转炉处理铜浮渣烟气冷却装置的设计与运用

范振宇,廖丽柯,罗 宾

(湖南水口山有色金属集团有限公司精铅稀贵厂,湖南 衡阳 421513)

0 引言

某铅冶炼厂采用φ3.3 m×8.5m 铜浮渣转炉替代反射炉处理铜浮渣,铜浮渣转炉从能耗及自动化程度方面都有很大的改善[1]。但是浮渣转炉高温烟气会对烟气口耐火材料产生冲刷,并且原料中含有S、Cl、F 等元素,产生的烟尘会对水冷烟罩的管壁造成高温腐蚀及低温酸腐蚀[2-4],使得炉座整体连续运行寿命不到3个月,严重制约了炉子的作业率。水冷烟罩至表冷段的人字烟管积灰严重,清灰工作量较大,炉内负压条件无法稳定控制。根据炉子实际的运行参数,设计烟气口铜水套及优化烟罩水套是提高炉子整体寿命的重要攻关方向[5]。

1 问题分析

该厂铜浮渣转炉采用25%～40%的富氧燃烧天然气加热,烟气温度1 000～1 200℃。根据生产情况,该炉面临两个瓶颈问题,一是镁铬渣骨料捣筑的烟道口烧损严重,使用周期为1～2个月,二是烟气中含有2%～5%的SO2,高温烟气直接对水冷烟罩进行硫化物高温腐蚀,加上烟尘对水冷壁的冲刷侵蚀等原因,烟罩使用寿命只有3～5个月。现场烟道口烧损及水冷壁腐蚀情况见图1。受原料及炉况的局限性,目前尚未找到彻底解决防高温腐蚀的有效办法。相关研究认为烟气温度在500℃以内,高温腐蚀可以得以保持和控制[6],综合烟气的低温腐蚀及烟气后期布袋除尘器要求大于露点温度180℃[7],所以理论上在水冷烟罩温度保持在300～500℃可以保证烟罩材料的使用寿命[8],转炉烟气冷却装置的改进应根据此理论工况条件来设计。

2 转炉冷却装置优化设计方案

2.1 烟口铜水套设计

要提高炉体烟气口使用寿命,并将高温烟气控制在300～500℃范围内,工程应用中较成熟的方案是增加铜水套冷却装置[9],由于该铜浮渣炉烟口狭小,整体式水套相较于分块式的水套更容易安装,更换更加便捷,供水简易可靠。根据工况条件,烟气量为7 670m3/h,烟尘浓度为10～20 g/m3,烟气温度从1 000～1 200℃冷却至700～800℃,排烟烟气焓的计算式见式(1)。

图1 烟道口烧损及水冷壁管腐蚀情况

式中:Iy是由炉体进入铜水套的烟气焓,kJ/Nm3；Ic为进入铜水套的烟尘焓,kJ/Nm3。

以选用φ48 mm×9 mm 铜管为前提,进行冷却换算,换热面积需3m2以上,入口冷却水压大于0.25 MPa,水流量大于2×10m3/h,能较好满足降温工艺,铜水套外形及管路布置如图2所示。水套侧面厚度为100 mm,蛇形管内腔距离水套内侧面35.5 mm,离水套外壁面25.5 mm。水套设置两组水路,每组水路流经2个侧面,每组管道约4.2 m的蛇形管道。

图2 铜水套总装图

2.2 水冷烟罩设计

转炉烟气水冷装置原采用膜式水冷壁拼装而成的水冷烟罩,换热面积为43m2,经过试生产测试,使用寿命为3～5个月,后期出现大面积泄漏,备件及维修成本较高。考虑到后期维修及更换方便,以模块化、能快速维修替换为设计指导思想,达到减少检修时间的目的。

由于高温气体对水冷壁的冲刷、侵蚀作用,水冷壁后期出现大面积变薄,甚至泄漏的情况。为延长水冷烟罩整体使用寿命,烟罩改进方案采用水箱加水冷壁的组合模式。根据原水冷壁内部水管渗漏情况,烟罩与外排烟道面及相连的侧面以及顶部,都为高温高速紊流区,侵蚀较严重,因此选择水箱方案缓解烧蚀泄漏问题；因为水冷烟罩为悬挂式安装,考虑到整体重量以及换热效果等因素,其他低温、低速区选用水冷壁。

烟罩烟气口与排烟管过渡段原设计存在水平区域P,内附轻质耐火浇注料烟管,在生产过程中,烟管挂灰及水平段积灰严重,生产过程容易阻塞烟道影响炉内负压,并且烟灰板结后清灰难度非常大。为解决此问题,如图3所示,延长烟罩约485 mm 至墙体侧(图3),使得管道顺延直插入水冷烟罩侧面,消除水平段；清除原内衬的浇注料,外部增设半圆形水套冷却烟管。

水箱内壁设计如图4所示,选用14 mm 20G 锅炉钢板,外壁使用12 mm 20G 钢板,内部设置3 块隔板。水冷壁设计则如图5所示,采取水管外部附着式设计,用42 mm 钢板做内衬壁面,外部蛇形水冷管道选用φ32 mm×3.5 mm 钢管。管壁与内衬板采用连续满焊,熔池深度控制在8～10 mm。此设计一方面可防止高温烟气直接侵蚀管壁；另一方面可以满足后期修复方便,维修时可直接对烧损内侧衬板进行焊补。

进入烟罩的烟气量计算式见式(2),进入烟罩的烟气焓计算式见式(3)。

图3 水冷烟管结构优化图

图4 水箱零件图

式中:Δ ∂为烟罩的漏风系数,取0.1；V′为炉内燃烧产生烟气量,m3/h。

图5 水冷壁零件图

式中:I′y是由铜水套进入水冷烟罩的烟气焓,kJ/Nm3；I′c为进入水冷烟罩的烟尘焓,kJ/Nm3。

空气及其组分焓值和烟尘的平均焓值见表1[10]。

表1 空气及其组分焓值和烟尘平均焓值

根据热平衡计算,其中水箱面积需大于等于25.13m2,水冷壁面积需大于等于12.68m2,换热面积总共37.81m2,结构参数如表2所示。水冷烟罩总装图见图6。

表2 水冷烟罩结构参数表

图6 水冷烟罩总装图

2.3 水路设计

为保障供水可靠性,设计双路水源联锁的冷却水系统[11],进口水源为软化水,水温在30～35℃范围内,备用水源采用电动调节阀,如图7所示,通过DCS 实时监测主水源与备用水源供水水压,当主水源压力低于0.2 MPa时,由DCS 逻辑控制自动打开备用水源电动阀门,切换到备用水路供水,保障铜水套与水冷烟罩不间断供水安全。

图7 水路分配图

3 调试效果

开炉测试水冷情况,供水水压0.25～0.3 MPa,水流量、水路温度、烟气出口温度趋势如表3所示,在该工况下,铜浮渣转炉能较好地满足生产需求,炉况运行平稳。

表3 水冷烟罩运行数据表

4 结语

铜浮渣转炉经过烟气冷却方案改造,解决了烟道口烧损严重问题,转炉本体可以稳定运行,炉寿可达8个月以上。水冷烟罩采用模块化设计,烟罩整体寿命可达1年以上,并且模块化水套及水冷壁使得后期备件可替换性以及维修方便性都达到设计要求；人字烟管经改造后,不再大量积灰,经交接班简单清理即可平稳保持炉内负压,整体改造设计效果显著。