陳逢勝，王崗

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐的研究與開發(fā)

陳逢勝，王崗

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

針對(duì)富氧頂吹浸沒噴槍熔池熔煉技術(shù)首次應(yīng)用于大規(guī)模鎳冶煉工業(yè)化生產(chǎn)，研發(fā)成功了世界上首臺(tái)富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐，該余熱鍋爐是目前世界上蒸發(fā)量最大的有色冶金爐余熱鍋爐。介紹了富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐的性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、創(chuàng)新性、先進(jìn)性、運(yùn)行情況和運(yùn)行效益，指出了其在余熱回收領(lǐng)域的重要意義和應(yīng)用前景。

鎳熔煉;頂吹爐;余熱鍋爐;蒸發(fā)量;創(chuàng)新

1 前言

金川集團(tuán)有限公司原采用鎳閃速爐熔煉技術(shù)為主進(jìn)行鎳冶煉［1］。為了進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，增強(qiáng)對(duì)原料的適應(yīng)能力，提升鎳冶煉的技術(shù)和裝備水平，金川集團(tuán)有限公司決定采用由金川集團(tuán)有限公司、澳大利亞澳斯麥特公司和中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司聯(lián)合開發(fā)的JAE富氧頂吹浸沒噴槍熔池熔煉技術(shù)新建一套鎳冶煉系統(tǒng)，這是JAE富氧頂吹浸沒噴槍熔池熔煉技術(shù)首次應(yīng)用于大規(guī)模鎳冶煉工業(yè)化生產(chǎn)。作為該項(xiàng)目中最為關(guān)鍵的設(shè)備之一，富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐系統(tǒng)由中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司總承包。

隨著有色冶煉技術(shù)的發(fā)展，近幾年來(lái)采用頂吹爐作為熔煉爐和吹煉爐的應(yīng)用越來(lái)越多。在冶金爐后設(shè)置余熱鍋爐，通過高溫?zé)煔馀c余熱鍋爐受熱面之間的熱交換使煙氣冷卻，同時(shí)利用煙氣冷卻過程中放出的熱量生產(chǎn)蒸汽，不僅可以有效地冷卻冶煉煙氣，減少污染，滿足后續(xù)煙氣除塵和制酸工藝的要求，確保冶煉工藝的安全生產(chǎn)，而且可以充分回收煙氣余熱，節(jié)約燃料，降低冶煉能耗，提高整個(gè)工藝過程的經(jīng)濟(jì)性［2］。頂吹爐后面設(shè)置的頂吹爐余熱鍋爐則是頂吹冶煉過程中必須的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，余熱鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定直接關(guān)系到整個(gè)冶煉工藝生產(chǎn)。

2 余熱鍋爐參數(shù)和結(jié)構(gòu)

2.1 余熱鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

金川富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐的設(shè)計(jì)是基于以下煙氣條件進(jìn)行的:

余熱鍋爐入口煙氣量:117678Nm3/h(正常)，

130000 Nm3/h(最大);

余熱鍋爐入口煙氣溫度:1380±50℃;

余熱鍋爐入口煙氣成份(Vol.%):

CO217.87，SO30.13，SO215.81，H2O22.55，O23.37，N240.27;

余熱鍋爐入口煙氣含塵量:37.95g/Nm3;

余熱鍋爐工作壓力:4.6MPa;

余熱鍋爐工作溫度:260℃;

余熱鍋爐蒸發(fā)量:96t/h(正常)，105t/h(最大);

余熱鍋爐排煙溫度:341℃(正常)，348℃(最大)。

2.2 余熱鍋爐結(jié)構(gòu)

本余熱鍋爐采用直通式強(qiáng)制循環(huán)鍋爐，由熔煉爐爐蓋、上升煙道、下降煙道和水平布置的對(duì)流區(qū)四部分組成。熔煉爐爐蓋、上升煙道、下降煙道和對(duì)流區(qū)外墻均由膜式水冷壁組成。余熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖如下:

