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熱管鍋爐在有色冶煉中的應用

文檔作者：李用法鄭鵬文檔來源： 1．云南錫業(yè)股份有限公司 2．中國恩菲工程有限公司		點擊數：	更新時間： 2020年12月03日
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2016年4月第2期 熱管鍋爐在有色冶煉中的應用—— 李用法 鄭 鵬 ．31．
熱管鍋爐在有色冶煉中的應用
李用法 鄭 鵬
(1．云南錫業(yè)股份有限公司，云南個舊661000；2．中國恩菲工程有限公司，北京100038)
[摘要] 從云南錫業(yè)股份有限公司10萬t／a銅冶煉項目沉降電爐熱管鍋爐的應用實例出發(fā)，介紹了熱管鍋爐的
工作原理、結構、技術參數及清灰方式等，分析了熱管鍋爐運行中存在的問題及處理措施。
[關鍵詞] 熱管鍋爐；熱管傳熱；清灰方式
[中圖分類號]TK229 [文獻標志碼]B [文章編號]1008—5122(2016)02—0031—03
Application of Heat Pipe Boiler in Nonferrous Smelting Project
LI Yong—fa，ZHENG Peng
Abstract：From the application examples of furnace heat pipe boiler of 1 00 000 t／a copper smelting pro—
ject of Yunnan Tin Company Limited，the working principle，structure，technical parameters and clean—
ing method of heat pipe boiler are introduced in the paper，and the problems existing in the operation of
heat pipe boiler are analyzed，and treatment measures are put forward ultimately．
Key words：heat pipe boiler；heat pipe heat transfer；cleaning method
進入2l世紀，我國能源的短缺問題日趨嚴峻，
節(jié)能減排已成為“十三五”規(guī)劃的重中之重。冶金
行業(yè)爐窯后設置的余熱鍋爐由于煙氣中含有二氧化
硫，通?？紤]煙氣露點，為保障余熱鍋爐安全運行，
其出口的煙溫一般控制在350℃ 左右。因此，煙氣
中的低溫部分熱量無法回收利用。上世紀7O年代
初熱管作為節(jié)能設備應用于工業(yè)領域，用以回收低
品位熱能。熱管鍋爐從煙氣回收的熱量生產低壓飽
和蒸汽，并入廠區(qū)低壓蒸汽管網補充生產用汽，節(jié)能
和經濟效益顯著。
根據云南錫業(yè)股份有限公司10萬t／a銅冶煉
項目陽極爐熱管鍋爐和沉降電爐熱管鍋爐，分析了
熱管鍋爐在低溫回收熱量方面的應用。該項目鍋爐
進口煙氣量較少，故出口煙氣溫度較低，煙氣露點較
高。傳統(tǒng)的強制循環(huán)水管式余熱鍋爐存在回收熱量
少，工程運行成本高的缺點，無法有效地回收低溫余
熱。因此，考慮采用熱管鍋爐進行余熱回收，熱管鍋
[收稿日期]2015一l1—23
