余热锅炉运行情况分析报告
艾萨余热锅炉运行情况分析报告
李文忠 张俊荣 张敏
（云南铜业股份有限公司，云南 昆明 650102）
摘要：阐述了云南铜业艾萨余热锅炉的结构及特点，总结了自投产以来锅炉的运行情况。对锅炉的积灰、结渣、磨损和腐蚀进行了分析和总结，并提出一些应对措施；同时对锅炉的主要事故进行了叙述和分析。根据运行中出现的问题提出了相应的解决方案。 关键词：艾萨炉余热锅炉 结构 特点 运行 积灰 结渣 腐蚀 泄漏
云铜艾萨余热锅炉是云铜艾萨铜冶炼工艺系统的主要配套设施，由德国OSCHATZ 公司设计，杭州锅炉厂制造，云南建工安装股份有限公司安装。于2002年5月9日投入运行，至今已投入使用6年零7个月。 1概述
该锅炉自投入运行以来，总体运行情况良好。在有效配合艾萨铜冶炼工艺的同时，充分满足了下游收尘及制酸工艺要求。六年来没有发生因水循环不畅而导致的事故。从设计上来说，总体上达到了初始设计要求，无重大设计缺陷。在操作控制和管理上，严格执行国家相关法律法规，高标准，严要求，确保了6年来没有发生因操作维护等失误造成的责任事故。 2艾萨余热锅炉特点 2.1结构
云铜艾萨余热锅炉为多烟道式
余热锅炉，上升和下降烟道高度大（35m ），锅炉整体标高近70米，横跨约30米，体积庞大，结构复杂。锅炉采用全膜式壁结构进行密封，漏风系数小。结构如图1所示。
锅炉入口部分为三米过渡段、冷却屏和炉顶，其中炉顶与艾萨炉连接。冷却屏为移动式，在提起后，可插入水冷闸板。这很好的解决了余热锅炉和艾萨炉检修周期不同步的问题。在锅炉的连接段上部设置了采用水冷的防爆盖，当锅炉烟道压力超过配重值
图1艾萨余热锅炉结构图 时，防爆盖会自动打开泄压。
艾萨炉炉顶采用了管-管式水冷壁，成为整个余热锅炉的一部分，这是
一个崭新的尝试。虽说炉顶采用该结构完全可行，但和上升烟道一样，一旦漏水，水将会进入熔池，所以对设计、制造、安装及操作控制要求比较高。正因为如此，OSCHATZ 公司在设计上进行了认真考虑，比方说，炉顶可单独作为一部分切断，敷设高温耐火材料，增加锅炉管壁厚等。以此来提高炉顶的安全性。在运行过程中，还可对炉顶流量进行严密监视，对故障进行判断。六年来的运行实践经验表明，这个尝试是成功的。
2.2水循环
艾萨余热锅炉采用自然循环与强制循环相结合的复合式循环系统。与普通复合式循环不同的是，本台锅炉的自然循环部分可以并入强制循环系统，使整台锅炉处于强制循环中。其优点是可靠性高。在热负荷较小的时候，自然循环部分并入强制循环，使自然循环部分得到有效冷却，且循环泵能满足运行要求。在负荷较大时，自然循环部分独立运行，仅强制循环部分由循环泵提供动力。因此，在高负荷时，循环流量富余量较大，从而，提高了强制循环系统水循环的可靠性，保证了锅炉每一个受热面循环水量充足。 2.3输灰系统
整台锅炉采用振打方式除灰。设有8套气动振打装置和70套电动机械振打装置。收集下来的灰渣通过刮板式运输机输送到破碎机进行破碎处理。
3艾萨余热锅炉运行分析 3.1烟气及烟尘
作为冶炼炉下游的余热锅炉，烟气及烟尘是艾萨余热锅炉运行的外部条件。其正是有效吸收烟气和烟尘的热量来产生蒸汽。从锅炉的运行角度来说，其无法选择和控制烟气和烟尘的条件，只能被动的适应。 3.1.1烟气条件
