一度余热锅炉爆管漏水事故频发及锅炉烟灰粘结现象严重，影响冶金炉安全稳定生产，致使炉作业率低、产能受限、能耗高、锅炉换热效果差、饱和蒸汽量少、电收尘入口温度高、炉口负压大、烟气逸散严重、操作环境恶劣、劳动强度大，熔炼炉被迫降低精矿处理量甚至停炉清理锅炉粘结物。处理锅炉爆管漏水造成冶金炉升温降温频繁，耐火材料寿命短，严重影响企业健康发展。本文分析探讨了形成以上问题的原因，采取的优化改造和防治措施及取得的效果。

1 余热锅炉的基本参数及结构

工艺配套的余热锅炉由中国恩菲工程技术有限公司设计，哈尔滨锅炉厂制造，中国有色第八冶金工程公司安装。设计参数：工作压力4.4 MPa、蒸发量16 t/h、锅炉入口烟温1 229 ℃、锅炉出口烟温360±20 ℃、饱和蒸汽温度253.2～257.4 ℃、锅炉烟气量27 084 m3/h、露点温度225 ℃。烟气成分：SO210.88%、SO30.22%、 H2O 18.4%。余热锅炉由垂直烟道、辐射冷却室和对流区组成。锅炉垂直烟道作为锅炉的前置受热面，入口直接与熔炼炉斜坡上升烟道连接(上升斜坡烟道内衬捣打料)。整个锅炉为全封闭膜式水冷壁，对流区内部沿烟气走向依次布置有凝渣管屏，第一、第二、第三对流管束。灰斗则采用管板式结构，灰斗设置格栅，两侧布置人孔门，兼做清灰口。锅炉的水循环方式为强制循环。余热锅炉采用吊挂结构，支吊件焊接于受热面上，整体向下，通过弹簧补偿器群限制其水平方向的移动，以免引起结构变形。各操作层侧设置水平导向支架，均布有水平载荷限位器。锅炉柱子和主梁采用焊接“H”型钢，次梁和斜梁均采用型钢结构。锅炉保温材料采用复合硅酸盐毡，保温层由瓜钉和自锁垫片及支撑框架固定，外层采用波形铝合金板。

2 余热锅炉运行过程中存在的问题

在公司最初投产的几年时间内，余热锅炉故障率较高，暴露出许多不适应性，导致炉子作业率低、各项经济技术指标不达标、生产成本高，不但制约企业健康发展，而且给冶金炉的运行带来了较大的安全隐患。在运行过程中，余热锅炉主要暴露出以下两方面的问题。

2.1 余热锅炉爆管漏水事故

据统计，在公司最初投产的几年内，熔炼炉锅炉共发生爆管漏水事故20余次，由于受厂房位置的限制，更增加了锅炉爆管事故处理的难度和进度。每次处理锅炉爆管到熔炼炉恢复正常生产，需进行熔炼炉放空熔体、锅炉按工艺要求降温降压、人工检查漏点位置、锅炉排水、漏点焊补、锅炉上水、锅炉试压、熔炼炉及锅炉升温升压、熔化熔池投料等，其过程繁琐、技术要求高、作业环境差、劳动强度大、安全隐患多。通常每次处理锅炉爆管漏水，熔炼炉需停产约50 h以上，占所有影响生产因素的60%以上，熔炼炉作业率低于93%(大修除外)。爆管区域主要集中在锅炉垂直烟道及对流区与灰斗拐角处。

2.2 锅炉结渣及烟灰粘结严重

严重时烟灰在对流区凝渣管束、对流管束搭桥堆积粘连成一个整体，造成锅炉换热效果差、饱和蒸汽产出量低、电收尘入口烟气温度高；同时由于烟气不能正常流通，造成排烟系统阻力增大、烟气不能顺畅送往制酸, 熔炼炉炉口冒烟严重、作业环境恶劣；锅炉出、入口烟气负压降增大，烟气流速增大，漏风增加，不利于烟尘的沉降，大量粘结性极强的烟灰粘结在管束及锅炉管壁上，不能掉落到刮板除渣机里，无法及时有效清理出来，在锅炉内堆积。熔炼炉被迫降低负荷生产甚至停炉进入内部人工清理。

3 原因分析

3.1 余热锅炉爆管漏水原因

工艺配套的余热锅炉与一般蒸汽锅炉不同之处是其热能吸收要靠熔炼炉的冶炼烟气来提供，所以锅炉的运行被动地受熔炼炉制约。造成锅炉爆管的原因有设计、制造、安装、使用、管理等诸多方面的原因，且由于采用的冶炼工艺、设计产能、工艺操作、配套设施各异，造成爆管的原因不尽相同，在实际生产过程中，很难从根本上得到预防和控制。但经过分析、摸索、总结，并结合发生爆管部位的实际，认为造成锅炉爆管的原因有：