[作者簡介]李用法(1965一)，男，云南紅河州人，工程
師，主要從事熱能動力設備的運行管理。
爐排煙溫度可以控制在250℃ 左右，比傳統(tǒng)的余熱
鍋爐出口煙溫(約350℃ )低，可以更好地回收煙氣
中的熱量，達到節(jié)能減排的效果。同時，本文針對設
計和運行中的幾個關鍵問題，如清灰方式等進行闡
述，總結歸納了解決問題的辦法和建議。
1 熱管的工作原理
熱管鍋爐屬于“汽一水”換熱器，提高換熱效率
的核心是熱管。鍋爐的受熱面為熱管，其在一個封
閉的體系內，由管殼、吸液芯和端蓋組成，管殼內抽
成1—2×10“Pa左右的負壓后充以適量的工作液
體。工作中，通過液體介質的相態(tài)變化來傳遞熱量。
當介質蒸發(fā)或沸騰時，會吸收熱量，當介質凝結時，
會發(fā)出熱量。熱管的一端為加熱段，另一端為冷卻
段，熱管內部進行著兩相傳熱過程。介質吸熱產生
的蒸汽在管內一定壓差的作用下，流動到冷卻段，蒸
汽遇到冷的壁面會凝結成液體，同時放出汽化潛熱，
通過管壁傳熱給外面的冷源。冷凝下來的液體依靠
重力來幫助冷凝液回流到加熱段，從而實現(xiàn)轉移熱
量過程，如圖1所示。整個吸熱放熱循環(huán)包含以下
主要過程：
(1)熱源的熱量通過熱管管壁、液體介質傳遞
· 32· 有色冶金節(jié)能 口設備節(jié)能
到汽液分界面0
(2)液體介質在蒸發(fā)段內的液汽分界面上蒸發(fā)。
(3)液體介質蒸汽從蒸發(fā)段流到冷卻段。
(4)蒸汽在冷凝段內的凝結放熱。
(5)放出的熱量通過吸液芯、液體和管壁傳遞
給外部鍋爐給水。坦
(6)冷凝后的液體介質回流到蒸發(fā)段，繼續(xù)吸熱。
熱管 翅片
圖1 熱管工作原理圖
2 熱管鍋爐的結構
熱管鍋爐由熱管、汽包、煙道三部分組成。通常
熱管鍋爐分為汽包內直接沸騰式和套管內沸騰式兩
種。汽包內直接沸騰式，即熱管的冷卻段直接伸入
汽包內，使汽包內的水沸騰產生蒸汽。套管內沸騰
式，即熱管的冷卻段被水套管包圍，使套管內的水在
流動狀態(tài)下沸騰，所產生的蒸汽再匯人汽包? 。本
項目采用的熱管鍋爐采用汽包內直接沸騰式，熱管
采用螺旋翅片強化傳熱，熱管的加熱段在煙氣通道
內，冷卻段在汽包內，熱管將汽包和煙道連成一體，
并將煙氣的熱量傳遞給汽包內的飽和水，使其汽化
生產飽和蒸汽。本項目陽極爐熱管鍋爐為臥式結
構，電爐熱管鍋爐為立式結構。陽極爐熱管鍋爐結
構如圖2所示，電爐熱管鍋爐結構如圖3所示。
3 熱管鍋爐的熱力系統(tǒng)
為節(jié)約投資便于管理，本項目熱管余熱鍋爐與
廠區(qū)其它中壓參數余熱鍋爐集中供水，由位于余熱
發(fā)電車間給水泵將除氧后的除鹽水經節(jié)流孔板減壓
到2．0 MPa后供熱管余熱鍋爐使用。鍋爐汽包排污
水經管網送至熔煉爐余熱鍋爐房排污擴容器，并回
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圖2 陽極爐熱管鍋爐結構圖
圖3 電爐熱管鍋爐結構圖
收排污水中的能量進入鍋爐除氧系統(tǒng)。鍋爐產生的
飽和蒸汽直接進入廠區(qū)低壓蒸汽管網供用戶使用。
本項目兩種熱管鍋爐采用自然循環(huán)，水循環(huán)不
依靠外力，不用設置循環(huán)泵，節(jié)約電能。
4 熱管鍋爐的積灰清除方式
鍋爐受熱面的積灰既影響換熱，又可能導致受
熱面的高溫腐蝕，危及余熱鍋爐運行。清除積灰是