艾萨锅炉的烟气流速较低，小于5m/s。烟气条件则较为复杂。锅炉出口烟气成分（V%）如表1所示。
从表1可以看出，进入艾萨余热锅炉的烟气中，SO 2含量很高，其中一部分SO 2会转化成SO 3，并与烟气中的水蒸气结合生成H 2SO 4蒸汽。当受热面管表
面温度低于烟气露点温度时，这些硫酸蒸汽就会在金属管壁表面凝结形成H 2SO 4溶液，腐蚀金属。在有Fe 2O 3、Al 2O 3、V 2O 5、SiO 2等存在的时候，它们对SO 2转化为SO 3起到催化作用，从而会加大烟气中H 2SO 4蒸汽的浓度。
表1艾萨余热锅炉出口烟气成分（V%）
注：上表实测值取自2008年6月18日收尘实测数据。
从上表可看出，锅炉入口实际烟气条件和设计烟气条件比较，有很大偏差。这在一定程度上会影响锅炉的正常运行。根据上述烟气成分实测值计算出的烟气露点温度高达240℃。如此高的烟气露点温度在任何锅炉形式的锅炉中都是少见的。
在实际运行过程中，因为对运行压力控制较为严格（运行控制压力4.0Mpa~4.2Mpa），有效的降低了锅炉发生低温腐蚀的概率。但锅炉受热面总面积庞大，烟气又很难以做到均匀流动，不可避免会出现某些相对低温区。主要是在一些转角位置容易出现这种情况。这在后面的事故分析中还会进一步说明。在运行六年多以来，通过对锅炉的壁厚检测，受热面管壁平均减薄量在1~1.5mm左右（表2），相对于这种烟气条件而言，这可谓是一个较为理想的数字了。但是，在2008年9月和10月两次泄露故障停炉检查中发现个别管子的最大减薄量达到了近3 mm ，这却是一个相当危险的数字。
表2锅炉管壁厚抽样测量结果（mm ）
注：上表数据取自2008年9月和10月实测数据。实测数据存在测量误差（测量仪器的不稳定和准确性）。
3.1.2烟尘条件
艾萨余热锅炉烟气的含尘量与制粒效果有直接关系，而烟尘成分则完全决定于物料成分。在烟气总量不变的情况下，烟气与烟尘状况都与配料、料量有直接关系。 3.1.2.1制粒效果
制粒效果关系到锅炉的正常运行。良好的制粒要求生球具有一定的成球率，机械强度和水分含量。在制粒效果不佳的情况下，会有大量的细粉状物料在进入熔池前即被抽入烟道，在烟道内进行反应，如图3所示。这一方面提高了烟气中的含尘量，另一方面容易在烟道中形成局部高温，同时还会加强受热面管的积灰、结渣和磨损。 3.1.2.2原料成分
艾萨炉以适应原料范围广而著称，因此，对锅炉的设计与运行都提出了更高的要求。
表3艾萨炉物料成分（M%）
注：上表数据来自艾萨炉生产数据统计。所列数据为当月平均值。
从上表可以看出艾萨炉物料的特点，一是硫的含量高；二是低熔点金属氧化物含量高。
原料中PbO 、SiO 2等低熔点物质较多（PbO 熔点886℃，硅酸铅系物质xPbO ·ySiO 2熔点在713~764℃），这些低熔点物质使得积灰加强的同时，也使得积灰变的更为复杂。 3.1.2.3还原剂
艾萨炉采用高硫煤作为还原剂。随着物料成分的变化，煤粉的加入量也不尽相同。在煤粉随物料一起由下料口进入艾萨炉的时候，细小的煤粉颗粒容易被抽入烟道进行二次燃烧。这时易在烟道内形成强度极高的烧结块。 3.2锅炉的积灰、结渣、磨损和腐蚀 3.2.1锅炉的积灰和结渣
