冶金廠余熱鍋爐設備設計(design of waste heat boiler equipment in metallurgical works)

利用軟化水或除鹽水以汽化的方式冷卻冶金爐窯排出的各種載熱體并回收其余熱，為冶金廠提供蒸汽或熱水的鍋爐設計。余熱鍋爐是冶金廠生產過程中的一項重要設備，也是冶金工廠降低能耗、節(jié)約能源的重要技術手段之一。在有色冶煉廠中，它和閃速熔煉爐、反射爐、諾蘭達爐、轉爐等配套使用；在鋼鐵廠中，它和平爐、轉爐、鋼坯加熱爐等配套使用。

簡史有色冶金廠余熱鍋爐的設計始于20世紀初，美國首先在銅反射爐后裝設了余熱鍋爐，進行回收余熱的嘗試。到了50年代，隨著對余熱利用的重視，余熱鍋爐得到一定程度的發(fā)展，但往往被積灰、腐蝕、磨損等問題所困惑。直至60年代末及70年代初，有色冶金廠余熱鍋爐才發(fā)展到成熟階段。在結構上有兩種基本型式，一種為多通道式，如日本設計的銅反射爐余熱鍋爐；另一種為直通式，如芬蘭設計的閃速爐余熱鍋爐。

中國的有色冶金廠余熱鍋爐設計可以分為三個階段。第一個階段始于20世紀50年代，中國開始研制余熱鍋爐。先后完成了株洲冶煉廠煙化爐、錦西葫蘆島鋅廠焙燒爐等一批余熱鍋爐。在設計上沿用了一般工業(yè)鍋爐的設計方法，即采用自然循環(huán)，雙汽包對流管束，輻射冷卻室四周布置光管水冷壁，重型爐墻，固定式機械吹灰或人工吹灰。這種類型的余熱鍋爐，在某些載熱體含塵較多、塵粒較硬等情況下，易造成堵塞通道，受熱面磨損，致使余熱鍋爐無法正常運行。第二階段始于70年代，中國自行設計了大冶有色金屬公司熔煉反射爐和石園銅業(yè)公司反射爐余熱鍋爐。在結構型式上采用了多通道、鰭片管、雙層護板、輕型爐墻、機械振打清灰裝置、汽水強制循環(huán)或強制與自然聯(lián)合循環(huán)，較前有很大改進，但還存在有汽流偏析、局部過熱、積灰、磨損嚴重等問題。第三個階段始于80年代初，在借鑒國外經(jīng)驗的基礎上，先后設計完成了金川有色金屬公司轉爐、西北鉛鋅冶煉廠煙化爐、鋅沸騰焙燒爐等一批冶金爐的余熱鍋爐。這些鍋爐采用直通式煙道、汽水強制循環(huán)、膜式壁、敷管爐墻、機械振打清灰裝置等一系列新技術，能較好地適應各種煙氣條件，達到了連續(xù)運行，滿足了生產的需要。

早在1931年蘇聯(lián)就在馬格尼托哥爾斯克鋼鐵公司的平爐后設置了煙管式余熱鍋爐，但廣泛地采用Ky型余熱鍋爐是從1950年開始的。這種鍋爐是按照蘇聯(lián)黑色冶金動力托拉斯和國立冶金工廠設計院的設計進行成批生產的。

在20世紀50年代，中國鋼鐵廠所用的余熱鍋爐基本上是從蘇聯(lián)引進的Ky型的余熱鍋爐。到1970年前后，才開始由某些鋼鐵設計院自行設計主要用于回收利用鋼坯加熱爐排出的煙氣余熱的鍋爐。就其型式看，有排管、彎管和蛇管式的水管鍋爐；就其循環(huán)方式看，以自然循環(huán)者居多，強制循環(huán)者較少；就其蒸汽參數(shù)看，大多數(shù)是低壓飽和的，個別是中壓過熱的；就其產汽量看，都是16t／h以下的；就其進口處的煙氣溫度看，基本上都在。700～1000℃的范圍內；就鍋爐整體構成看，有的鍋爐與汽化冷卻裝置一起布置構成聯(lián)合裝置，有的二臺鍋爐合用一個汽包，有的鍋爐還帶有輔助燃燒裝置。對于使用固體燃料爐子的余熱鍋爐都帶有除塵器。與此同時，還從奧地利引進兩套與50t的LD轉爐配套的、按照燃燒法設計的余熱鍋爐和后置的蓄熱器。

