铜冶炼闪速吹炼余热锅炉的改造实践

陈谢军， 邵鹏年， 王兴林

(广西金川有色金属有限公司， 广西 防城港 538002)

广西金川有色金属有限公司40万t/a矿产铜项目于2013年11月30日正式投产，主工艺采用的是闪速炉熔炼- 闪速炉吹炼- 回转卧式阳极炉精炼- 阳极板电解的流程。闪速熔炼炉和闪速吹炼炉各有1台余热锅炉，用来吸收烟气中的余热，降低烟气温度并收集烟气中的烟尘，回收金属，降低烟气中的含尘量，进而为后续工艺创造有利条件。

吹炼余热锅炉的型号为QCF40/1290- 49- 6.0，最大蒸发量49 t/h，蒸汽压力6.0 MPa，蒸汽温度276.7 ℃，循环方式为强制循环。入口烟气量为40 000 m3/h，烟气温度～1 290 ℃，排烟温度350±20 ℃。锅炉全长49.1 m，宽5.43 m，高18.8 m,分为辐射区与对流区两部分，其中辐射区从喉口部依次安装有烟气挡板、辐射管屏Ⅰ、辐射管屏Ⅱ，对流区从入口依次安装有烟气挡板、凝渣管屏Ⅰ、凝渣管屏Ⅱ、第一组对流管束、第二组对流管束、第三组对流管束、第四组对流管束，辐射区和对流区底部各有一条宽度为800 mm的刮板机作为烟灰的输送设备，刮板机箱体悬挂于锅炉底部，通过法兰螺栓连接固定。

自投产以来，由于原料性质不稳定，含铅、含砷等高杂原料的处理导致炉况控制难度加大，烟气条件恶劣，在烟气通过余热锅炉内部时锅炉烟灰黏结严重，并且焦块硬度很高，清理困难，极大地影响了系统的作业率。对此，必须要研究如何预防和减少锅炉结焦，提高清焦效率，提高锅炉对复杂烟气的适应性，保证锅炉的安全稳定运行。

1 辐射区烟气挡板及内部管屏的改造

1.1 烟气挡板

通过对每次结焦的观察，发现辐射区烟气挡板黏结最为严重，尤其是两侧与膜式水冷壁的夹缝处，对烟气挡板的结构分析论证后，发现烟气挡板与两侧膜式壁的间距过小(宽164 mm)，烟灰由于两侧都有着力点，容易形成堆积。于是将烟气挡板两侧管排向上各切除4 m，缺口处用U型弯头重新连接，使烟气挡板与水冷壁间距扩大为612 mm这样既能保留烟气挡板的作用，又有效的防止了烟灰的堆积黏结，具体改造见图1。

1.2 凝渣管屏

辐射区烟气挡板前部加装一组凝渣管屏，可以降低烟气温度，提前使熔融状态的烟灰凝固沉降，减少后期烟气挡板的烟灰黏结。凝渣管屏结构及安装示意图见图2。

1.3 对流管束拆除

辐射区加装凝渣管屏后，锅炉蒸发量增大，对流区出口烟气温度从380 ℃下降到360 ℃，温度下降约20 ℃，对流区底部及电收尘器内部温度降低，烟灰发潮，形成酸泥，对锅炉护板及收尘器内部腐蚀加剧，为此将对流区第二组对流管束拆除，以保证烟气温度满足工艺要求。

图1 辐射区烟气挡板结构

图2 凝渣管屏结构

1.4 运行效果

通过上述改造，吹炼余热锅炉辐射区烟气挡板周围的烟灰结焦情况得到了明显改善，烟灰在锅炉膜式壁折角处黏结形成柱状的情况消失，输灰口堵焦块的情况明显减少。但在凝渣管屏处烟灰大量黏结掉落，使烟灰掉落比较集中，增大了下部格栅的堵塞几率，使清灰打焦频次加大，同时也增加了刮板的运转负荷。

2 改造后数据分析及效果

根据炉况反应及炉体设计，烟气中烟灰由熔融状态凝固的温度在650 ℃，为了准确掌握锅炉内部烟气的温度变化情况，为锅炉内部改造提供数据支持，在锅炉两侧各层关键部位膜式壁鳍片处开孔，加装热电偶，通过测量获得了改造前后整个锅炉内部温度场的分布，结合锅炉结构，分析其中温度变化趋势后得到图3。从图3看出，改造前：

1)辐射区入口温度从800 ℃下降到756 ℃，通过的距离为9.5 m，因为此处没有管屏等结构，仅靠膜式壁吸收烟气热量，则每米温度下降4.6 ℃，考虑到温差越大，传热越快，辐射区整体取平均值，如果仅有膜式壁，烟气每通过1 m，温度下降约4 ℃。

2)辐射管屏Ⅰ前烟气温度为679 ℃，辐射管屏Ⅱ后烟气温度为609 ℃，温度下降70 ℃，两测点之间的距离为9.4 m，膜式壁的温降为9.4×4=37 ℃，则每组辐射管屏可以使烟气温度下降约16.5 ℃。

根据以上分析，对余热锅炉进行了如下改造。

2.1 拆除凝渣管屏及烟气挡板

1)温度变化。凝渣管屏前烟气温度为756 ℃，拆除凝渣管屏和烟气挡板，距离增加了约6.5 m，温度下降6.5×4=26 ℃，到第一组辐射管屏前烟气的温度为730 ℃(比拆除前同一位置温度升高约57 ℃)，第二组辐射管屏前烟气温度为730-16.5-2.8×4≈702 ℃，辐射区出口烟气温度为730-70=660 ℃。