圖1 余熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

上升煙道尺寸為3020×5060mm，高約37m。上升煙道下部采用單獨(dú)受熱面稱水冷屏，水冷屏高度約為0.48m，水冷屏與上升煙道上部采用耐高溫柔性膨脹節(jié)連接。

下降煙道尺寸為4100×5060mm，高約40m。上升煙道和下降煙道之間為過渡區(qū)，過渡區(qū)頂部設(shè)置1個(gè)防爆門，防爆門外部設(shè)防護(hù)煙罩和煙道，煙道接至安全地點(diǎn)。下降煙道前墻與上升煙道后墻連接處采用傾斜結(jié)構(gòu)，與水平面的傾角為65°，以減輕煙灰的粘結(jié)。

對(duì)流區(qū)寬為4480mm，直段高為7050mm，長(zhǎng)度約40m。對(duì)流區(qū)內(nèi)部布置1塊煙氣擋板和8組對(duì)流管束，并預(yù)留1組管束的位置。8組對(duì)流管束中有2組屏式結(jié)構(gòu)的管束，6組為順列結(jié)構(gòu)的管束。

熔煉爐和水冷屏之間設(shè)置煙氣閘板，煙氣閘板由鋼結(jié)構(gòu)框架和耐火澆注料組成，上升煙道兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)軌，煙氣閘板沿導(dǎo)軌滑動(dòng)，正常運(yùn)行時(shí)，煙氣閘板放在爐外。

在余熱鍋爐的下列部位設(shè)置柔性膨脹節(jié)，水冷屏與熔煉爐爐蓋接口、下降煙道與對(duì)流區(qū)接口、余熱鍋爐出口。膨脹節(jié)的作用是補(bǔ)償兩部分之間的不同方向的熱膨脹，防止外部空氣或內(nèi)部煙氣的泄漏，避免鍋爐受熱面的腐蝕，改善操作環(huán)境。

余熱鍋爐垂直煙道采用懸吊結(jié)構(gòu)，上升煙道和下降煙道作為一個(gè)整體懸吊于廠房鋼結(jié)構(gòu)68.0m層橫梁上。對(duì)流區(qū)作為一個(gè)整體通過箱形梁支撐在對(duì)流區(qū)鋼結(jié)構(gòu)柱側(cè)。下降煙道和對(duì)流區(qū)兩部分之間留有膨脹縫。

余熱鍋爐爐體采用熱膨脹導(dǎo)向裝置。清灰采用彈簧錘清灰裝置，共設(shè)置了123組彈簧錘。

余熱鍋爐灰斗下部設(shè)置刮板除灰機(jī)，刮板除灰機(jī)將鍋爐灰斗的煙灰運(yùn)出爐外，通過灰管進(jìn)入電收塵煙灰輸送系統(tǒng)。下降煙道下部設(shè)灰斗，灰斗上設(shè)置格柵，以免大塊積灰直接進(jìn)入煙道卡死，大塊積灰由人工從灰斗人孔門清出。

3 余熱鍋爐的創(chuàng)新性、先進(jìn)性

該余熱鍋爐是世界上首臺(tái)富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐，也是目前世界上蒸發(fā)量最大的有色冶金爐余熱鍋爐，具有入爐煙氣量大，煙氣溫度高，運(yùn)行工況變化頻繁，熱負(fù)荷波動(dòng)大等特點(diǎn)。

成功解決了余熱鍋爐大面積受熱面的熱膨脹及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題［3］，在煙氣量和爐膛負(fù)壓劇烈波動(dòng)的工況下，余熱鍋爐爐體結(jié)構(gòu)沒有明顯的振動(dòng)或搖擺。

