供稿|張偉旗/ ZHANG Wei-qi

某冶煉廠于1982年從日本川崎重工率先引進BLW77型強制循環(huán)閃速爐余熱鍋爐(簡稱FFB)。多年來，該廠通過不斷的消化吸收、跟蹤發(fā)展和自主創(chuàng)新突破，已建成集環(huán)保、節(jié)能、高效于一體的國內(nèi)外規(guī)模最大、技術(shù)最先進的閃速煉銅企業(yè)。而FFB一直與主工藝流程相伴而生，是閃速爐(簡稱FF爐)生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設備之一，其運行狀況直接影響到FF爐的正常運行，F(xiàn)F爐排煙中所含煙塵的40%左右在通過FFB時受重力作用而沉降下來[1]。勿容置疑，其作用不可替代，且舉足輕重。

對銅冶煉工業(yè)而言，閃速熔煉工藝無疑是一次大革命。該廠雖歷經(jīng)數(shù)次技改工程挖潛，富氧量和裝入量大幅提高，1#FF爐產(chǎn)能達30萬t/a。但隨著產(chǎn)能的不斷攀升及銅精礦雜質(zhì)含量的不斷變化，F(xiàn)FB運行工況與原設計相比變化很大，其煙氣條件及運行參數(shù)變化大，熱負荷已遠超原設計水平，煙氣含塵量陡增，煙塵粘結(jié)嚴重、易垮塌且難以預測，只能低負荷生產(chǎn)，甚至被迫停爐“爆破”清灰，嚴重干擾主工藝生產(chǎn)的順行，對安全生產(chǎn)威脅大，經(jīng)濟損失巨大，因而成為制約該類生產(chǎn)線的技術(shù)“瓶頸”和核心問題。

FF余熱鍋爐技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及分析

余熱資源的利用方式隨著熱源形態(tài)即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的不同與溫度水平的不同而有所不同。而工業(yè)余熱資源利用，按用途主要分為：余熱制冷制熱法、熱功轉(zhuǎn)換法及熱交換法。其中，制冷制熱法由吸收式制冷機組和熱泵來回收余熱；熱功轉(zhuǎn)換法是傳統(tǒng)的以水為工質(zhì)的蒸汽透平發(fā)電方法及以低沸點工質(zhì)的有機工質(zhì)的發(fā)電方法，如余熱鍋爐、蒸汽透平或膨脹機組成低溫汽輪機發(fā)電系統(tǒng)；而熱功轉(zhuǎn)換法通過換熱設備直接將能源傳遞給自身工藝的耗能流程，降低一次能源消耗，效率高、最直接、最經(jīng)濟[2]。

然而，余熱回收最青睞余熱鍋爐。FFB是處于FF爐與電收塵之間的“咽喉”設備，其運行狀況的好壞，極其關(guān)鍵。實踐證明，只要合理控制FFB運行壓力，保證其壁溫始終高于煙氣露點溫度，低溫腐蝕問題不難解決；受熱面磨損損傷，可通過合理組織煙氣流動、降低煙氣流速，得到有效的遏制；由于振打裝置難以清除越積越大的粘結(jié)煙塵，因而成為FFB設計創(chuàng)新中的重中之重。

FFB關(guān)鍵技術(shù)和設計參數(shù)及條件

技術(shù)原理及核心技術(shù)

FFB采用強制循環(huán)方式，利用回收閃速爐、貧化電爐產(chǎn)生的高溫煙氣余熱，生產(chǎn)中壓飽和蒸汽，配套飽和蒸汽汽輪機組、發(fā)電機組抽汽供熱，以實現(xiàn)供熱、電聯(lián)產(chǎn)，其重油燃燒釋放熱量及余熱蒸汽的利用率極高，完全能適應 FF爐“四高”即“高投料量、高富氧濃度、高熱強度、高冰銅品位”熔煉技術(shù)的生產(chǎn)需求。其工藝流程是：純水→除氧→余熱鍋爐→汽輪發(fā)電機組→凝結(jié)水→除氧→余熱鍋爐。其關(guān)鍵核心技術(shù)是：持續(xù)工藝技術(shù)裝備創(chuàng)新，設計耐低溫腐蝕、粘結(jié)性冶煉煙氣的余熱鍋爐并運行優(yōu)化。