2)改造后的效果。辐射区无凝渣管屏和烟气挡板，不存在烟灰黏结情况，辐射区前部第三个到第五个小炉门少量掉焦，清焦时间大幅缩短，清焦频次从每天一次改为每2～3天一次。对流区入口温度为660 ℃，与设计的650 ℃接近，所以对流区烟灰不存在黏结情况。

3)改造后不利的影响。在第一组辐射管屏处，烟气温度达730 ℃，第二组辐射管屏处烟气温度为702 ℃，均高于设计温度，烟灰一定会在这两组管屏位置结焦，且第一组辐射管屏处结焦更为严重。

烟气挡板的作用就是改变烟气流向，使烟气下移。烟气挡板拆除后，烟气流向改变，锅炉底部的温度会进一步降低，从目前的330 ℃下降到290 ℃，锅炉底部小炉门及刮板机的低温腐蚀会加剧，刮板机使用寿命降低。

2.2 拆除辐射管屏Ⅰ两侧各两组管屏

凝渣管屏前烟气温度为756 ℃，拆除凝渣管屏、烟气挡板和辐射管屏Ⅰ，距离增加了约10 m，温度下降10×4=40 ℃，则到辐射管屏Ⅱ前烟气的温度为716 ℃，经过辐射管屏Ⅱ，辐射区出口烟气温度为716-16.5-5.9×4≈676 ℃，高于熔融状态烟灰凝固点16 ℃，因此辐射管屏Ⅰ不能全部拆除，否则会引起对流区入口烟灰黏结，同时为了防止辐射管屏Ⅰ两侧因与膜式水冷壁的间距过小而积灰，形成焦块堆积，所以将辐射管屏Ⅰ两侧各拆除两组，这样既能保证对流区入口烟气温度处于650 ℃以下，也能最大可能的使辐射区内部空旷，烟尘除侧壁外再没有其他附着点，有足够的空间使烟尘温度降低，由熔融状态变为固态，受重力作用自然下落，不使它有结焦为块的可能。

2.3 对流区加装两组对流管束

为保证电收尘器的正常运行，确保其烟气入口温度在380 ℃以下，需在对流区加装两组组对流管束。

2.4 改造后效果

改造前、后吹炼余热锅炉辐射区入口及对流区出口烟气温度没有变化，辐射区出口烟气 温度升高约43 ℃，烟气挡板拆除后，辐射区内部烟气流向改变，烟气直接从顶部通过，导致辐射区底部刮板机内温度下降约90 ℃，容易形成低温腐蚀。

本次改造完成后，吹炼余热锅炉辐射区焦块明显减少，烟灰均经过沉降后通过刮板机运输，减少停料清焦时间，提升系统作业率，同时降低人员劳动强度，节约检修费用，减少爆破清焦次数，提高锅炉使用寿命。

图3 闪速吹炼余热锅炉改造前后温度场分布折线图

3 在线清焦

在吹炼炉正常生产过程中，通过提高烟道末端风机的负荷，使系统负压增大，正常保持在-150 Pa,最大提高到-500 Pa，可以正常开启锅炉人孔门进行清焦作业，此时烟气不会溢出，这样既能保证锅炉的正常运行，也能保证系统的高负荷生产。

4 机械清焦

利用机器代替人工进行清焦作业，虽然破碎的设备很多，但每种设备都有特定的应用范围。在某一种场合下性能很好的破碎设备，如果换到另一种场合可能不好用。因此，针对具体情况正确地选择破碎设备很重要。破碎设备选型时需要考虑的因素是多方面的，主要有:① 破碎物料的种类；② 破碎的方法；③ 操作的难易程度；④ 破碎的效率；⑤ 设备结构、材料、尺寸、重量；⑥ 价格、使用安全性和寿命等，通过对上述问题的研究，通过网上查资料、咨询厂家等，了解了风动凿岩机、液压破碎镐、风镐、多功能拆除机器人等设备的性能后，最终选用了GTC15D型多功能拆除机器人做为机器清焦的首选工具，拆除机器人是一种电动驱动，用于高危环境下具有精细化作业能力的新型高科技装备。该设备采用小型履带运动底盘为载体，具有体积小、遥控指挥的优势，前端可以快速配置多种液压锤，可以在高温、高粉尘、易坍塌的危险区域中灵活地进行全方位遥控的破碎作业，具有环境适应性强、作业范围广、操作灵活方便、工作安全可靠等优点。履带式工程机器人结构示意图见图4。

将破拆机器人使用到锅炉清焦工作后，智能破拆机器人协助人工打焦，提高清焦效率3～5倍。

1.蛙式支腿; 2.电动控制阀; 3.护罩配重; 4.大臂; 5.二臂; 6.三臂; 7. 作业属具(SB202液压锤); 8.回转装置; 9.伸缩式行走装置; 10.液压油箱; 11.六联阀; 12.回转马达; 13.四联阀; 14.散热器; 15.电器; 16.电机; 17.齿轮箱; 18.主泵图4 履带式工程机器人结构示意图

5 结语

余热锅炉在铜冶炼系统中起到降低烟气温度，回收烟气热量，降低烟气含尘量的作用。余热锅炉的运行是否平稳直接影响铜冶炼主流程的作业率。因为有色金属冶炼工艺的特殊性，烟气的复杂性和多样性，余热锅炉面临积灰、腐蚀、磨损、漏风等相关困扰。鉴于上述情况，如何能够优化锅炉设计结构，增强对复杂烟气的适应性，减少锅炉结焦，提高铜冶炼主流程的作业率，从而降低生产成本，还需在生产实践中不断探索研究，不断改进。