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分类号：TK229.92+9 文献标识码：A
文章编号：1001－2060（2000）02－0131-03 Design Features of a Copper Smeltery Heat-recovery Boiler Xiao Pinhua
（Nanchang Non-ferrous Metallurgical Design Research Institute） Abstract：On the basis of proven engineering practice summed up are the general principles and specific features of a steel smeltery heat-recovery boiler. With the aim of changing the present situation of having to use imported heat-recovery boilers for copper smelteries there exists a real urgency to develop heat-recovery boilers based on domestic design for use in such smelteries.
Key words：copper smeltery, heat recovery boiler, design features▲ 1 引言
余热锅炉是铜冶炼厂不可缺少的设备之一，它不但可以回收高温烟气中的二次能源，降低烟气温度，更重要的是捕集高温烟气中的烟尘，回收贵重金属，降低烟气的含尘量，保证工艺系统的畅通，为尾部工艺创造有利条件。60年代，闪速熔炼技术的出现对余热锅炉的研制工作起了促进作用，使积灰、腐蚀、磨损等问题得到解决。铜冶炼厂使用较多的冶金炉主要有：闪速炉、转炉、阳极炉等，由于冶金炉生产过程中，烟气量变化较大，烟气中SO2及烟尘含量高。因此要使余热锅炉在这种恶劣的条件下工作，首先就要从余热锅炉的设计着手，尽可能适应烟气条件，满足工艺要求。表1列出铜陵金隆公司冶炼厂的烟气条件。 表1 冶金烟气含SO2、烟尘、温度表冶金炉名称SO2含量／%烟尘含量／%温度／℃闪速炉22.92139.21340转炉9.6～12.0318～60.6800阳极炉14～17微量1350
2 锅炉型式的选择及其特点
铜冶炼厂余热锅炉的结构型式基本上有两种：一种是多通道式，烟气在锅炉中成多回程式流动；另一种是直通式，烟气在锅炉内不转弯，成直流式流动。这两种余热锅炉在结构布置上特点各异，根据铜冶炼生产过程的特点，大多数冶金炉排出的SO2和烟尘含量高，烟气量波动大，烟气温度高，而且烟尘中含有粘结性很强的金属。为了防止积灰，常采用直通式余热锅炉。
余热锅炉按水循环方式可分为自然循环型、强制循环型及二者相结合型三种。究竟采用哪种型式，可根据烟气性质、入口位置、布置型式及清灰方式来确定。其比较见表2。 表2 自然循环与强制循环的比较比较条件自然循环强制循环水容量和锅炉启动时间水容量大，负荷变动对水位影响小，突然停电危险性小，但启动时间长，需要设启动燃烧器，将压力升高到烟气露点以上。水容量小，对负荷变化反映快。使用其他锅炉蒸汽或用冶金炉启动，升压启动快。给水设备由于水管直径大，仅用软化水设备和除氧器进行给水处理即可。管径小，且装有集箱孔板，容易发生堵塞。要求高水质，增加水处理设备。锅炉结构
及其大小庞大、复杂紧凑、体积小吹灰装置的效果及烟气浓度吹灰器作用范围有限，且增加冷空气，影响大可用锤击式清灰器，效率高，对锅炉无影响，浓度稳定。锅炉操作简单、易行装有循环泵，既要监视循环水量，又要监视水质。建设费用小型锅炉采用