設計參數(shù)及煙氣條件

FFB的工作條件主要包括：負荷種類、應力狀態(tài)、加載速度、工作溫度、接觸介質(zhì)、摩擦條件、化學環(huán)境等；其零件材質(zhì)和工藝因素主要包括：化學成分、冶金質(zhì)量、組織狀態(tài)和殘余應力等。其主要設計參數(shù)為：最大煙氣量55000 Nm3/h；入口煙溫1340 ℃；出口煙溫360 ℃；蒸發(fā)量47.0 t/h；蒸汽溫度259 ℃；給水溫度104 ℃；鍋爐壓力5.1 MPa(g)，運行壓力4.5 MPa(g)；循環(huán)水流量1160 m3/h；汽包8400 m×1900 m×5022 m；汽包水位H+440、HH+525、HHH +575、L-440、LL-525、LLL-575 mm；連續(xù)排污額定(若要求水量滿)2%～4%；煙氣阻力300 Pa。其入口煙氣條件為：煙氣量38577 Nm3/h；煙溫1340 ℃；煙氣成分(SO233.5%、CO23.57%、H2O 6.10%、O21.73%、N253.10%；煙氣含塵量144.45 g/Nm3；爐口輻射熱6410 MJ/h。

熱工平衡及能力驗算

據(jù)FFB設計條件，其吹灰噴射空氣、鍋爐漏風及密封空氣分別為6000 m3/h、4000 m3/h、3600 m3/h，因FF爐煙氣量＜設計值，煙氣成分的變化使其熱負荷≥原設計水平，結(jié)合一期、三期運行工況進行熱平衡驗算，其蒸發(fā)量為51.9＜56～60 t/h實際值；其入口煙氣溫度≈設計值，因FF爐漏風、煙氣成分變化不大，其入口煙氣量＞設計值，F(xiàn)F爐滿負荷生產(chǎn)時應達66000～68000 m3/h；若按煙氣成分設計值再次核算，三期技改工程完工后，F(xiàn)FB實際工況條件下的受熱面積足夠，但隨著煙氣條件的變化，輻射室出口煙氣溫度陡升，煙氣含塵量倍增，F(xiàn)FB對流部入口煙塵粘結(jié)的危險性變大，安全生產(chǎn)隱患大。

工藝裝備設計創(chuàng)新及其運行優(yōu)化

空腔輻射冷卻室設計創(chuàng)新優(yōu)化

為有效地防止產(chǎn)生煙氣粘結(jié)現(xiàn)象，F(xiàn)FB結(jié)構(gòu)設計應采用空間足夠大的“空腔輻射冷卻室”，以快速將高溫煙氣冷卻至煙塵粘結(jié)溫度以下，從而能迅速將煙塵變?yōu)楣腆w顆粒而分離沉降下來，并進行運行優(yōu)化。

輻射部水冷壁設計創(chuàng)新及優(yōu)化

新設計輻射部水冷壁前5 m采用Ω管，其余采用膜式水冷壁，使FFB的密封性得以根本改善；輻射部內(nèi)懸掛有一排水冷壁擋板，可延長輻射部內(nèi)煙氣的滯留時間，冷卻效率高，對煙塵的硫酸鹽化反應極為有利；而將水冷壁轉(zhuǎn)角部分優(yōu)化設計成45°倒角，則更有利于防止煙塵在該轉(zhuǎn)角處粘結(jié)。

原設計輻射部水冷壁背撐梁為框架式，彈簧錘振打只能裝在大背撐梁上，彈簧錘受設計所限，難以發(fā)揮原有功能，輻射部入口頂棚和拐角處大量煙灰易粘結(jié)成超大塊，甚至累積至上百噸，一旦大塊脫落，勢必砸壞鍋爐水冷壁管，停爐檢修時間長，損失巨大，宜將兩側(cè)墻前5 m框架式大背撐梁改為小梁；為優(yōu)化環(huán)境，減少吹灰器孔的漏風、漏煙，可拆除部分吹灰器；為增加彈簧錘振打的力度及有效面積，大幅降低煙塵的粘結(jié)，可將振打桿直接焊接在水冷壁上；為不留“死角”，可調(diào)整部分彈簧錘至適宜的安裝位置，且在輻射部兩側(cè)墻和前墻，新增設6臺彈簧錘振打，以使其清灰作用發(fā)揮到極致。

輻射部側(cè)壁爐管設計創(chuàng)新優(yōu)化

因原設計不合理及煙氣沖刷，F(xiàn)FB輻射部側(cè)壁上硫酸鹽化噴嘴管周圍的爐管易漏水，導致FF爐被迫停爐檢修，損失極其嚴重，可對輻射部側(cè)壁上硫酸鹽化噴嘴管周圍的爐管進行設計創(chuàng)新，由原水平設計改為突起設計方式，煙氣沖刷則驟減。