(1) 锅炉垂直烟道入口处与熔炼炉斜坡上升烟道相连，烟气流速5 m/s 以上，烟气温度1 229 ℃。因此该处烟气温度是整个余热锅炉温度的最高点，同时也是整个锅炉的最高部位即循环泵压降最低点，管壁内部循环水流速下降，外部承受着携带有大量烟尘、熔渣的高温、高速烟气的剧烈磨损冲刷，且烟气在该区域有较强的涡流作用,使锅炉垂直烟道膜式水冷管壁造成热蠕变、冲刷、腐蚀而爆管。

(2) 烟气中含有SO2、SO3，在一定的条件下与烟气中的水蒸汽形成硫酸蒸汽对管壁产生腐蚀作用。

(3) 设计不合理。如锤击式机械清灰装置的基座、锅炉悬吊架直接焊接在锅炉管壁上；灰斗连接处管壁承受拉力；锅炉垂直烟道下部截面积突变造成大块结渣、烟灰块脱落砸伤管子。

(4) 熔炼炉烟气量变化；炉负压控制不合理；锅炉施工及日常出灰操作带来锅炉密封不严漏风；熔炼炉炉温、渣型、喷枪位置、熔池液面控制不合理等原因造成余热锅炉在运行中管壁产生振动，使管子产生热疲劳，应力集中处容易出现爆管。

(5) 管理制度不严格；考核制度不完善；水质处理不当；司炉人员操作不当；汽包压力、液位控制不稳定；除氧器压力、液位和温度控制不稳定；升压方式不合理；频繁打压；锅炉缺水、满水超温等引发锅炉爆管。如汽包液位过低，则破坏了锅炉的汽水自然循环，致使水冷管壁被烧坏，严重缺水时，如果司炉人员盲目进水，造成水冷管壁龟裂，使钢材温度降低，在高压蒸汽的作用下，裂纹被撕破，造成爆管事故[1]。

(6) 采取的焊补漏点临时措施不当。管壁在生产过程发生泄漏，因发生位置所限，加大了处理难度及进度，为了抢修所采取“短路” 堵管的临时措施， 虽暂时解决了泄漏, 却带来下列问题：①减小了锅炉换热面积, 提高了烟气出口温度, 降低了热效率；②“短路”被堵的水冷管与相邻管壁受热不一致,造成局部热应力增大, 易使管壁之间连接焊缝产生疲劳热裂纹, 加大了爆管漏水几率。

3.2 锅炉结渣及烟灰粘结原因

锅炉结渣主要发生在垂直烟道，烟灰粘结主要发生在对流区。结渣及烟灰粘结速度与喷枪位置、液面高低、风量大小、渣型、炉温、配料、物料干湿程度、烟气系统负压和漏风、炉膛温度、上升烟道高度等有关。

(1)配料不合理，铜精矿中Zn、Pb、As等杂质含量高。为了适应铜精矿市场的变化，拓展原料来源，挖潜增效，公司采购了大量低铜低硫高杂质铜精矿，铜精矿中Zn、 Pb、As含量远高于设计值，导致烟气中烟尘含低熔点的氧化物、硫化物成倍增加，偏离了原锅炉的设计条件，致使垂直烟道及辐射部结渣、结块，对流区凝渣管束及对流管束烟灰搭桥堆积粘连，锅炉换热能力下降，电收尘入口温度超过设计值，最高达430 ℃，影响锅炉及电收尘运行。

(2)入炉铜精矿S/Cu低，精矿含S低、着火点较高、精矿反应热不足。不同的冶金炉，为了维持热平衡和炉子寿命，有相应的最佳富氧浓度及相应的燃料率，由于公司制氧能力受限，熔炼炉富氧浓度较低(40%～45%)。为了配合沉降炉生产，达到沉降炉渣直接抛弃的目标，同时匹配熔炼炉与吹炼炉生产，熔炼炉冰铜品位控制在58%～62%，冰铜品位相对较低，氧化程度浅，放热低，再加上熔炼炉需处理吹炼炉渣、阳极炉渣、中和渣、烟灰及其他生产环节产生的含铜物料等原因，熔炼过程中燃料率为8%～10%；粉煤输送系统设备老化、输送能力低，通过喷枪喷射至熔池内的粉煤量为1.5～1.8 t/h。基于以上原因熔炼炉还需通过加料皮带供给0.8～1.8 t/h的块煤。块煤的加入对熔池的提温效果不如粉煤好，块煤经多级皮带转运后部分破损，一部分落入熔池参与反应，另一部分小煤粒在炉膛中燃烧或被烟气抽到锅炉中燃烧，不但提高了锅炉烟气温度使烟尘呈半融熔状态，而且使烟气呈还原性气氛，烟尘极易粘结在水冷管壁上。尤其在粉煤制备及粉煤输送系统出现故障时，熔炼炉完全采用块煤熔炼期间，外补热单纯依靠皮带上配加2.6～3.5 t/h块煤，这种矛盾更加凸显。

