碱回收锅炉结构特点及安全性控制

聂玉林应馨广

（1.湖北省特种设备检验研究院 武汉 430060）

（2.武汉特种锅炉成套设备有限公司 武汉 430060）

碱回收锅炉结构特点及安全性控制

聂玉林1应馨广2

（1.湖北省特种设备检验研究院 武汉 430060）

（2.武汉特种锅炉成套设备有限公司 武汉 430060）

碱回收锅炉是碱法和硫酸盐法造纸工艺的关键设备，我国现阶段碱回收炉均采用自然循环敷管炉墙全钢架吊挂结构，炉膛采用鳍片水冷壁、全密封焊接而成。通过对碱回收锅炉结构及运行特点进行分析，结合实际介绍了碱回收炉设计制造、安装过程、监督检验过程提高安全性的一些强化措施，并指出了在安装和检验过程应重点关注的一些问题。

碱回收锅炉； 结构分析； 安全性控制

碱回收锅炉是碱法和硫酸盐法造纸工艺不可或缺的关键设备，它以制浆过程产生的废液(俗称黑液)为燃料，黑液固形物的热值约为1.34×104kJ/kg～1.51×104kJ/kg。由于黑液中含有多种钠盐，直接排放会严重污染环境，碱回收锅炉燃烧黑液一是能利用黑液的热能供热或发电。二是回收锅炉黑液中的钠盐，减少制浆过程药品的消耗。三是可有效解决环境污染问题。

黑液在炉内的燃烧过程有其独特的方式和特点。炉前黑液含有大量水份。苇浆、草浆黑液由于含有硅胶，粘度大，影响黑液的浓缩，输送和雾化，黑液浓度只能达到50%左右，但木浆黑液浓度可达到75%～80%。黑液经黑液喷咀雾化后送入炉中，一边干燥，一边释放出挥发物，最后落到炉底垫层上完成燃烧和一系列还原环境下的化学反应。并使黑液固形物熔化，熔融物以液态排渣方式从熔物流槽排出，经溶解槽送往苛化工段。熔融物主要成份为Na2CO3Na2SO4和Na2S 。

1 我国碱回收锅炉的发展状况

我国第一台喷射式碱回收炉于1964年研制成功，1966年在佳木斯造纸厂安装投运，日处理固形物150 t/d，过热蒸汽压力3.82MPa过热蒸汽温度450℃。40多年来，通过引进、吸收、自主开发、我国碱回收锅炉产品已经实现了系列化、多样化，并向大型化、高参数、数控成套模式发展。武汉特种锅炉成套设备有限责任公司是我国生产碱回收炉及配套设备历史最悠久的专业公司，其产品可以燃烧木、竹、芦苇、麦草、蔗渣、皂化液等各种浆种的废液。日处理固形物从500t/d～2200t/d。

我国日处理固形物2200t/d的特大碱回收炉（木浆)，2008年在海南金光集团顺利投产，额定蒸发量340t/h、额定蒸汽压力8.4MPa、额定蒸汽温度480℃、本体金属耗量达6263t。

2 碱回收锅炉基本结构

我国现代化碱回收锅炉均采用自然循环敷管炉墙全钢架吊挂结构。炉膛采用鳍片水冷壁、全密封焊接而成。炉底上方4m～5m区域、敷设铬质涂料作成的炉衬。为减少过热器结焦积灰和高温腐蚀的危险，炉膛出口通常布置水冷屏或汽冷屏，烟气流经水冷屏、过热器、膜式蒸发管（或锅炉管束)，膜式省煤器后，经电除尘装置排出。