烟道的结渣和积灰问题是余热锅炉普遍存在的问题。对于重有色冶金余热锅炉，结渣和积灰则尤为突出。下表为艾萨锅炉第一炉期、第二炉期和第三炉
期积灰、结渣的对比情况。
表4艾萨炉各个炉期锅炉积灰结渣情况对比
注：上表数据来自生产数据统计。
受热面管的积灰和结渣必然会影响到锅炉整体的传热效果，降低锅炉热效率，同时锅炉出口烟气温度也会提高，对下游的收尘不利。
艾萨余热锅炉第二炉期运行前，将第一炉期锅炉烟气出口由原来的向上折转式改变为了水平直通式。这是一个很好的技术改革。一方面，解决了三烟道尾部受热面的膨胀问题；另一方面，改为水平直通式后，更加有利于烟气在三烟道后部均匀的分布，可以更好的利用烟气的热能。
表5艾萨炉各个炉期锅炉主要部位温度对比
但是，从表5可以看出，锅炉的出口烟温及各个关键点的温度均有不同程度
的升高。究其原因，正是锅炉的积灰和结渣。较多的积灰和结渣影响的锅炉管壁的吸热，造成出口烟气温度偏高。在多次烟道检查中发现，三烟道入口段的三角保护铁上有大量掉落的结渣，有时大块的结渣还会堆积在三角铁上面；并且锅炉二、三烟道内积灰温度较高，呈暗红色，部分积灰冷却后呈墨绿色，烟尘成分分析结果（表6）中铜含量偏高，说明艾萨炉的下料中有部分生料随着冶炼烟气进
表6艾萨余热锅炉烟尘成分（M%）
注：上表数据取自艾萨生产数据。所列数据为2008年6月平均值。
入锅炉（图3艾萨炉内气流示意图），并在锅炉中发生不完全氧化反应，
形成硬度较高的
含有还原性成分的结渣落在三角
保护铁上（图2），堵塞烟道，影响锅炉烟气的正常流动。因为锅炉
图2 三角保护铁示意图 烟气流速较低，这便减弱了烟气流动的自吹灰效果，从而间接有利于积灰和结 图3 艾萨炉内气流示意图 渣。但过高的烟气流速会加剧对受热面的磨损。
对于锅炉结渣和积灰的问题，现在主要由艾萨炉调整冶炼工艺：配料过程中对Pb 、Zn 进行调控，降低用煤量、沙量，调整合适的喷枪气流、枪位，保证制粒的效果，减少进入锅炉的生料量。锅炉方面可做的调整为：增加振打频率或力度；对积灰和结渣进行人工清理。
3.2.2锅炉的腐蚀和磨损 3.2.2.1低温腐蚀
低温腐蚀的速度是惊人的，造成的后果也是严重的。据资料介绍，某厂铜反射炉上的水冷闸门，其腐蚀速度达1mm/月；在上述反射炉后部，曾安装蒸发量8t/h，压力2~4bar的余热锅炉，运行不到一年也因腐蚀而报废。因此，要严格控制余热锅炉受热面管温度在烟气露点温度以上，减少低温腐蚀发生的概率。
艾萨锅炉烟气露点温度很高，这对锅炉的运行控制较为不利。按照正常的压力（42bar ）来控制，饱和水的温度为254℃，加上传热热阻，受热面管的表面温度高于烟气露点温度约40℃以上。总体上能防止低温腐蚀的发生。但锅炉负压及烟气流动的不稳定性和不均衡性，或有漏风的存在，可能会使某些局部受热面温度处于烟气露点温度的边缘，造成腐蚀。
针对以上情况，我们对要满足艾萨余热锅炉安全、稳定、长周期运行（相对）的条件进行分析：
第一，降低烟气中的SO 2含量。这需要艾萨炉降低物料中的S 含量，并减少用煤量。但这与冶炼工艺对S 的需求又相矛盾，而用煤量大小与原料中S 的含量有反比关系，因此，要达到或满足此条件是较为困难的。此外，这还和下游的制酸工艺相矛盾。