比较经济对大型锅炉经济，
且省钢。运转费用较低增加纯水装置的运转费，以及循环泵的电耗费。锅炉效率 锤击效果好，故效率较高。烟气温度调节装调节挡板难，故温度调节不易。易装挡板。
3 重要热工参数的确定
3.1 烟气露点及排烟温度的确定
根据烟气成分，确定烟气露点。根据式(1)计算烟气中硫酸重量浓度：  (1)
VSO3=ρ.VSO3 (2) 烟气中水蒸气和三氧化硫分压力之和为： PH2O+SO3=(b─PR／13.6)(VSO3+VH2O)／100 (3) 式中：VSO3──SO3在烟气中所占的容积率，%
VH2O─H2O在烟气中所占的容积率，%
ρ──烟气中SO3转化成SO3的百分率；在无资料的情况下，一般取10%。
b──锅炉安装地点大气压力，Pa
PR──锅炉冷却室烟气负压，Pa
PH2O+SO3──烟气中H2O和SO3分压力之和，Pa
根据C及PH2O+SO3之值查文献［2〕图1～4，确定出烟气露点。 
图1 水冷壁结构型式 为了不使锅炉尾部受热面发生低温腐蚀，管壁温度应高出烟气露点，并根据尾部工艺的要求确定排烟温度。
3.2 锅炉蒸汽参数的确定
由于烟气的成分不同，其硫、水蒸气含量各不相同。因此在烟气成分确定以后，先确定烟气露点，再取蒸汽温度等于烟气露点，确定出余热锅炉的工作压力，圆整后确定余热锅炉的设计压力及饱和蒸汽的温度。这样管壁温度就比烟气露点高出30℃～60℃，从而保证了锅炉尾部受热面不会发生低温腐蚀。
蒸汽压力、蒸汽温度确定以后，即可按锅炉热平衡方式确定烟气最大量时的锅炉最大蒸汽产量。 4 锅炉结构的设计
4.1 辐射冷却室的设计
在铜冶炼厂余热锅炉中，均采用足够大的“空腔辐射冷却室”。合理组织辐射冷却室内的烟气动力场，利用烟气中三原子气体和烟尘的有效辐射传热，将高温烟气迅速冷却至烟尘的粘结温度以下，使烟尘变成固体灰粒。烟气流速控制在1m／s以下。目前使用的或正在设计的锅炉冷却室高与宽之比一般不大于2，使大部分烟尘尚未和管壁接触就分离沉积下来。但烟尘的凝固点不像煤灰软化点那样容易确定。因为它不但取决于烟尘的成分，而且还取决于它们的结合形式。一般炉内积成致密而坚硬的灰垢，都有玻璃状物料和一些低熔点的共熔物起作用，这些共熔物的熔点一般都在750℃左右。实践证明，出辐射冷却室的烟气温度限制在650℃左右较合理。如果温度过低，将使冷却室受热面明显增大，并使炉子技术经济综合效果有所降低。
锅炉水冷壁受热面结构型式很多，如图1所示：水冷壁一般可分为四种型式：Ⅰ型──以管子中心线为对称的翅片水冷壁；Ⅱ型──用扁钢焊接而成的翅片管；Ⅲ型──完全由光管组成的水冷壁；Ⅳ型──特殊轧制的Ω型水冷壁翅片管。为了使辐射冷却室内壁光滑，使内壁灰尘不易粘结和易于清除，辐射冷却室水冷壁管宜采用Ⅱ型或Ⅳ型，有条件最好采用Ⅳ型。鉴于铜冶炼厂烟气含尘大、硫分、水分含量较高，因此辐射冷却室常采用整体水冷壁结构，这样可防止炉内SO2的渗出或外面空气漏入，从而防止了腐蚀，并保证了SO2的浓度，有利于制酸。 4.2 锅炉管径的选取
锅炉管径大小对锅炉重量指标具有决定性的影响。管径愈小，传热愈好，重量愈小。设计资料表明，锅炉管径减小二分之一，锅炉重量可减少三分之二。因此，现代锅炉管径已有逐渐减小之趋势。
工程实践表明，对强制循环锅炉，可以采用Φ32×3.5 mm，Φ29×3.5 mm，Φ25×3.5 mm的管子；对自然循环锅炉，则可采用Φ38×3.5 mm，Φ51×3.5 mm的管子；选用更大管径，徒费金属，大无必要。
4.3 对流受热面的设计