煙氣動力場組織設計創(chuàng)新優(yōu)化

為防止嚴重積灰，應從煙氣動力場組織的角度出發(fā)，統(tǒng)籌考慮，可通過煙氣動力場合理的設計、布置，使煙氣充滿輻射冷卻室，不發(fā)生偏流和短路，促使煙溫按照設計的需求來降溫，即使其爐況不太穩(wěn)定、使用原料變化較大時，其輻射部和對流部均不會再出現(xiàn)結(jié)大塊、煙塵粘結(jié)難清理等現(xiàn)象。

輻射部出口煙溫控制設計優(yōu)化

根據(jù)FFB內(nèi)硫氧化物的分壓和氧分壓，硫酸鹽生成溫度一般約700 ℃，新設計將FFB輻射部出口的煙氣溫度控制于760 ℃左右，使進入對流部的煙塵主要以質(zhì)地疏松的硫酸鹽類形式沉積在管壁上，便于清理；在輻射部出口處，可增設隔柵型擋板，以便均勻地分布對流區(qū)入口煙氣的流量。

對流管束結(jié)構(gòu)設計創(chuàng)新及優(yōu)化

原設計對流部通常積灰多，煙塵粘結(jié)嚴重，主要是由于煙氣成分不斷產(chǎn)生變化且含塵量高，通過FFB熱力校核計算，其輻射室出口煙溫陡增至約790 ℃＞770 ℃左右即檢查孔所測的對流口入口處煙溫，導致對流部較以前更易產(chǎn)生煙塵粘結(jié)；同時，原對流受熱面結(jié)構(gòu)設計不太合理，凝渣管屏的前、中、后部設有6臺吹灰器，在對流部兩側(cè)沿鍋爐縱向設有2組振打錘，對于位于凝渣管屏和四組對流管束下部相連的各振打點，往往因振打力度不足，積灰嚴重，粘結(jié)煙塵難以及時清理，易堵塞煙道。

為克服其結(jié)構(gòu)設計缺陷，新設計采用帶有彈性振打清灰裝置的對流管束替代原設計的凝渣管屏和對流管束，且在輻射冷卻室中設置2組輻射管屏，將輻射室出口煙溫降至約720 ℃。生產(chǎn)實踐證明，為有效地避免FFB對流受熱面的嚴重粘結(jié)，必須嚴格控制對流部入口煙溫＜750 ℃，只要對流管束結(jié)構(gòu)合理、振打裝置有效，即便是更高的煙氣溫度下，煙塵粘結(jié)亦可避免。籍此，更值得鍋爐設計師借鑒和加以推廣。

對流部側(cè)墻水冷壁裝備設計創(chuàng)新

生產(chǎn)運行過程中，對流部側(cè)墻水冷壁易產(chǎn)生晃動較大的故障，為了杜絕該故障的發(fā)生，可通過新增設限位裝置，且采用鋼架進行局部加固等措施來進一步強化。

煙氣硫酸鹽化工藝設計創(chuàng)新優(yōu)化

煙氣的成分極為復雜，其中所含金屬氧化物或硫化物在煙氣的冷卻過程中，皆可與煙氣中的SO2、O2或SO3等反應生成硫酸鹽，為促進煙塵硫酸鹽化反應的發(fā)生，降低煙塵的粘結(jié)性，促使積灰變得更松散、易清除，宜采用噴入硫酸鹽化風技術(shù)和噴加焦粉法加以控制，即可通過FF爐上升煙道，將一定數(shù)量的硫酸鹽化風送入余熱鍋爐；同時，在FFB輻射部前墻上，新增設4根硫酸鹽化風管，以優(yōu)化煙氣的速度和方向，防止煙氣向上流竄，可大幅減少拐角和頂棚處的煙氣粘結(jié)。此舉，對今后銅冶煉FFB及相似余熱鍋爐的發(fā)展及應用，頗具參考價值。

煙氣在線檢測分析設計創(chuàng)新優(yōu)化

為便于清理煙氣流經(jīng)通道所形成的粘結(jié)物，必須在上升煙道入口和余熱鍋爐入口鼓入富氧或空氣，使煙氣中熔融的金屬氧化物發(fā)生硫酸鹽生成反應，該閃速熔煉的硫酸鹽化技術(shù)因富氧或空氣的通入，會促使煙氣中SO3的濃度上升，而SO3濃度高，則對設備防腐和制酸系統(tǒng)等方面極為不利。因此，必須找到O2含量控制的最佳平衡點。

