范振宇,廖麗柯,羅 賓

(湖南水口山有色金屬集團有限公司精鉛稀貴廠,湖南 衡陽 421513)

0 引言

某鉛冶煉廠采用φ3.3 m×8.5m 銅浮渣轉(zhuǎn)爐替代反射爐處理銅浮渣,銅浮渣轉(zhuǎn)爐從能耗及自動化程度方面都有很大的改善[1]。但是浮渣轉(zhuǎn)爐高溫?zé)煔鈺煔饪谀突鸩牧袭a(chǎn)生沖刷,并且原料中含有S、Cl、F 等元素,產(chǎn)生的煙塵會對水冷煙罩的管壁造成高溫腐蝕及低溫酸腐蝕[2-4],使得爐座整體連續(xù)運行壽命不到3個月,嚴(yán)重制約了爐子的作業(yè)率。水冷煙罩至表冷段的人字煙管積灰嚴(yán)重,清灰工作量較大,爐內(nèi)負(fù)壓條件無法穩(wěn)定控制。根據(jù)爐子實際的運行參數(shù),設(shè)計煙氣口銅水套及優(yōu)化煙罩水套是提高爐子整體壽命的重要攻關(guān)方向[5]。

1 問題分析

該廠銅浮渣轉(zhuǎn)爐采用25%～40%的富氧燃燒天然氣加熱,煙氣溫度1 000～1 200℃。根據(jù)生產(chǎn)情況,該爐面臨兩個瓶頸問題,一是鎂鉻渣骨料搗筑的煙道口燒損嚴(yán)重,使用周期為1～2個月,二是煙氣中含有2%～5%的SO2,高溫?zé)煔庵苯訉λ錈熣诌M行硫化物高溫腐蝕,加上煙塵對水冷壁的沖刷侵蝕等原因,煙罩使用壽命只有3～5個月?，F(xiàn)場煙道口燒損及水冷壁腐蝕情況見圖1。受原料及爐況的局限性,目前尚未找到徹底解決防高溫腐蝕的有效辦法。相關(guān)研究認(rèn)為煙氣溫度在500℃以內(nèi),高溫腐蝕可以得以保持和控制[6],綜合煙氣的低溫腐蝕及煙氣后期布袋除塵器要求大于露點溫度180℃[7],所以理論上在水冷煙罩溫度保持在300～500℃可以保證煙罩材料的使用壽命[8],轉(zhuǎn)爐煙氣冷卻裝置的改進應(yīng)根據(jù)此理論工況條件來設(shè)計。

2 轉(zhuǎn)爐冷卻裝置優(yōu)化設(shè)計方案

2.1 煙口銅水套設(shè)計

要提高爐體煙氣口使用壽命,并將高溫?zé)煔饪刂圃?00～500℃范圍內(nèi),工程應(yīng)用中較成熟的方案是增加銅水套冷卻裝置[9],由于該銅浮渣爐煙口狹小,整體式水套相較于分塊式的水套更容易安裝,更換更加便捷,供水簡易可靠。根據(jù)工況條件,煙氣量為7 670m3/h,煙塵濃度為10～20 g/m3,煙氣溫度從1 000～1 200℃冷卻至700～800℃,排煙煙氣焓的計算式見式(1)。

圖1 煙道口燒損及水冷壁管腐蝕情況

式中:Iy是由爐體進入銅水套的煙氣焓,kJ/Nm3；Ic為進入銅水套的煙塵焓,kJ/Nm3。

以選用φ48 mm×9 mm 銅管為前提,進行冷卻換算,換熱面積需3m2以上,入口冷卻水壓大于0.25 MPa,水流量大于2×10m3/h,能較好滿足降溫工藝,銅水套外形及管路布置如圖2所示。水套側(cè)面厚度為100 mm,蛇形管內(nèi)腔距離水套內(nèi)側(cè)面35.5 mm,離水套外壁面25.5 mm。水套設(shè)置兩組水路,每組水路流經(jīng)2個側(cè)面,每組管道約4.2 m的蛇形管道。

圖2 銅水套總裝圖

2.2 水冷煙罩設(shè)計

轉(zhuǎn)爐煙氣水冷裝置原采用膜式水冷壁拼裝而成的水冷煙罩,換熱面積為43m2,經(jīng)過試生產(chǎn)測試,使用壽命為3～5個月,后期出現(xiàn)大面積泄漏,備件及維修成本較高?？紤]到后期維修及更換方便,以模塊化、能快速維修替換為設(shè)計指導(dǎo)思想,達(dá)到減少檢修時間的目的。