(3)熔炼炉熔池喷溅严重，熔炼炉斜坡上升烟道设计不合理。公司熔炼炉炉底距喷枪口高度为11 760 mm, 烟气从炉子顶部斜坡上升烟道进入烟气系统, 斜坡上升烟道角度为68°, 垂直高度10 200 mm，然后烟气向下进入余热锅炉垂直烟道。这种设计容易造成以气态、液态、半熔融态和固态粉状形态的物料，在气流的作用下，进入锅炉系统与相对较冷的水冷管壁接触，气态或液态的物质冷却后呈半熔融态粘结在管壁上；半熔融态和固体粉状的物质同管壁上粘结的半熔融物质接触后，使粘结层厚度增加，并且表面呈固态；在较高的烟气环境下，粘结层表面的固态物质呈半熔融态，使得粘结层厚度不断增加，对流区烟气流通的有效截面积变小，使得烟气流速加快，产生的烟尘增多，更加快了粘结速度，形成恶性循环[2]。

(4) 喷枪熔炼风压高，超负荷组织生产。公司熔炼风压340 kPa，熔池搅拌剧烈，喷溅严重。当熔炼炉高负荷组织生产时, 为了满足精矿反应要求, 必然要提高熔炼炉送风量和送氧量, 使得熔炼炉烟气量较大, 烟气显热也大, 烟尘温度高, 在熔炼炉烟尘率不变的情况下, 烟尘聚集沉降的几率也增大, 造成更多的烟尘产生，因烟尘粘性大, 进入余热锅炉粘结在水冷管壁, 不易脱落到刮板, 使辐射室和对流区堵塞,严重影响锅炉换热效果。当熔炼炉炉膛负压较小时, 不得不提高熔炼炉排烟风机抽力, 导致锅炉出、 入口压降较大, 更加使烟气的显热在锅炉内得不到有效的交换, 造成电收尘入口烟气温度过高, 影响了电收尘的正常工作。

(5) 喷枪位置控制不合理。生产实践表明，在渣型、熔池温度、喷枪气体流量、喷枪供风压力一定时，喷枪插入熔池越深，喷枪端部高速喷射出的气体被熔体 “吞噬”反应后，产生的反应气体到达炉膛空间的距离越长，反应气体冲破熔池上升到炉膛空间的阻力越大，被熔池分割形成的弥散滞留气泡越多，滞留气泡的寿命越长，熔池泡沫化越严重，使得在不增加渣量的情况下，渣的体积显著增大，渣层的厚度成倍增加，炉子喷溅加剧[3]。

(6) 熔炼炉渣型、熔池温度、冰铜品位失调。在铜冶炼中，渣型选择及控制的好坏直接关系到冶炼能否顺利进行。作为渣型的重要指标 Fe/SiO2，是通过调整配入精矿中的石英石量控制的。公司采购的石英石个别批次粒度较大(-50 mm)，在高负荷组织生产时，配入的石英石没有完全融化反应彻底，造成渣型失调，增加了炉渣的粘度和密度，不利于烟气顺利连续地从熔体中溢出，造成喷溅严重；个别时段因操作、配料等发生变化，造成炉温偏低，炉渣黏度大，喷溅严重；当冰铜品位控制过高时，铁和硫的脱出率增大，在强氧化气氛下， Fe3O4会大量生成，增加了炉渣熔点，同时在精矿成分、料速不发生改变，冶炼高品位冰铜时，反应强度增大，冰铜产出率会降低，同时熔炼渣产出率增多，相应地澳斯麦特熔炼炉内理论静止冰铜面会降低，渣层厚度增厚，炉渣泡沫化加剧，喷溅加剧。

(7) 熔炼炉负压控制不稳定。由于受吹炼炉的影响，熔炼炉炉口的负压波动较大，加料口、喷枪口及备用烧嘴口的漏风量控制不当，容易造成精矿被烟气抽到锅炉中，在精矿处理量不变的前提下，提高了烟尘率，这些被抽走的铜精矿在锅炉中发生“二次燃烧”形成半熔融的物质粘结在水冷管壁上。