實(shí)現(xiàn)了余熱鍋爐關(guān)鍵受熱部件的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。全新的膜式壁結(jié)構(gòu)熔煉爐爐蓋成功解決了澆筑料易脫落問題，并保護(hù)了爐蓋管子不被磨損和侵蝕;水冷屏和進(jìn)口密封裝置采用的獨(dú)特設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了爐外清理水冷屏內(nèi)部結(jié)焦，并能在澳斯麥特爐熱態(tài)下方便地提升水冷屏以插入煙氣閘板。改進(jìn)了防爆門裝置，大大降低了防爆門上產(chǎn)生結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)，提高了鍋爐運(yùn)行的安全性。通過優(yōu)化余熱鍋爐結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用先進(jìn)可靠的清灰裝置，及時(shí)在線清理余熱鍋爐各受熱面的積灰和結(jié)焦，成功地解決了余熱鍋爐普遍存在的煙塵粘結(jié)和結(jié)渣問題［4-5］，提高了受熱面的換熱效率。余熱鍋爐是一個(gè)多輸入、多輸出且相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜控制對(duì)象［6］。針對(duì)富氧頂吹鎳熔煉爐快速投料和停料的特點(diǎn)，余熱鍋爐采用強(qiáng)制循環(huán)，在負(fù)荷劇烈波動(dòng)的工況下余熱鍋爐仍具有良好的水循環(huán)特性，未發(fā)生水循環(huán)停滯、倒流等情況，從而使余熱鍋爐可以快速啟動(dòng)，能適應(yīng)負(fù)荷的波動(dòng)，提高了余熱鍋爐的可靠性。

改進(jìn)了供電電源的配置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的供電情況，采用3回路電源，確保了供電的可靠性。3回路電源的切換采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，其轉(zhuǎn)換時(shí)間控制在30s以內(nèi)。另外還設(shè)置了蒸汽驅(qū)動(dòng)泵，既節(jié)約了能源，又起到了保安的作用。

改進(jìn)了鍋爐參數(shù)檢測(cè)和控制系統(tǒng)。對(duì)給水泵進(jìn)水總管、除氧器除鹽水水質(zhì)電導(dǎo)率等多項(xiàng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)了在線檢測(cè)，迅速及時(shí)地監(jiān)測(cè)鍋爐的運(yùn)行狀況;鍋爐控制除了與本身的檢測(cè)系統(tǒng)融合在一起，同時(shí)與冶煉的工藝控制系統(tǒng)進(jìn)行連鎖，使兩個(gè)系統(tǒng)緊密地結(jié)合到一起，當(dāng)冶煉工藝參數(shù)超過余熱鍋爐承受范圍時(shí)，連鎖裝置發(fā)生作用，切斷冶煉工藝的加料和供風(fēng)，大大地提高了整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的控制水平。

4 余熱鍋爐運(yùn)行情況

金川公司富氧頂吹鎳熔煉工程是目前全球最大的富氧頂吹鎳熔煉項(xiàng)目，項(xiàng)目投資22億元，設(shè)計(jì)年處理鎳精礦100萬(wàn)t，每年新增鎳冶煉能力高鎳锍含鎳量6萬(wàn)t。鎳熔煉爐內(nèi)徑?5.0m，爐內(nèi)高16.5m，是目前世界上直徑最大，爐膛高度最高的頂吹熔煉爐，它處理的鎳精礦氧化鎂含量較高，熔煉溫度要比銅精礦高150～200℃，這就使富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐具有入爐煙氣量大，煙氣溫度高的特點(diǎn)。該余熱鍋爐設(shè)計(jì)煙氣量為117678m3/h，最大煙氣量130000m3/h，入口煙氣溫度1380±50℃，設(shè)計(jì)蒸發(fā)量為93t/h，最大蒸發(fā)量105t/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度350±30℃。試生產(chǎn)階段發(fā)現(xiàn)實(shí)際進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)測(cè)的入爐煙氣量，余熱鍋爐蒸發(fā)量經(jīng)常超過設(shè)計(jì)最大蒸發(fā)量，因此對(duì)余熱鍋爐的水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，使余熱鍋爐的最大蒸發(fā)量達(dá)到160t/h。目前實(shí)際生產(chǎn)過程中，余熱鍋爐平均蒸發(fā)量約為126t/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度320～360℃。