保證余熱鍋爐正常工作的關鍵 。余熱鍋爐常采
用的清灰方式有聲波吹灰、振打清灰和爆破清灰。
振打清灰主要應用在鍋爐水冷壁的壁面清灰，聲波
吹灰和爆破清灰是實現(xiàn)空間清灰，但聲波吹灰效果
有限。熱管主要是管束形式，翅片又比較容易積灰，
故考慮采用爆破清灰方式。
爆破清灰的原理是利用可燃氣體(煤氣、天然
氣、液化石油氣、乙炔等)，與空氣經各自的測控管
路調控后均勻混合，在特殊設計的燃燒室內產生爆
燃，再經輸出管上的噴口發(fā)射出一定頻率和強度的
汽化的液體介質 冷凝的液體介質
2016年4月第2期 熱管鍋爐在有色冶煉中的應用—— 李用法 鄭 鵬 ·33·
沖擊波。通過沖擊波的作用，瞬間高溫、高速氣流及
巨大聲響迅速擴散至爐內工作面上，使受作用面的
積灰脫落，從而達到清除積灰的目的 。
爆破清灰裝置由空氣系統(tǒng)、乙炔系統(tǒng)、混合點火
系統(tǒng)、自潔系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、監(jiān)測報警系統(tǒng)、控制系
統(tǒng)、管路及脈沖發(fā)生系統(tǒng)等組成。各系統(tǒng)并聯(lián)設計，
模塊柜體組合。爆破清灰裝置的介質消耗指標為：
(1)工業(yè)用乙炔瓶5瓶。
(2)空氣氣源壓力0．2～0．8 MPa，空氣氣源流
量不小于50 m ／h。
(3)壓縮空氣儲罐不小于2 Ill 。
(4)每個吹灰點每次吹灰消耗乙炔氣0．008 Nm 。
(5)乙炔最小壓力為0．05 MPa，最大壓力為
0．35 MPa。
爆破清灰性能指標：
(1)距離噴口5 m以內可清除中等粘性積灰。
(2)距離噴口5～10 1TI以內可清除松散積灰。
本項目的實踐證明采用爆破清灰可較好地清理
熱管鍋爐內壁的積灰。
5 陽極爐熱管鍋爐主要技術參數及煙
氣成分
2臺300 t回轉式陽極精煉爐煙氣經空氣預熱器
后，出口煙氣煙溫680～750℃ 。各設1臺熱管余熱
鍋爐用來冷卻陽極爐排出的高溫煙氣同時回收煙氣
余熱，其主要技術參數見表1，煙氣成分如表2所示。
表1 陽極爐熱管鍋爐技術參數
表2陽極爐熱管鍋爐煙氣成分 單位：％ 6 電爐熱管鍋爐主要技術參數及煙氣
成分
沉降電爐處理由熔煉爐產出的銅锍和爐渣。沉
降電爐出口煙氣煙溫700℃ 左右，含有一定量的二
氧化硫。電爐熱管鍋爐的技術參數如表3，煙氣成
分如表4所示
表3 電爐熱管鍋爐主要技術參數
表4 電爐熱管鍋爐煙氣成分 單位：％
7 熱管鍋爐的技術優(yōu)勢
(1)熱管導熱性好。熱管的熱傳遞過程依靠
的是其內部進行的蒸發(fā)和冷凝的相變。抽成負壓
的熱管內部充滿低沸點的液體介質，管壁有由毛
細多孔材料組成的吸液芯，熱管加熱段吸熱使液
體工質快速蒸發(fā)，并傳遞到熱管的冷卻段，熱量可
以被源源不斷地傳導。由于熱管兩端溫差大使熱
量可以快速傳導。
(2)熱管管壁溫度可調。冶金行業(yè)低溫余熱回
收由于煙氣的工況變化，調節(jié)熱管管壁的溫度相當
重要。熱管通過改變熱流，把熱管與煙氣側的管壁
溫度提高到煙氣的露點以上，以防止露點腐蝕，同時
避免了煙灰在管壁上的粘結，確保熱管鍋爐的長期
運行，并提高了鍋爐效率。
(下轉第48頁)
· 48· 有色冶金節(jié)能 口環(huán)保與綜合利用
放實際情況。
考慮到銅、鎳冶煉建設項目均可分為火法冶
煉和濕法冶煉兩種工藝，而兩種工藝廢氣排放量
