莱钢转底炉余热锅炉升级改造研究

郑 波

(莱芜钢铁集团有限公司设备检修中心，山东271104)

余热锅炉水冷壁部分锅炉管多次出现漏水现象，通过对漏水部位管道大面积更换，并对其他部位管道厚度进行测量，管道厚度均在4 mm以上(设计厚度5 mm)，但每次更换后使用不到10天又出现漏水，目前已修复多次，且修复一次时间较长，不少于20天，严重制约着转底炉的正常生产。

1 现状分析

余热锅炉工艺简图见图1。

现场对更换下来的管道进行检查，发现大部分为沿管道方向爆管漏水，除个别管道管壁厚度较薄外，大部分管道管壁厚度均在4 mm以上，通过多方研究，分析有以下几个原因：

(1)由于外部原因突然停电，致使强制循环泵停止运行，不循环导致热量无法带走，形成局部高温，造成高温烟气对水冷壁锅炉管大面积烧损。锅炉水冷壁在正常工况运行下，使用寿命7～8年，锅炉从2011年3月投运到目前已接近7年，这也是水冷壁管道集中爆发漏水的主要原因。

(2)锅炉前期未加药处理以及紧急补充新水造成水质污染，使锅炉水冷壁管道腐蚀、结垢严重，影响了管道使用寿命，这也是锅炉漏水的原因之一。

(3)水冷壁集箱排污在锅炉中间位置(+13.5 m处)，水质污染及腐蚀产生的杂质均沉积在“U”型弯处，不能排出。造成各管水量变化不均，影响了水冷壁的使用寿命，同时酸洗时产生的块状杂质都沉积在“U”型弯，不能排出，加大了锅炉酸洗的难度。

(4)使用焦炉煤气生产时，烟气中硫含量较高，其与烟气中的Zn、碱金属等反应生成ZnSO4、Na2SO4、K2SO4等物质。其中，ZnSO4熔点仅为100℃，且在0～280℃之间会因为吸水形成各种形态的含水结晶物，这也是除尘布袋表面出现水状和油状粘结物的主要原因；Na2SO4熔点884℃，沸点1404℃，但具有吸湿性，晶体为Na2SO4·10H2O和Na2SO4·7H2O，集合体呈致密块状或皮壳状；K2SO4虽然在空气中稳定，但其熔点仅为400℃，该温度正好处于空气换热器，易造成换热器的糊堵。

(5)原料中带入的Cl经高温稳态蒸发进入烟气，与Zn、Pb等生成ZnCl2(290℃)、PbCl2(501℃)等低熔点氯化物，此两种物质亦是造成空气换热器糊堵的主要原因，且ZnCl2吸湿性很强，在空气中易吸水潮解；灰中的NaCl、KCl虽然熔点和沸点均较高，但该两种物质均具有吸湿性，易结块，如烟气中含水量较高(加上锅炉漏水)，其吸水潮解后易造成换热器或除尘布袋的糊堵。

(6)尽管目前加强了对转底炉所用原料中的K、Na、Cl成分的控制并减少了S的来源，但是随着烟气中含Zn量的增加，加上锅炉漏水，换热器仍然存在糊堵现象，糊堵温度区间在300～500℃。

2 改造的必要性

2.1 水冷壁改造的必要性

(1)锅炉属于压力容器，锅炉管受到高温损坏后存在巨大安全隐患，经常导致锅炉爆管漏水事故。出现漏水处理时间长，最少不少于20天，一旦漏水，需要降温6～7天才可处理。

图1 余热锅炉工艺简图Figure 1 Process flow of waste heat boiler

(2)更换完毕后，而通过采用打压、测壁厚手段又无法排查出有问题的管道，无法通过局部更换管道来彻底修复水冷壁。

(3)更换水冷壁管道必须事先告知锅炉质检所，并履行修复、打压、锅炉质检所检验等复杂手续。

(4)锅炉漏水使烟气中湿度增加和进入布袋的烟气温度过低，首先造成换热器管道粘料量增大，增加在线清灰负荷，造成换热器堵塞。其次由于烟气中湿度增加，以及进入布袋的烟气温度过低使粉尘粘度增大，粘附在布袋上反吹不下来，造成布袋糊堵。

2.2 排污方式改造的必要性

排污方式不合理，排污管在进口集箱的末端，集箱在锅炉中间位置(+13.5 m处)，在水冷壁底部双U型弯处的杂质无法排除，导致杂质颗粒沉积底部，堵塞管道，局部不通水，形成爆管。锅炉内部结垢需要清洗时，在底部U型弯处无法将清洗下的杂质带出，如果彻底清洗清除内部杂质，清洗费用较高。