热风温度约为120℃～150℃，由于管式空气预热器积灰严重，影响碱回收炉的正常运行，除麦草浆采用板式空气预热器外，一般均在炉外采用蒸汽加热。

3 碱回收锅炉结构及运行特点

1）碱灰具有熔点低，易升华的特性。灰份中，NaOH的熔点约为370℃，Na2CO3熔点

为852℃，Na2S熔点虽然较高，但与Na2CO3、Na2SO4可以构成低熔点混合物，见表1。

表1 钠盐混合物熔点

岳阳造纸厂碱炉碱灰实侧粘度t1为810℃，软化点t2为830℃，熔点t3为850℃。在实际运行中，碱金属在800～900℃温度范围就可出现升华现象，炉膛温度越高，升华现象越严重。钠盐的蒸汽随烟气逸出炉膛，如果粘附在受热管壁上尚有一定粘性，就能很快捕捉烟气中的灰份，使积灰迅速发展。碱灰的这一特性对碱炉的结构设计和运行调节都有重大影响。碱炉垫层温度一般控制在950℃～1050℃范围，大型碱炉炉膛出口温度一般控制在900℃～950℃，出于对升华、堵灰特性的考虑，碱回收炉大量布置过热蒸汽吹灰装置，蒸发管、省煤器均采用膜式结构，过热器则采用密管排结构、顺排、大间距布置。

2）碱炉体积大、受热面积多，本体金属耗量大。碱回收炉由于烟温、烟速低，积灰严重，导致受热面传热温差小，传热系数低，与其他同参数锅炉相比，受热面积，炉体尺寸及本体金属耗量等都要大得多。从表2可以看出，都是悬挂式结构，温度压力参数相同，序号1碱炉比序号3煤炉蒸发量还小20%左右，但其上锅筒标高比煤炉高出18.4m，其本体金属耗量为煤炉的3.56倍，因此碱炉与其他锅炉相比，具有焊接接头多，受热面热膨胀量大，在运转吊装过程，组装件容易变形等特点。

表2 碱回收炉与燃煤锅炉标高与本体金属耗量

3）水——熔融物爆炸是炉底熔融物与低浓度黒液，或炉水、冷却水接触引起的。由于炉底存在一个深200mm～300mm的液池。池中熔融物积蓄大量热能，如将稀黒液送入炉中，或遇水冷壁管爆管，冷却水管泄漏等情况，使水和熔融物接触，会在极短的瞬间急速蒸发，由于水变成蒸汽扩容1000多倍，会产生峰值压力很大的（达几兆帕）的冲击波，从而发生爆炸，这种爆炸的威力比燃煤，燃油（气）锅炉发生的炉膛爆炸更剧烈，具有极大的破坏作用，因此在设计和运行中，必须采取可靠的安全措施加以应对。

4）高温腐蚀问题：高温腐蚀主要发生在炉底垫层附近的水冷壁及过热器高温区部位。高温腐蚀主要是由于硫的氧化物及钠盐引起的。其主要化学可能包括：

过热器高温腐蚀的速度随温度上升而增大，当管壁温度在650℃以上时，各种材质的腐蚀速度均剧烈增长，目前我国在额定蒸汽压力≥4.1MPa碱回收炉设计时高温过热器底部承受高温辐射的部分，采用美国耐高温腐蚀不锈钢材质TP347H。

5）炉底区域敷设铬质涂料做成的炉衬。炉衬具有稳定黑液燃烧、保证熔物顺利排放，避免熔融物对水冷壁管的腐蚀和磨损的作用。炉衬运行条件非常恶劣，必须具有很高的机械性能和化学稳定性。

6）炉墙密封性要求高：碱回收炉采用整体全焊接密封结构，以防止炉墙漏风或漏烟，造成受热面腐蚀，保温结构损坏和环境污染，受热面全部安装完毕后，炉体需作密封性试验。

4 碱回收炉安全性的控制

只有充分了解碱回收炉结构特性和运行状况，了解碱回收炉可能发生安全问题的性质、成因、部位，才能进行有效的预防和控制。下面介绍碱回收炉加强安全性的一些考虑和措施。

4.1 产品设计、制造环节加强安全性的措施

● 4.1.1 防爆

防爆的关键就是防漏（水)：1）炉膛内受热面水冷壁、水冷屏，凝渣管均采用厚壁管φ60mm×5mm制作（不分介质压力)，高参数碱回收炉炉底区域水冷壁还采用复合钢管，以提高其抗腐蚀磨损的能力；2）炉底水冷壁上敷设炉衬。3）熔物流槽采用厚钢板制作，以提高其耐冲刷，磨损的能力并规定其使用期限，要求定期更换。4）额定蒸汽压力≥3.82MPa的碱回收炉，在集中下降管下部安装电动事故放水阀，一旦发生水冷壁爆管，可迅速启动电动阀紧急放水；5）炉膛内设计安全角。即将炉膛内一角的某个标高范围的膜式水冷壁的连接设计得比较薄弱，一旦炉膛发生爆炸，爆炸气体先从这里冲开一个缺口泄压，以减轻其他部位的损坏。此外，在锅炉其它合适的部位适当设置防爆门。