为了防止烟尘结渣堵塞管间，常在冷却室出口设计凝渣管。管子横向间距布置得较大(s／d=3～6，常用5～6)，为水冷壁管距的4～5倍，纵向间距3.5 d以上。对流受热面的烟气流速约在10m／s左右。为了防止磨损，常取4m／s。管道磨损程度与烟气流速、含尘量和管径的关系如式(4)所示： Δσ／t=K.W3.52.C0.64.d0.92 (4) 式中：Δσ／t──单位时间磨损量，g／s
Δσ──磨损量，g
t──时间，s
W──烟气流速，m／s
C──烟尘浓度，g／m3
d──管径外径，mm
k──实验系数
从上式可知，烟气中烟尘对受热面的磨损主要取决于烟尘的运动速度，烟尘的浓度。烟气经辐射冷却室后，烟气中含尘量一般可减少40%～60%。
在相同条件下，横向冲刷的积灰速度比纵向冲刷要快得多，这是因为积灰速度是近似地反比于气流边界层的厚度。当边界层厚度为0.5～1.5mm时，纵向冲刷的积灰速度仅为无边界层横向冲刷的1%～1.5%。一般地说，纵向冲刷比横向冲刷有着更厚的气流边界层。因此要使积灰速度放慢和清灰方便，最好是低烟速纵向冲刷受热面。从热交换与质交换原理也可以说明这一点。因为热交换越强，质交换也越强，即烟气对管壁放热系数越大，烟尘对管壁撞击的机会也就越多，也就越容易积灰。当烟尘较大时，选用烟气纵向冲刷管束；而烟尘较少时，选用烟气横向冲刷管束。一般含尘量50g／m3以上采用纵向冲刷方式；含尘量10～50g／m3，采用横向冲刷方式。
4.4 锅炉灰斗的设计
高温区灰斗的四周应用水冷壁遮盖，使烟气与水冷壁管直接接触，并使烟尘在灰斗中得到进一步冷却，形成不粘结性积灰。
锅炉的集灰斗设计成两侧壁倾斜，前后壁倾斜角(与地面夹角)不小于68°～70°，侧壁倾斜角一般不小于65°，至少不应小于60°(干烟尘的堆积角为55°左右)。
4.5 清灰设施的设计
无论锅炉结构设计和烟气动力场组织得如何合理，锅炉受热面的积灰是不可避免的，关键是用什么方法及时清理。通常积灰清理方法有两种：一种是机械振打清灰；另一种是吹灰器清灰或有振打与吹灰相结合的清灰方式。通常在辐射冷却室和对流受热面分别布置吹灰器和弹簧振打锤，按照预先设定的程序自动运行。 5 典型铜冶炼厂烟气条件及余热锅炉主要技术参数
表3为年产10万吨电解铜冶炼厂的烟气条件。表4为余热锅炉的技术参数。 表3 闪速炉及转炉烟气条件序号项目闪速炉转炉1锅炉入口烟气量／m3.h-13023441367～432092锅炉入口温度／℃13408003烟气成分体积百分比% SO219.399.60～12.03 CO28.18 O22.357.12～7.32 N26176.83～79.12 H2O9.083.42～4.304烟气含尘量／g.m-3117.718.1～60.65锅炉出口烟气温度／℃3604006锅炉入口烟气压力／Pa0～-1500～-50
表4 闪速炉、转炉余热锅炉主要技术参数序号项目闪速炉余热锅炉转炉余热锅炉1型式强制循环户外设置式强制循环户外设置式2工作压力／MPa4.714.713给水温度／℃1041044蒸发量／t.h-124105烟气量／m3.h-130234432096烟气温度 锅炉入口1340800 辐射室出口＜725＜681 烟气出口＜360＜4007传热面积／m2 辐射水冷壁540171 对流部分1128.8781 合计1668.89528锅炉外形尺寸／m 辐射室15×6×12.668.34×3.6×5.1 对流区14.56×3.6×3.96.31×3.6×3.9■
作者简介：肖平华(1965-)，男，江西南昌人，南昌有色冶金设计研究院冶化分院工程师.
作者单位：肖平华（南昌有色冶金设计研究院，江西 南昌 330002） 参考文献： ［1］金安定等编.工业锅炉原理.西安交通大学出版社出版，1989.
［2］北京有色冶金设计研究总院主编.余热锅炉设计与运行.冶金工业出版社，1983年. | 