該項(xiàng)目于2006年9月30日開工建設(shè)，于2008年10月20日正式投產(chǎn)運(yùn)行，經(jīng)過近一個(gè)月的投料試運(yùn)行，生產(chǎn)能力等各項(xiàng)指標(biāo)就基本達(dá)到并部分超過設(shè)計(jì)能力。富氧頂吹鎳熔煉余熱鍋爐經(jīng)歷了大負(fù)荷、JAE爐系統(tǒng)反復(fù)調(diào)整的復(fù)雜工況的考驗(yàn)，余熱鍋爐以其良好的工況適應(yīng)性，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)定的性能指標(biāo)，完全滿足富氧頂吹爐生產(chǎn)工藝要求。以余熱鍋爐實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為計(jì)算依據(jù)，余熱鍋爐平均蒸發(fā)量為126t/h，年產(chǎn)汽量:997920t，年回收余熱折合標(biāo)準(zhǔn)煤9.2萬(wàn)t。為后續(xù)煙氣收塵和煙氣制酸創(chuàng)造了較好的條件，同時(shí)回收了大量的冶煉煙氣余熱，提高了整個(gè)冶煉工藝生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

富氧頂吹鎳熔煉爐余熱鍋爐的研制成功，解決了同類型余熱鍋爐設(shè)計(jì)中所面臨的許多技術(shù)問題，進(jìn)行了大量的技術(shù)創(chuàng)新，保證了整個(gè)項(xiàng)目的順利投產(chǎn)并達(dá)產(chǎn)，為業(yè)主創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益，為冶煉廠真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排創(chuàng)造了條件，也為有色冶金行業(yè)余熱回收技術(shù)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，在業(yè)內(nèi)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，具有重大的意義。

該項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容處于余熱回收技術(shù)發(fā)展的前沿，其成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，在我國(guó)有色冶煉余熱回收領(lǐng)域具有很好的市場(chǎng)前景和極大的推廣價(jià)值。

［1］王偉，李光.金川鎳閃速熔煉爐現(xiàn)狀及前景展望［J］.有色金屬(冶煉部分)，2003(1):2-5.

［2］阮建國(guó)，曾達(dá)云，宋冬根.大型銅冶煉廠煙氣余熱回收及熱電聯(lián)產(chǎn)［J］.有色冶金設(shè)計(jì)與研究，1994(4):27-34.

［3］陸樹友.金昌冶煉廠澳斯麥特爐余熱鍋爐的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與運(yùn)行效果［J］.中國(guó)有色冶金，2004(6):38-39.

［4］北京有色冶金設(shè)計(jì)院.余熱鍋爐設(shè)計(jì)與運(yùn)行［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，198246-52.

［5］楊毓和.控制艾薩爐余熱鍋爐結(jié)渣探討［J］.中國(guó)有色冶金，2007(5):19-22.

［6］余以慧.過程控制［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1998:112-119.

Research and Development of Waste heat boiler for Oxygen-enriched Top-blast Nickel Smelting Furnace

CHEN Feng-sheng，WANG gang

(China ENFI Engineering Crop.，Beijing 100038，China)

When the oxygen-enriched top-blast submerged-lance melting-bath smelting technology first applying in the large -scale nickel refining commercial progress，the first waste heat boiler(WHB)for oxygen-enriched top-blast nickel smelting furnace is researched and developed in the world.The evaporating capacity of the WHB is the largest in WHBs for nonferrous metallurgy furnace in the world.The performance parameter，structure feature，innovation，advancement，operating status and operating efficiency are introduced in this article.Meanwhile，the significance and the applying prospect in the waste heat recovery are stated here.

nickel smelting;top-blast furnace;waste heat boiler;evaporating capacity;innovation

TK229.92+9

A

1009-3842(2011)06-0038-03

2011-09-26

陳逢勝(1976-)，男，湖南瀏陽(yáng)人，工學(xué)碩士，工程師，主要從事余熱鍋爐的設(shè)計(jì)和研究工作。E-mail:chenfs@enfi.com.cn