FFB的煙氣中，除礦粉和各種金屬粉末外，還含有大量腐蝕性氣體SO2、CO、CO2、H2O及毒性極強的NOx氣體，嚴重堵塞煙氣輸送管道和取樣器，污染分析儀表，導致無法取樣及進行正常的整個測量分析。對此，可通過建立氧氣分析系統(tǒng)即QT系列風炮式反吹掃煙氣在線監(jiān)測分析系統(tǒng)，即在FFB和電收塵出口處，設置煙氣中的O2濃度監(jiān)測點，來監(jiān)測與控制煙氣中的O2含量。其主要優(yōu)點是：可有效地控制硫酸鹽化的反應，顯著提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)，以節(jié)能降耗、降本增效及延長爐窯使用壽命。其技術(shù)難點是：樣氣采集、樣氣除塵過濾、樣氣除水等環(huán)節(jié)的實現(xiàn)及各環(huán)節(jié)設備的選取[3]。

汽包人孔密封泄漏設計創(chuàng)新優(yōu)化

因原設計不合理及汽包人孔密封墊圈材質(zhì)等問題，易導致FF爐被迫停爐檢修，為有效地提高密封性能，宜設計在保證人孔內(nèi)圈的同時，適當拓寬人孔外圈，避免造成巨大損失；同時應提高密封墊圈材質(zhì)，確保備件制造質(zhì)量，嚴格按技術(shù)規(guī)程裝拆等。

抽汽減壓裝置設計創(chuàng)新及其優(yōu)化

為充分滿足動力透平發(fā)電機的生產(chǎn)需求，減少因蒸汽量的波動而造成的蒸汽過熱器SH、再熱器RH燒嘴燃燒不好，進而影響蒸汽溫度的控制，應在余熱系統(tǒng)蒸汽管網(wǎng)中FF爐和轉(zhuǎn)爐鍋爐蒸汽匯合點之后，新增設蒸汽進氣壓力4.5 MPa、出汽壓力1.27 MPa、蒸汽流量15～20 t/h的抽汽減壓裝置，經(jīng)減壓后的蒸汽直接送入外界低壓蒸汽管網(wǎng)。一旦蒸汽干燥機停用汽，蒸汽量變大、壓力升高時，減壓器則會自動打開泄壓。

防局部過欠熱低溫腐蝕設計創(chuàng)新

生產(chǎn)實踐證明，低溫腐蝕已成為進一步降低FFB排煙溫度和提高熱效率的主要障礙。新設計采用較高的水循環(huán)倍率，且在FFB各分配聯(lián)箱上，專門設置調(diào)節(jié)孔板，可使FFB各換熱面的溫度均勻。

彈簧錘振打裝置設計創(chuàng)新及優(yōu)化

FFB早期多采用吹灰器或機械振打裝置清除受熱面沉積的煙塵[4]。而新設計則采用直通煙道式懸掛結(jié)構(gòu)，煙氣流暢，便于振打清灰；可將原設計輻射部、對流部連桿式捶打和吹灰器全部改進為彈性錘振打清灰裝置。如圖1所示，為FF余熱鍋爐振打裝置安裝圖。輻射部設有彈簧錘振打裝置49臺，對流部40臺，以有效地清除粘附于水冷壁、管壁和管束等部位煙塵，煙塵由運轉(zhuǎn)振打裝置振落至FFB下部灰斗，再由二臺刮板機輸送出，最終抵煙灰倉。

圖1 FF余熱鍋爐振打裝置安裝圖

其彈簧振打桿上設有雙片牒形彈簧，低頻沖擊力大時，易損壞清理處；高頻沖擊力小時，不能從沖擊點穿透得很遠，為便于清灰和防止積灰，又不致于損壞清理處，宜選用中頻振動。其工作原理是：電動機通過蝸輪蝸桿減速機驅(qū)動主動鏈駝，再通過鏈條帶動舉錘裝置機構(gòu)將錘頭舉至設定高度，落錘裝置將錘頭落下?lián)舸驈椈烧翊驐U，舉錘機構(gòu)隨從動輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動經(jīng)導向復位，再次舉錘實施第二次振打，如此循環(huán)周而復始。其主要優(yōu)點是：可通過調(diào)整彈簧錘錘打的時間與周期，清灰效果極其出色，平時故障少且易判斷，維修工作量小，節(jié)能效果甚佳。