(8) 精矿含水份低。由于公司原设计铜精矿混捏机叶片磨损快、能力低、故障率高，因此现在铜精矿不经混捏或制粒直接入炉，在精矿含水率低、比重轻时，容易造成精矿被烟气抽到锅炉中，增加了锅炉粘结几率。

4 采取的优化改造和防治措施

由于锅炉需要定期进行清灰，同时熔炼炉因检查或更换喷枪及其他原因也需要定期减料或停料，导致锅炉经常处于高温与低温的交变状态，因而使锅炉的水冷管经常受到交变应力的作用，易使焊缝产生疲劳。此外，由于热胀冷缩的作用使粘结在冷却水管上烟尘脱落而形成一定的应力，易导致冷却水管产生应力疲劳，因此锅炉漏水事故的发生与烟尘粘结在实际生产过程中相互影响、相互制约，存在密不可分的联系。

4.1 对锅炉结构不合理处进行优化改造

将锅炉垂直烟道入口及辐射室、对流区灰斗等易发生漏水区域的膜式结构改造成管板式结构，避免了高温、高烟尘烟气的冲刷腐蚀；将原设计锅炉垂直烟道下部连接的截面积突变收缩的灰斗去掉，改为用钢板焊接的箱体延伸至零米地面，并在其内部放置出灰簸箕，这样利于出灰操作而且避免了大块结渣、烟灰块坠落砸伤管壁而造成漏水事故。

由于锅炉原设计安装在辐射室、对流区顶棚及左右两侧的锤击式机械清灰装置振打力度不够，加上振打块年久失修，脱落、错位现象严重，因此利用检修时机将其拆除，在对流部左右两侧安装8组乙炔爆破清灰装置；在锅炉垂直烟道增加了4台弹性清灰装置。

4.2 加强检修

在检修期间，严格施工验收，对锅炉管壁进行测厚，并有计划地对锅炉系统的水冷管束进行更换；生产期间，加强锅炉查漏堵漏工作，避免含有较多硫化物、反应性强的烟气，与漏入的空气发生“二次燃烧”粘结到锅炉的水冷管壁上；严格锅炉软化水水质监测、化验、考核，确保水质达标，避免造成水冷管壁积垢严重，管壁过热烧坏而造成漏水事故；锅炉泄漏后，水蒸气不断泄漏到锅炉内部，使锅炉内的水分含量增加。因水遇到高温烟气中的SO2气体，产生H2SO3，对锅炉内的水冷管壁造成化学腐蚀，既加剧了原来泄漏点的泄漏量，又会产生新的泄漏点，同时高压条件下还会使毗邻漏点的水冷管束被冲刷腐蚀，因此在生产过程中如发现泄漏后应及时合理组织锅炉降温降压。

4.3 提高熔炼炉的作业率及稳定工艺操作

(1) 控制合理的烟气量，稳定烟气SO2浓度，保证炉负压正常。当增加精矿料速或降低富氧浓度时，烟气量增大，炉负压变小；风机抽力不足时，炉负压也会变小；在渣型及熔池温度一定时，增加喷枪的气体流量，会使炉渣的泡沫化程度增加，从而造成喷溅加剧。控制合理的喷枪流量，有效控制喷溅总量，降低精矿被直接带入抽走的几率；在加料皮带上增设均料装置，避免了料量波动造成与之连锁的工艺风、氧的变化和炉内反应气氛的变化，提供相对稳定的烟气量及烟气成分，保证炉负压正常，尽量减少对锅炉的热冲击和振打。

(2) 严格熔炼炉升温降温制度。熔炼炉升温降温幅度控制合理，如升温速度过快，热负荷就来得快且大，产生较大热胀冷缩，进而加大了锅炉管子与管板间的热应力；熔炼炉冷启动时要保证烟气温度超过500 ℃以上才允许进入锅炉，并加强锅炉保温工作，避免由于烟气温度低造成烟灰冷凝粘结对锅炉的腐蚀；在熔炼炉刚启动投料时，还须注意精矿料速应由小到达、喷枪风量由小到大、喷枪位置由浅到正常位置、炉温由低到正常的循序渐进的过程，使锅炉均匀地升温升压，降低对锅炉的热冲击和振动。