第二，降低水蒸气的分压。在相同的烟气温度和SO 3含量的条件下，水蒸气的分压越大，所形成的硫酸蒸汽越多，露点也就越高（分压力是相对于全压力而言的，指的是某一单一气体的压力。混合气体的全压力等于各个单一气体分压力之和）。降低水蒸气的分压实际上也就是要降低水蒸气的含量。这就要求，严格控制入炉物料的水分。
第三，减少受热面管壁积灰。积灰会加速管壁的腐蚀。这是因为积灰的表面凸凹不平，从而加剧了硫酸结露的表面积，同时也增加了硫酸结露的核心。实践证明，积灰的管壁比光滑的管壁腐蚀要快得多。余热锅炉内部积灰和结渣
成分的复杂性远远超过工业锅炉，并且积灰和结渣的成分随入炉原料变化而变化，以目前的技术条件来说，对积灰和结渣的处理还很难达到完全根治的理想状态；这也正是许多专家和同行致力解决但又难以解决的问题。
第四，选择合适的耐腐蚀材料或涂层。一般来说，不同的烟气条件下对相同的材料会有着不同的腐蚀。从耐腐蚀角度来说，在各种条件下都能耐腐蚀的钢材是没有的，因此“耐腐蚀”是相对而言的。所以，选取适合于锅炉特定烟气条件下耐腐蚀的钢材是一个思路，但这要求烟气条件要相对稳定，从而对物料的稳定性也提出了要求。
从目前的实际情况来看，选择合适的耐磨、耐腐蚀涂层是一个较为可行且有效的方法。对局部或整体采用涂镀技术，以涂层来降低锅炉管的腐蚀和磨损，从而最大可能避免泄露故障的发生，延长余热锅炉的使用寿命。目前，这项技术已经得到普遍应用。
3.2.2.2高温腐蚀
高温腐蚀的过程十分复杂，目前就腐蚀机理的研究以及对高温腐蚀的认识还不十分成熟，尤其是烟气及烟尘条件更为复杂和多变的余热锅炉。对于艾萨锅炉来说，高温腐蚀主要发生在一、二烟道，其特点是局部深陷的溃疡状腐蚀。
原料中的碱性金属和硫的氧化物作用产生碱性金属硫酸盐，碱性金属硫酸盐进一步与氧化铁和三氧化硫作用，形成低熔点的硫酸盐络合物。这些络合物以灰的形态存在于烟气中。当积灰表面温度超过500~600℃时，灰开始软化。熔融状态下的硫酸盐络合物与金属管进行反应，这便是高温腐蚀的学说之一（碱性金属硫酸盐络合物液相腐蚀学说）。
由于对于高温腐蚀的机理目前尚不十分清楚，所以防止高温腐蚀还没有一个特别有效的方法。一般认为受热面上积灰是高温腐蚀的起因，烟气中含氧及硫的氧化物量的增加会加速高温腐蚀的进行。
防止高温腐蚀的措施：
第一，保持受热面清洁。保持受热面清洁是防止高温腐蚀的有效方法，但就艾萨余热锅炉而言，实施难度较大，基本上是不可能做到的；
第二，有效调整艾萨工艺，控制制粒的效果和煤粉的加入，避免生料或煤粉在烟道内发生二次反应；
第三，选择耐高温腐蚀的金属材料或涂层；
第四，使用添加剂，提高积灰的熔点。
3.2.2.3磨损
对于艾萨锅炉来说，磨损主要是灰粒的冲刷磨损和渣块的刮伤、撞击磨损。艾萨锅炉的烟气流速较低（
在一二炉期，艾萨锅炉连接段均有大量结渣。在日常的运行过程中，也经常发生连接段和防爆盖掉渣的现象。在艾萨余热锅炉中由于结渣造成的磨损不容忽视。
3.3温度
同其他冶炼炉一样，艾萨
炉的冶炼实际上也是具有周期性的。只是其周期性相对较长，正常情况下为6~10天。在每一个周期内，艾萨炉均会有一次停产和复产。停产和复产势必会引起锅炉烟气温度的变化。实际上，停复产过