刮板運輸機斷鏈保護設計創(chuàng)新

運輸機鏈條使用過程中，常出現(xiàn)卡死或斷裂現(xiàn)象。鏈條卡死時，若不能及時停止，易導致鏈條拉斷或電機燒毀；一旦鏈條斷裂后，電機仍在旋轉(zhuǎn)，則會導致鏈條進一步損壞，增加檢修量和檢修難度。對此，可新增設速度檢測裝置，當鏈條卡死或斷鏈時，該裝置能立刻發(fā)出聯(lián)鎖信號及報警信號，輸送機將自動停止，以防止事態(tài)進一步擴大。

防止煙塵后移堆積設計及創(chuàng)新

為避免對流部入口、沉降室等位置煙塵堆積，宜在對流部入口斜坡處新增設2臺彈性錘振打清灰裝置，可及時排除斜坡粘結(jié)煙塵，特別是能有效防止后移煙塵的堆積。

煙氣再循環(huán)利用設計創(chuàng)新優(yōu)化

新設計FFB必須充分考慮到電爐煙氣量的大小，應將電收塵后的部分低溫煙氣導入其入口，促使該部分煙氣得以快速冷卻，煙塵的粘結(jié)大幅減少；而通過優(yōu)化設計再循環(huán)煙氣導入位置及方向，合理組織輻射冷卻室的煙氣流動，對有效地改善煙氣流場及溫度場效果，影響極大，也有利于企業(yè)的生態(tài)建設和產(chǎn)生巨大的循環(huán)經(jīng)濟效益。

水處理凈化除垢裝備設計創(chuàng)新

為加強FFB冷卻水的水質(zhì)管理，考慮到受當?shù)貧夂虻乩項l件的限制，所使用冷卻水為動力車間提供的純水，若循環(huán)水處理設備維護保養(yǎng)不及時，導致進入FFB冷卻水管的水質(zhì)硬度、堿度、含鹽量等時有超標現(xiàn)象，冷卻水管內(nèi)壁易產(chǎn)生沉積水垢，應設計新增設一套水處理凈化設備用于除垢。

防止缺水或燒干裝置設計創(chuàng)新

FFB嚴重缺水或燒干事故偶有發(fā)生，往往會造成爐管爆裂，水冷壁管全部或局部變形，除及時檢修及更換自動給水調(diào)節(jié)器外，為以防萬一，宜在鍋爐工操作處，設計新增便于手動控制的給水裝置。

結(jié)語

智慧是火，創(chuàng)新是光?？萍歼M步和技術(shù)創(chuàng)新是實現(xiàn)工廠跨越式發(fā)展的良好手段，也是FFB賴以生存和發(fā)展的根本所在。該廠通過持續(xù)的工藝裝備設計創(chuàng)新及運行優(yōu)化，在FF爐“四高”熔煉技術(shù)強勁需求的驅(qū)動下，在引進技術(shù)與技術(shù)創(chuàng)新交叉融合的推動下，保障了FFB的“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運行，實現(xiàn)了與陰極銅產(chǎn)能超120萬t/a大關(guān)相匹配，不斷為FFB的發(fā)展與創(chuàng)新，開拓了新的理念、新的模式、新的技術(shù)及新的發(fā)展空間，其擁有的多項專利技術(shù)和關(guān)鍵核心技術(shù)，則提升了國內(nèi)外相關(guān)鍋爐行業(yè)的工藝技術(shù)裝備水平，樹起了新的世界級裝備樣板，對進一步穩(wěn)固有色冶煉裝備高端市場意義重大，有效地促進了我國國民經(jīng)濟的可持續(xù)性發(fā)展，其市場應用前景十分廣闊。

[1] 張偉旗，蔡龍生. 閃速爐技術(shù)裝備創(chuàng)新及常見設備故障的控制. 中國有色冶金，2012，41(2)：30

[2] 王曉松. 閃速爐余熱鍋爐多場耦合數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化. 長沙：中南大學，2012

[3] 鐘福長，李奉彪，王偉，等. 閃速爐余熱鍋爐煙氣在線監(jiān)測分析系統(tǒng)—T系列風炮式反吹掃煙氣在線監(jiān)測分析系統(tǒng).有色冶金設計與研究，2011，32(4-5)：97

[4] 王崗，勞學競，德強. 貴溪冶煉廠閃速爐余熱鍋爐改造. 有色金屬(冶煉部分)，2005(1)：1