● 4.1.2 加强焊接质量的控制

对炉膛内受热面（水冷壁、水冷屏及凝渣管）对接焊接，制造厂要求100%射线探伤（不分压力)，射线探伤应符合GB3323“钢熔化对接接头照相和质量分级”的规定，焊接接头质量不低于Ⅱ级为合格，焊接探伤比例大大高于“蒸汽锅炉安全技术监察规程”要求。

● 4.1.3 防止高温腐蚀

为了尽量减少过热器的高温腐蚀，通常采用以下应对措施：

1）限制过热蒸汽温度（≤480℃）；2）控制炉膛出口烟温；3）避免过热器超温和超负荷运行；4）减少过热器的热力和水力不均匀性；5）过热器下部热负荷最高的部分采用耐腐蚀不锈钢管；6）对于水冷壁出口蒸汽压力＞4.1MPa时水冷壁下部采用复合钢管。

● 4.1.4 提高碱回收炉给水水质标准

碱炉制造厂家出于下面的考虑，提高碱炉给水水质标准：1）碱回收炉为液态排渣，且存在水——熔融物爆炸危险。2）水冷壁和省煤器系统内水循环流速低，容易导致结垢和超温。制造厂将碱回收炉给水水质标准按压力等级高一级锅炉的标准执行（见表3)，提高水质标准必然增加水处理投资和运行成本，特别是1.25MPa的无过热器的锅炉，按中压电站锅炉水质要求，水质的提升最多，在实际工作中，有些用户从经济性考虑，并不采纳这一意见，检验部门应注意水质和运行情况的监督和检查。

表3 给水水质标准

4.2 碱回收炉安装施工中的安全性控制

1）把好入库检收关：严格做好入库验收工作，保证进入施工现场的设备和材料的型号、规格、数量、材质与设计相符，产品质量及质量证明文件应齐全完整并符合有关规定要求。严格按有关技术条件做好有关设备性能试验和各种材料（管材、焊材、保温材料、炉衬材料等）的材质复验。对合金钢管材及圆钢应作光谱分析。

2）加强焊接与胀接质量控制：对焊接与胀接过程实施全过程的质量控制。司焊人员必须持有合格证件，各类焊接接头的焊接应按规定进行焊接工艺评定，焊缝射线探伤比例可参照制造厂规定执行。胀接结构只在低参数碱炉上采用，胀管人员司胀前应进行培训和试胀，胀管率（采用内径控制法时）一般控制在1.0%～2.1%范围。

3）注意膨胀问题的处理：碱炉高度尺寸大，受热面与构架在运行中相对位移大，有些装置一部分与受热面相连，另一部分与构架系统固定，要检查其关联部位的膨胀问题处理是否适当，避免膨胀受阻，导致设备的破坏。

4）认真做好管子通球，吹管工作，保持管内清洁与畅通。必须消除锅炉整体水压试验，炉墙密封试验发现的泄漏。保证受压部件系统的严密性和炉墙的密封性。

5）炉衬的施工与养护：炉衬的安全使用对碱炉的运行和安全都有重大影响。炉衬必须按制造厂提供的工艺文件进行选材、配比、施工和烘干养护。铬铁矿应选择Cr2O3含量较高的矿石，Cr2O3含量低，煅烧收缩严重，机械强度和耐火性能显著降低。破碎前最好进行洗矿，除去矿石中的泥沙。如采用水玻璃作粘结剂，其模数宜在2.4～3.0范围，相对密度宜在1.45～1.53范围。炉衬施工应使涂料填满管子与销钉之间的空隙，施工后可用铁丝或焊条在涂料表面任意扎制气孔，以利涂料中的水份排出。实验表明，用水玻璃配量的涂料大部份水份将在20～100℃温度范围内脱除，在100℃温度下，前6h的平均蒸发强度为后8h的平均蒸发强度的5倍，因此烘炉开始阶段，要求升温缓慢而且平稳，避免前期升温太快，蒸发强度太大，在涂料内形成很大压力，造成涂料裂纹和崩落。