2.3 烟气处理工艺改造的必要性

根据烟气进入布袋除尘器的工艺要求，烟气温度控制在160～180℃。烟气温度过高对布袋寿命产生影响，严重时烧损布袋，使布袋除尘失效；烟气温度过低时，锌盐吸水析出，糊堵布袋，导致除尘效果下降。目前的烟气降温处理不能满足工艺要求，因此须对烟气降温处理工艺进行改造。

2.4 换热器积灰严重改造的必要性

换热器冷却管道间隙不到100 mm，同时烟气在300～500℃之间最容易粘附，换热器积灰严重，导致以下问题：

(1)在生产方面：由于换热器堵塞和布袋的糊堵，使转底炉炉内负压降低，甚至无负压，造成减料生产，甚至停机。

(2)环境方面：一方面由于布袋被糊堵，反吹不断吹，另一方面由于烟气中含有的腐蚀性物质长期粘附在布袋上腐蚀布袋，造成布袋破裂，排放废气中的粉尘超标。

(3)成本方面：锅炉漏水使锅炉内烟气温度降低，减少了蒸汽产量，同时锅炉漏水也造成除盐水的浪费。

2.5 供水管道改造的必要性

进入转底炉一次平台的管道是钢塑管法兰连接，目前已运行8年，管道出现老化，法兰处经常出现漏水，不得不停水处理，影响转底炉锅炉供水，为保证转底炉正常运行，必须补工业新水维持锅炉运行，至少平均一个月出现一两次，处理时间一次不少于1 h。导致炉水水质恶化，加重锅炉的腐蚀。

3 改造方案

鉴于目前转底炉余热锅炉不能满足生产现状，经研究，制定了转底炉余热锅炉升级改造方案，方案的设计思路是：

(1)烟气温度由1100℃降温至220℃。

(2)高温段采用辐射换热，低温段采用对流换热。

(3)考虑Cl离子腐蚀，设置凝渣管屏。

(4)考虑换热面积灰结垢，设置机械弹性振打。

4 主要改造内容

(1)余热锅炉本体由辐射冷却室、蒸发区、过热器、省煤器和汽包组成。锅炉本体安装在转底炉沉降室炉后，将从转底炉出口1100℃左右的高温炉气冷却至200℃吸收其余热，产生2.0 MPa、320℃过热蒸汽。

辐射冷却室采用全膜式壁结构。它具有足够大的容积，使烟气在辐射冷却室内能充分冷却，烟气出口温度控制在600℃左右。由于在此温度下烟尘的粘结性明显减弱，从而减少对流管束的积灰结渣。

对流区外壁及灰斗全部采用膜式水冷壁。在对流区内，沿烟气流向，依次布置凝渣管屏、蒸发管束1、蒸发管束2、过热器、蒸发管束3、蒸发管束4、蒸发管束5和蒸发管束6。各组对流管束之间都留有600 mm左右的检修空间，其间布置人孔门。各组对流管束通过炉顶受热面搁置在锅炉钢架上，便于取出清理。各组管束内，烟气横向冲刷管束，传热系数高，烟气流动平稳，对管束磨损小。

采用直通式通道使烟气均匀、平稳地通过烟道，烟气流动顺畅，没有转弯，不易形成偏流和涡流，辐射冷却室利于粉尘自重沉降；对流区采用横向冲刷，与纵向冲刷相比，大大提高烟气的传热系数；在保证相同传热系数的前提下，横向冲刷采用较低的烟气流速，从而有利于粉尘的自然沉降，防止炉管磨损。

(2)锅炉清灰采用弹性振打装置、仓壁振打、激波吹灰，该装置振打效果好，灰渣运输采用埋刮板运输机、星型排灰阀输送方式。

(3)锅炉底部每个U型管底部设有排污口。

(4)进入转底炉一次阀平台的钢塑法兰连接的管道全部更换为不锈钢管道。

(5)锅炉采用强制循环，由于厂内线路负荷大，无法实现两路电供应，为防止突然停电对锅炉造成的危害，增加高压给水泵及强制热水泵的柴油发电机泵。

5 效益测算

(1)除去冬季生产，平均每月供给发电8500 t，供烧结2000 t，一年7个月，发电按每吨44元计算，每年供发电效益261.8万元；蒸汽按104元吨计算，可节省蒸汽费用14.56万元。

(2)冬季生产蒸汽全部供烧结使用，冬季按4个月计算，每月10.5万 t，可节省蒸汽费用436.8万元。

年效益合计：1065.16万元。

6 结语

该改造方案主要设计思路是强制循环，设计技术成熟可靠，无结构限制，动力可靠。该改造方案属于锅炉压力容器范畴，需要有压力容器设计资质的单位进行设计，施工单位需要有压力容器施工资质的单位进行施工。该项目形成一项转底炉余热锅炉升级改造的新技术，经济和环保效益明显，具有较好的应用前景和推广价值。