有色冶金炉余热锅炉的设计原则与实际应用

曹华(江苏东九重工股份有限公司，江苏 盐城 224056)

0 引言

目前，我国在冶炼有色金属过程中采用的冶炼炉有很多种类型，例如烟化炉、反射炉、闪速炉等，对于冶炼炉来说，有色金属冶炼时所消耗的热量是非常大的，这也使大部分企业都会在冶炼炉中安装一些设施来用于散热，不过炉内热量仍旧无法完全散尽，这便会使炉中产生大量的余热，由于冶炼有色金属时所产生的大量高温烟气中含有非常多的含尘量，这便使得这些烟气在被余热锅炉收纳过程中，其炉壁会受到烟气的腐蚀，而且炉内残渣还会影响到受热面的热量传递，甚至造成炉管堵塞。为了解决这些问题，就必须要确保在设计有色冶金炉余热锅炉过程中能够按照相应的设计原则来进行。

1 有色冶金炉余热锅炉的设计原则

在有色冶金炉余热锅炉设计过程中，还需遵循以下设计原则[1]：

(1)建立多通道的烟气换热空间，其主次通道分别为辐射中空位置与对流空间，垂直冲击受热位置便是烟气的运作位置；

(2)结合烟气温度及其浓度变化情况，当烟气出现较大改变时，则需对锅筒容量进行适度加大，以确保水位波动得到有效缓解；

(3)在单汽包中聚合水汽，而汽包则安装于炉膛上部；

(4)采取强制循环措施；

(5)对锅炉的设计压力进行合理设置；

(6)采取弹性振打或灌入压缩空气的方法来清理炉渣；

(7)采用悬挂方法来提高锅炉钢结构的弹性。

2 有色冶金炉余热锅炉设计

2.1 结合烟气特点合理选择余热锅炉

在对有色冶金炉余热锅炉的类型进行选择时，需要结合相应的规律来进行，只有这样才能最大限度的降低高温腐蚀性烟气给炉体造成的不利影响。具体如下：首先，在对有色冶金炉余热锅炉的配置进行完善过程中，需要以不同条件的差异进行两种类型的划分，一种是采取水平式构造来设计有色冶金炉余热锅炉，这种构造的烟道是呈现出水平方向的，而烟气在烟道中也是按照水平方向进行运动的[2]。另一种是采取多回程垂直冲击式的构造，这种烟道构造相比于水平式构造来说，烟气是按照直线型的方式进行运动的，这样有助于避免烟道死角及转角积压过多的烟气灰尘，同时还能防止烟气颗粒在运动过程中给烟道局部位置造成的不必要摩擦与损伤，通过采取自下而上的方式来运输烟气，还能使烟气中的大颗粒灰尘得到有效分散，进而降低烟气浓度，更重要的是能够减少占地面积。如果烟灰有着很高的浓度，则需优先选择第一种类型。

其次，对于余热锅炉来说，可以采取内部中空的方式来进行设计，并且还要配备辐射室，以确保辐射受热范围得到同步加大，这样便可使温度降低到结渣温度后能够以熔融状态呈现，从而使烟气中的固态颗粒快速沉积，防止其受到对流影响而运动到受热位置中造成结渣和堵集。再次，热量不能直接传递至锅筒，并且需要把锅筒安装到锅炉的上部，以确保合理管控受热面。最后，应按照膜式构造来对炉膛水冷壁内部进行设计，原因在于管径较宽且核心距离比较小，这可使辐射传导效果变得更加明显，而且有助于提高整体结构封闭性，工人也能方便的清理炉内残渣。

2.2 以热源特征为依据明确运作方法

对于余热锅炉内的热源负荷来说，由于其受到烟气温度与颗粒含量波动的影响，这也使其具备了一定的不定性特征，尤其是处于间隙运行状态的锅炉来说，比如烟花炉，其炉内烟气含量便是不断改变的，即使是长期运行的锅炉，也仍旧存在烟气含量不断改变的问题，当锅炉进行清渣、投料等操作时，也同样会引起烟气含量及温度的改变。并且，为了防止低温状态时，余热锅炉内的水在循环过程中会受到阻碍，因此需要采取措施来确保锅炉水的强制性循环，尤其是受热不均的情况下，采取强制循环措施可以取得比较明显的效果，而且还可确保锅炉局部不会出现温度过高的情况，更重要的是由于热源负荷具备不定性，这势必会引起蒸汽温度变化。因此，应通过并行运作的方式，利用多个余热锅炉，以此确保余热源的运作周期得到均衡的分散[3]。

2.3 明确防高低温腐蚀与除渣方法

为了减少锅炉在运行过程中出现的问题，确保灰渣得到及时的清除，要采取以下几种措施：

其一，需要通过膜式水冷壁结构来控制对流受热面积，如果烟气在流动过程中的实际速度较小，便可大幅减缓磨损速度，并且结合清灰措施，还能取得更好的防磨损作用。当然，采取不设置对流受热面措施时，同样可以减少烟灰附着，从而使烟尘含量得到间接性的减少。