4.3 碱回收炉在用检验应关注的几个问题

碱回收炉在用检验应按“锅炉定期检验规则”进行规定项目的检验，检验应结合锅炉运行实际，认真了解其运行状况，特别是一些不正常的工况，如堵灰、过热器超温、水质超标、爆管、泄漏等，认真了解事故及事故处理情况、设备维修 改造情况，以便适当增减或强化某些检测项目和内容。笔者认为应对下列几方面予以关注：

1）过热器超温及高温腐蚀：过热器管壁超温会加速高温腐蚀，在长期超温和高温腐蚀的作用下，会使材质劣化，管壁减薄，强度下降，导致爆管事故的发生。新疆博湖苇业公司Waz45/3.82型碱回收炉，2007年7月投运，由于超负荷运行，导致过热器超温和高温腐蚀严重，仅运行了3个月即发生高过爆管，4个月后又多次发生爆管。在检验时要注意那些发生蠕胀及那些烟温偏高、介质温度也高的部位。用户自己则可在每次停炉检修中，选择一些有代表性的部位，了解腐蚀情况和测厚，并详细记录，加强监督。

2）水冷壁损坏：实践表明，水冷壁向火面，在有炉衬保护的部位，不会发生腐蚀。腐蚀有可能发生在风口部位，有些碱炉风口部位炉衬完全被高速气流冲刷破坏，使水冷壁失去保护，导致水冷壁爆管，在低负荷工况下运行和水冷壁管内结垢，也是水冷壁爆管的诱发原因，在低负荷工况下一部份管子由于循环流速大小，使管壁金属得不到足够的冷却，会造成水冷壁管超温，甚至爆管。

在实际运行中，也发生由于一次风配风不均匀，造成炉底局部熔融物形成漩涡，破坏炉衬，进而造成水冷壁爆管的案例。上述部位均需认真检查。

3）喷水减温器检查：喷水减温器在运行过程会产生很大振动，并且由于减温水与过热蒸汽温差很大，在没有均匀混合前，与一些零部件接触，会产生很大的急剧变动的温差应力，这种运行工况可能造成文丘里管支座脱离，文丘里喷水管接管减温器集箱损坏或裂纹，因此对碱回收炉进行全面检查时，要注意这些部位的检查。

5 结束语

碱回收炉是一种使用特殊燃料，具有特殊工艺流程和特殊结构的特种锅炉，除了拥有一般锅炉的共性问题，还可能存在一些特殊的安全问题，检验人员在实际检验中必须对具体碱炉具体分析，找出安全薄弱环节，避免安全问题的漏检，提高在用检验的效率和可靠性。

1 聂玉林,碱回收炉的积灰及其对炉子设计的影响[J].湖北造纸,1987

2 聂玉林,碱回收炉耐高温强碱腐蚀炉衬的研制与应用[J].湖北化工学院学报,1996,1

Structure Characteristics and Safety Control of Alkali Recovery Boiler

Nie Yulin1Ying XinGuang2
(1.Hubei special equipment inspection and Research Institute Wuhan 430060）
（2.Wuhan special boiler complete equipment Co., Ltd. Wuhan 430060)

Alkali recovery boiler is the key equipment for alkali and sulfate process paper making, which consist of steel hanging tube-lined boiler wall structure with natural circulation. The structure and operation characteristics of alkali recovery boiler are analyzed, and the suggestion to strengthen the safety of alkali recovery boiler in design, manufacturing, install, supervision and inspection process is given.

Alkali recovery boiler； Structure analysis； Safety control

X933.2

B

：1673－257X(2014)05－26－04

聂玉林（1938－)，男，高级工程师，从事锅炉检验研究。

2013－12－16）