及大氣污染物種類均有很大差別，故筆者建議在
標準中分別給出銅、鎳火法冶煉和濕法冶煉單位
產品基準排氣量指標，以便更加精細地控制污染
物的排放。
物排放標準的污染控制因子可根據實際排放情況
及污染防治重點不斷補充完善，同時可考慮分別
給出銅、鎳金屬火法冶煉和濕法冶煉的單位產品
基準排氣量指標。
[參考文獻]
4 結束語 [2]
隨著環(huán)保要求日趨嚴格，環(huán)境問題認識的日
益深入，環(huán)境標準作為國家環(huán)保法規(guī)、政策的一種
具體形式，也存在著不斷更新的需要。行業(yè)污染
(上接第33頁)
(3)熱管的安全可靠性高。對連續(xù)性生產的冶
金工藝，常規(guī)的余熱鍋爐常因爆管導致冶金工藝生
產間斷。因為常規(guī)余熱鍋爐大多是間壁換熱，換熱
的流體分別在管壁的內外側流動，運行時由于煙氣
的磨損或管壁過熱導致泄漏，將造成整個冶煉工藝
停產。由熱管組成的熱管鍋爐的結構特點是二次間
壁換熱，熱管內介質要通過熱管的加熱段管壁和冷
卻段管壁才能傳到冷流體；熱管由獨立的多條管束
組成，單根或多根熱管破壞不會引起兩相流互混，維
修方便；同時，熱管加熱段和冷卻段同時破壞的可能
性較小，所以大大增強了熱管鍋爐運行的可靠性。
8 熱管鍋爐運行中存在的問題及處理
措施
本項目兩種熱管鍋爐自2012年投產已連續(xù)運
行4年多，使用效果良好，但也存在一些小問題，現(xiàn)
將問題的原因及處理措施介紹如下：
(1)鍋爐蒸發(fā)量未達到設計值。根據煙氣條件
進行熱力計算，陽極爐熱管鍋爐額定蒸發(fā)量(0 8 MPa)
為7．8 t／h，實際蒸發(fā)量為6．2 t／h。電爐熱管鍋爐額定
蒸發(fā)量(0．8 MPa)為2．27 t／h，實際蒸發(fā)量為1．9 t／h。
主要原因是進入鍋爐煙氣總熱量偏低，雖然煙氣量
基本達到設計值，但煙氣溫度低于設計值。另外給
水溫度與設計值不同，因為給水來自廠區(qū)的余熱發(fā)
電站管線較長，除氧器來的104℃除氧水經管網到
達電爐熱管鍋爐鍋筒人口溫度只有90℃左右。這
譚民強，劉偉生，趙瑞霞，等．環(huán)境影響評價技術導則
與標準[M]．中國環(huán)境出版社，2013．
何新春，徐福留．環(huán)境影響評價中部分標準存在的問
題及對策[J]．環(huán)境污染與防治，2007，29(6)：472—
474．
些原因間接影響了鍋爐蒸發(fā)量。
(2)部分吹灰器安裝在檢修門上，爆破清灰時
沖擊振動導致爐門密封受損，影響鍋爐的密封。爆
破清灰按照控制系統(tǒng)設置定期進行清灰，由于沉降
電爐生產周期不同，煙氣含塵的不確定性導致清灰
自動設置往往達不到理想的清灰效果，熱管外壁積
灰現(xiàn)象嚴重。
(3)由于通過熱管鍋爐的煙氣中含灰較高，熱
管外壁比較容易積灰。如煙氣速度較低，熱管翅片
表面易積灰，增加換熱熱阻，降低熱管換熱能力，嚴
重時堵塞換熱器；如煙氣速度過高，雖然能夠提高熱
管的換熱能力，但會加速熱管的磨損，增大煙氣流動
阻力。實際生產時熱管鍋爐經常發(fā)生單根熱管的循
環(huán)故障。
9 結束語
綜上所述，熱管鍋爐是相變傳熱，故其傳熱性能
優(yōu)越，并且清灰和維護簡單，在低溫余熱回收利用上
有良好的作用，經濟效益顯著。
[參考文獻]
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