進入80年代后，隨著吹氧煉鋼技術的發(fā)展，特別是頂吹氧氣轉爐煉鋼工藝的普遍采用，各鋼鐵設計院又自行按照未燃法設計了回收利用13～150t的煉鋼(含個別提釩用的)轉爐排出的含塵較多又有大量可燃成分(CO)的煙氣余熱的煙道式余熱鍋爐，基本上是采用水冷壁(含膜式)結構和自然循環(huán)方式。利用此法所能回收的包括煤氣和蒸汽的熱量為每噸鋼400～1200MJ。

此外，還在1984年設計了鞍山鋼鐵廠用的頂吹氧氣的大型平爐后的采用蛇管的強制循環(huán)式余熱鍋爐。其額定煙氣量為每小時12×10⁴立方米，鍋爐進出口的煙氣溫度為720／220℃，蒸汽的參數(shù)為1．8MPa，375℃。

隨著煉鐵技術進步的要求，在80年代還從日本國引進了干法熄焦用的余熱鍋爐。

設計內容包括：確定余熱鍋爐的工作參數(shù)、蒸發(fā)量、型式和結構；進行鍋爐本體、鋼架和清灰渣設施的設計；進行熱力、受壓元件強度、水循環(huán)的安全性、煙風道阻力、鋼架強度、安全閥排放量等的計算。

設計要點先是掌握冶煉工藝過程、載熱條件、當?shù)貧庀筚Y料和生產要求；然后再結合冶金廠的具體情況，做出既能適應冶金爐排出載熱體流量的增減、溫度的變化和生產的周期性變化；又有良好的清灰、排渣、防腐蝕、防磨損性能的余熱鍋爐設計。由于余熱鍋爐屬于工業(yè)鍋爐范疇，其設計方法和一般的工業(yè)鍋爐基本相同。冶金廠余熱鍋爐某些具有特色的設計要點是：(1)減少和清除積灰。積灰堵塞通道是造成余熱鍋爐不能正常運行的主要原因，解決的方法是：鍋爐采用直通式煙道，膜式水冷壁和足夠大的輻射冷卻室，以保證進入余熱鍋爐的載熱體中的煙塵能迅速冷卻和沉積；在對流受熱面部分采用拉開橫向間距的辦法，以防止煙塵堵塞。此外，再配以有效的機械振打清灰和壓縮空氣吹灰等裝置。這樣就可以保證余熱鍋爐的正常清灰和排渣。

(2)防止受熱面低溫腐蝕。余熱鍋爐腐蝕的最大威脅來自含有二氧化硫的煙氣對受熱面的低溫腐蝕。防止受熱面低溫腐蝕的方法是，保證在鍋爐設計工作壓力下，鍋爐的汽水飽和溫度高于煙氣中硫酸蒸汽的露點溫度，并有一定的裕度。在系統(tǒng)上尚需設置自動控制設施，以保證鍋爐出口的蒸汽壓力穩(wěn)定在設計工作壓力下運行。

(3)減少漏風。余熱鍋爐需要有良好的密封性，特別是在二氧化硫濃度較高的煙氣條件下工作，密封較好的鍋爐可延長其使用壽命，且當煙氣用于制酸時，還可保證煙氣中有較高的二氧化硫濃度，有利于制酸。減少漏風的有效措施是采用膜式水冷壁，注意鍋爐入口、爐頂和門孔的密封，盡量不采用壓縮空氣吹灰，使漏風減少到最小程度。

(4)輔助燃燒裝置。由于某些冶金爐的生產不是連續(xù)的，所以應視冶金爐窯的作業(yè)率、載熱體的參數(shù)變化以及全廠蒸汽平衡的要求等因素決定是否設置輔助燃燒裝置。其燃料宜與窯爐所用者相同。

發(fā)展趨勢大余熱鍋爐在冶金廠中的使用范圍。例如：冶金爐煙罩的冷卻采用余熱鍋爐方式，既提高了煙罩的使用壽命又節(jié)約了能源；設計使用礦物燃料的過熱爐，它和余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機組配套實行熱電聯(lián)產，以提高余熱鍋爐的使用效益；設計新型機械振打清灰裝置，提高清灰效率；開發(fā)利用固態(tài)載熱體的余熱鍋爐設備，例如干法熄焦的余熱鍋爐等。為了提高冶金爐窯自身的能源利用率，它們排出的余熱量勢將愈來愈少，排出的煙氣溫度也將越來越低，這就要求設計能以小溫差傳輸大熱量的熱管式余熱鍋爐，雖然此種鍋爐已在某些冶金廠中使用，但品種規(guī)格尚待開發(fā)。