其二，为了防止产生高低温腐蚀，也就是高温积灰中的碱金属含量较多时，会使其和飞灰内的铝铁成分、氧化硫等产生化学反应，从而生成硫酸盐复合物，而这种复合物则会和过热器以及再热器内的合金钢产生氧化反应，进而造成壁厚变薄，并由此极易造成管道损坏而引发爆管问题[4]。所以，需要对受热位置温度进行适当的把控。对于烟尘温度来说，应尽可能的控制在700℃以下，否则会因烟气中的高含量二氧化硫和废水水蒸汽产生化学反应而形成硫酸，当受热位置低于硫酸露点时，便会使硫酸凝固于炉体上，并由此给炉体造成低温腐蚀。为了防止该问题产生，需确保受热位置温度能够一直超过硫酸露点，而这便需要对炉体内部压强进行相应的控制，以此防止低温腐蚀问题的出现，并且也有助于减少高粘性炉渣的生成。

其三，除渣方法要科学，通常来说，为了对锅炉内的灰渣进行有效清除，需要采取弹性振动或灌入压缩空气来完成，不过灌入压缩空气的方法需要采用专业设备，在资金投入方面相对较大，并且不适用于微小类的锅炉除渣。而弹性振动方法则不然，其通常在水冷壁上安装，并由缓冲弹簧、振打杆、固定构架以及振打设备所组成，这使其能够适用于各种类型锅炉的除渣处理要求，在此过程中只需对指定频率的参数进行设置即可。在选择除渣方法时，必须要结合实际情况，这是因为变频功能虽然具有良好的适用性，不过其冲击效果却不明显，并且只有很小的移动范围，而这也造成弹性振动方法的除渣效果不稳定，此时便要对振打频率以及冲击力进行合理的选择。

3 有色冶金炉余热锅炉设计实例

3.1 某厂沸腾炉的余热锅炉设计实例

某厂中采用的沸腾炉在连续运行过程中产生的烟气量比较稳定，不过烟气温度却出现较大波动，针对其烟气特性，在设计余热锅炉时需按照以下方案来执行：

首先，设置双通道的烟气冷却室，这两个通道分别是辐射大空腔与对流室，受热面在受到烟气冲刷时的方向为纵向，对流室及辐射室的受热面类型均为鳍片管膜式。因沸腾层的烟气温度存在较大波动，并且剩余热量过多，因此在设计受热元件时，该元件需由烟气冷却室、汽化埋管以及沸腾层埋管所组成，通过沸腾层和受热元件的结合，以此形成完整的余热利用装置，由此便可使余热得到充分利用的同时，也能防止烟气温度出现较大波动而产生的热负荷不均衡问题。省略过热器、省煤器和下锅筒的安装，以确保在同一汽包中汇集汽水混合物，以此实现汽水分离，应在余热锅炉的炉膛外部安装汽包，并进行强制水循环处理。将锅炉压力设置为2.1MPa，由于烟气内的二氧化硫浓度达到11.85%，而硫酸含量则达到0.012%，水分含量达到8.15%，因此能够得出216℃便是烟气的露点温度，此时需要确保水冷壁的壁温要比烟气露点温度高10℃以上，所以水冷壁的壁温需要始终保持在226℃以上。在清除残渣时，需要结合弹性振打法和灌入压缩空气法，并将灌入压缩空气法作为主要清灰方法，通过长伸缩式的吹灰装置来保证残渣得到彻底清除。

最后，还要通过悬吊方式来对余热锅炉本体进行设计，这样可提高炉体钢结构的柔性，经连续三年的运行，炉体的蒸汽压力和蒸发量全部满足设计要求，并且始终保持着良好的清灰效果，受热面也未出现腐蚀现象[5]。

3.2 某厂锌氧炉余热锅炉的设计实例

在某厂中采用的锌氧炉属于一种间断式作业的锅炉，锌氧炉能够直接生产氧化锌粉，不过由于烟气温度以及烟气量存在较大波动，因此需要按照以下设计原则来进行设计，该锌氧炉的炉期约为2.5h左右，旺粉期可持续80min，此时烟气量及烟气温度为最高。在设计过程中，烟气冷却室为水平方向的直通式结构，其室内空间相当于大空腔辐射室，并需对锌氧炉聚尘室进行配置，以便于对聚尘室进行代替，在辐射室的顶棚以及墙面均配置有膜式水冷壁。在设计过程中，不需要设置对流受热面，以降低烟尘在受热面上的附着概率。在余热锅炉中，其顶棚和周围均采用水冷壁直联气包结构，并在墙角设置下降管，两侧联箱则需将水冷壁从后墙中伸出，并沿着墙壁来对直联汽包进行向上布置，以此节约钢材，同时保持紧凑的结构。最后，还要利用自然循环，并使用弹性振打机来进行除灰。经连续两年的运行，该余热锅炉无论是在蒸汽压力，还是蒸发量上均满足设计要求，而且生产的氧化锌粉纯度达到99.9%，其标准品级已达到二级。

4 结语

总之，在对有色冶金炉余热锅炉进行设计时，必须要解决当前所产生的固有问题，例如清理灰渣难度较大、过高的烟尘温度等，而这便需要对其炉内温度以及腐蚀条件等进行充分考虑，并以此制定出具有针对性的设计措施，在本文中提出的设计原则都是经过大量实践的，因此在设计过程中需要严格遵循这些设计原则。