(3) 控制合理的工艺指标。公司在生产控制过程中，经摸索总结精矿料速稳定在26～30 t/h，富氧浓度稳定在40%～50%，炉负压控制在-20～-5 Pa，及时调整烟气风机抽力；稳定控制熔炼炉炉温在1 180～1 220 ℃；冰铜品位严格控制在58%～62%；渣型Fe/SiO2在1.2～1.4，CaO在5%～7%范围内；喷枪位置控制在1 300～1 500 mm，定期检查或更换喷枪，确保喷枪处于良好的工作；在熔炼炉斜坡上升烟道高度无法改变的前提下，将熔炼风机压力由340 kPa调整至280 kPa，避免炉况变化造成熔池喷溅加剧。

4.4 制定和完善相应的管理制度

经常对操作人员进行安全教育和技术培训，提高司炉工的安全意识、责任心及操作水平；制定和完善锅炉管理制度，开展岗位劳动竞赛；严格操作规程，加强锅炉的巡回检查；定时冲洗和维护水位表，保证水位表的水位清晰可见，防止出现假水位；加强锅炉运行管理，做好定期排污工作，关闭、关严排污阀，定期试验和维护锅炉的安全附件和仪表；同时加强对其他岗位设备的维护保养润滑巡检，把设备的隐患消灭在萌芽状态，为连续稳定生产提供保证。

4.5 加强配料管理

严格控制单位时间内入炉的Pb、Zn、As等杂质总量，科学合理搭配杂质含量高的国内杂矿、进口铜精矿及烟尘的配比；控制入炉混合铜精矿合理的S/Cu；合理配加吹炼炉渣、阳极炉渣及其他生产环节的含铜物料量；保证入炉物料入炉反应良好、反应热充足，减少块煤的加入量，降低烟气温度，使烟灰呈固态沉降到刮板除灰机里。当入炉物料不能满足要求时，可适当降低负荷组织生产，适当延长振打时间和缩短间隔时间。此外严格控制精矿含水分在8%～10%范围内，避免精矿抽到锅炉系统；调整烟气系统的二次燃烧风量，使烟气中残氧含量控制在3%～5%。

4.6 及时清理结圬

利用一切停产时机对锅炉结渣及烟灰粘结物进行清理，减少粘结总量，保证合理的烟气流通截面积，确保恢复生产后正常的烟气流通，使烟气流速合理，烟气充分在锅炉内得到热交换。

5 结束语

余热锅炉作为澳斯麦特冶炼烟气处理系统中的重要一环，为了提高其运行可靠性，公司通过对锅炉进行优化改造，制定和完善各项管理制度，加强配料管理，稳定熔炼炉工艺控制指标，采取了一系列有针对性的防治措施，达到了余热锅炉稳定运行的目的。

[1] 许萍. DCS控制系统在余热发电锅炉中的应有[J].中国有色冶金，2010,(2).

[2] 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).

[3] 荆巨峰.控制澳斯麦特熔炼炉烟道过渡段粘结探讨[J].世界有色金属，2014,(11).

《硫酸工业》2016年征订启事

《硫酸工业》(双月刊)创刊于1959年，由中国石化南化集团研究院和全国硫酸工业信息站联合主办。为我国硫与硫酸行业国内外公开发行的国家刊物，国家认定学术性期刊、中国科技核心期刊、中国石油和化工行业核心期刊。重点报道国内外硫与硫酸工业的发展动态、技术进步，主要报道领域有：硫酸生产、烟气脱硫脱硝、硫磺回收、硫铁矿、硫肥·硫化工、废酸浓缩·再生、含硫废物利用、循环经济、废热回收等技术。《硫酸工业》中国标准连续出版物号ISSN1002-1507、CN32-1126/TQ，邮发代号28-20，全年定价90元。错过邮局订阅的读者可直接向编辑部办理订阅，100元/年(含邮费)。投稿邮箱：lsgy@vip.163.com，电话/传真：025-57795064。

Operation practice of waste heat boiler in copper oxygen-enriched Ausmelt smelting process

JING Ju-feng

The process accidents of waste heat boiler in the process of copper oxygen-enriched Ausmelt smelting were described, the prevention measurements and the according effects were introduced in detail. The importance of technical operation management of waste heat boiler was proved.

copper; Ausmelt smelting；waste heat boiler；dust；operation management

荆巨峰(1977—)男，山西侯马人，冶炼工程师，从事冶炼工艺技术工作。

2015-02-01

TF811; TK229.92+<9 [文献标志码] B class="emphasis_bold">9 [文献标志码] B [文章编号] 1672-6103(2016)01-0041-059 [文献标志码] B

1672-6103(2016)01-0041-05

B [文章编号] 1672-6103(2016)01-0041-05