由于高溫氣體對水冷壁的沖刷、侵蝕作用,水冷壁后期出現(xiàn)大面積變薄,甚至泄漏的情況。為延長水冷煙罩整體使用壽命,煙罩改進方案采用水箱加水冷壁的組合模式。根據(jù)原水冷壁內(nèi)部水管滲漏情況,煙罩與外排煙道面及相連的側(cè)面以及頂部,都為高溫高速紊流區(qū),侵蝕較嚴(yán)重,因此選擇水箱方案緩解燒蝕泄漏問題；因為水冷煙罩為懸掛式安裝,考慮到整體重量以及換熱效果等因素,其他低溫、低速區(qū)選用水冷壁。

煙罩煙氣口與排煙管過渡段原設(shè)計存在水平區(qū)域P,內(nèi)附輕質(zhì)耐火澆注料煙管,在生產(chǎn)過程中,煙管掛灰及水平段積灰嚴(yán)重,生產(chǎn)過程容易阻塞煙道影響爐內(nèi)負(fù)壓,并且煙灰板結(jié)后清灰難度非常大。為解決此問題,如圖3所示,延長煙罩約485 mm 至墻體側(cè)(圖3),使得管道順延直插入水冷煙罩側(cè)面,消除水平段；清除原內(nèi)襯的澆注料,外部增設(shè)半圓形水套冷卻煙管。

水箱內(nèi)壁設(shè)計如圖4所示,選用14 mm 20G 鍋爐鋼板,外壁使用12 mm 20G 鋼板,內(nèi)部設(shè)置3 塊隔板。水冷壁設(shè)計則如圖5所示,采取水管外部附著式設(shè)計,用42 mm 鋼板做內(nèi)襯壁面,外部蛇形水冷管道選用φ32 mm×3.5 mm 鋼管。管壁與內(nèi)襯板采用連續(xù)滿焊,熔池深度控制在8～10 mm。此設(shè)計一方面可防止高溫?zé)煔庵苯忧治g管壁；另一方面可以滿足后期修復(fù)方便,維修時可直接對燒損內(nèi)側(cè)襯板進行焊補。

進入煙罩的煙氣量計算式見式(2),進入煙罩的煙氣焓計算式見式(3)。

圖3 水冷煙管結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

圖4 水箱零件圖

式中:Δ ?為煙罩的漏風(fēng)系數(shù),取0.1；V′為爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生煙氣量,m3/h。

圖5 水冷壁零件圖

式中:I′y是由銅水套進入水冷煙罩的煙氣焓,kJ/Nm3；I′c為進入水冷煙罩的煙塵焓,kJ/Nm3。

空氣及其組分焓值和煙塵的平均焓值見表1[10]。

表1 空氣及其組分焓值和煙塵平均焓值

根據(jù)熱平衡計算,其中水箱面積需大于等于25.13m2,水冷壁面積需大于等于12.68m2,換熱面積總共37.81m2,結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。水冷煙罩總裝圖見圖6。

表2 水冷煙罩結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖6 水冷煙罩總裝圖

2.3 水路設(shè)計

為保障供水可靠性,設(shè)計雙路水源聯(lián)鎖的冷卻水系統(tǒng)[11],進口水源為軟化水,水溫在30～35℃范圍內(nèi),備用水源采用電動調(diào)節(jié)閥,如圖7所示,通過DCS 實時監(jiān)測主水源與備用水源供水水壓,當(dāng)主水源壓力低于0.2 MPa時,由DCS 邏輯控制自動打開備用水源電動閥門,切換到備用水路供水,保障銅水套與水冷煙罩不間斷供水安全。

圖7 水路分配圖

3 調(diào)試效果

開爐測試水冷情況,供水水壓0.25～0.3 MPa,水流量、水路溫度、煙氣出口溫度趨勢如表3所示,在該工況下,銅浮渣轉(zhuǎn)爐能較好地滿足生產(chǎn)需求,爐況運行平穩(wěn)。

表3 水冷煙罩運行數(shù)據(jù)表

4 結(jié)語

銅浮渣轉(zhuǎn)爐經(jīng)過煙氣冷卻方案改造,解決了煙道口燒損嚴(yán)重問題,轉(zhuǎn)爐本體可以穩(wěn)定運行,爐壽可達(dá)8個月以上。水冷煙罩采用模塊化設(shè)計,煙罩整體壽命可達(dá)1年以上,并且模塊化水套及水冷壁使得后期備件可替換性以及維修方便性都達(dá)到設(shè)計要求；人字煙管經(jīng)改造后,不再大量積灰,經(jīng)交接班簡單清理即可平穩(wěn)保持爐內(nèi)負(fù)壓,整體改造設(shè)計效果顯著。