图4 停产时艾萨余热锅炉尾部烟气温度变化 程中，在有保温烧嘴的情况下，艾萨炉熔池上部温度变化并不大。但是烟气量却迅速减小。因为锅炉体积庞大，所以到锅炉后部受热面，烟气温度已经很低。根据运行经验，在正常运行和停产的过程中，锅炉后部烟气温度变化范围约为230~450℃，如图4。
在这种温度变化的情况下，锅炉最为敏感的“热胀冷缩”现象在这里将尤为突出，久而久之，易产生金属疲劳。
4艾萨余热锅炉事故分析
从投入运行至今，该锅炉主要发生的事故是锅炉泄漏，具体原因极其复杂。下面通过归类对主要的漏水故障进行分析。
4.1三通道尾部侧墙管中段的漏水
运行初期锅炉泄漏主要发生在三烟道尾部末端的两侧墙模式壁管上（如图
5）。这个部位曾发生了多次泄漏。通过分析，主要是设计结构上的不合理和余热锅炉热负荷不稳定所引起的。在对设计做了更改后至今，此部位便未发生过漏水事故。
具体原因分析如下：
第一，出口烟道重量6.6吨，加上保温层共约7吨。其重量全部依靠烟道出口钢板与三烟道侧墙最后一根管子的焊缝承担，管子承力较大；第二，膜式壁管子的温度由锅炉运行压力控制，一般在254℃。尾部烟道烟气温度随艾萨炉冶炼周期做周期性变化，烟道出口钢板的温度随艾萨炉排烟工况的变化而在
230-450℃（图4）之间变化，二者温差引起热
图5 三烟道尾部结构图 膨胀应力不平衡，使钢材产生疲劳；
第三，在锅炉几次漏水的地方，都是三条不同方向焊缝的交汇处，存在应力集中；
第四，锅炉出口负压变化大，引起锅炉出口烟道的振动，振动力最终依赖管子与钢板之间的焊缝抵消，长期运行势必将焊缝拉开，撕裂锅炉管。
根据上述原因分析，对锅炉尾部出口烟道进行改造，将原向上出口改为水平
直通式，使烟道出口钢板独立支撑，并在其与锅炉管的连接处由原来的硬连接改为了柔性连接，充分避免了应力集中，使因振动引起的拉力得以释放，现在侧墙锅炉管中段的运行情况良好。
4.2尾部侧墙管上段漏水原因分析和解决方案
艾萨余热锅炉的三烟道为水平布置，长约28m ，全部采用管-板式膜式壁结构，因艾萨炉冶炼工艺的特点，锅炉出口烟气温度变化较大，在这种情况下，很容易引起局部应力集中，而使锅炉管拉伤，出现泄漏。
余热锅炉汽包的压力一直稳定在4.2MPa ，所以锅炉上集箱的温度恒定在254℃左右。因艾萨炉是间歇式冶炼，余热锅炉在每一个冶炼周期中将有一次降温和一次升温过程（温度在450到230℃之间变化），在这一过程中，锅炉膜式壁随烟气温度的变化而热胀冷缩，从而在三烟道尾部自由端出现较大应力叠加，易在应力集中部位造成焊缝拉裂或环状裂纹（见图6）。
对此采取的措施为：
第一，在锅炉三烟道尾部的鳍片上，每隔10根管，开一条长约150mm 、宽约5mm 的缝，并在缝的外部采取相应的密封措施，这样在保证锅炉烟道密
封的条件下，可增加锅炉膜式壁的自由度，在一定范围内减小应力的叠加；
第二，艾萨炉
在工艺允许的范围内，降低升、降温的梯度，避免锅炉膜式壁的急剧膨胀和收缩。
采取上述两个措施后，锅炉尾部侧墙上段泄漏得到解决。
4.3辐射受热面的漏水事故
艾萨余热锅炉自投入运行以来，辐射受热面发生了三次漏水
图6 艾萨余热锅炉三烟道尾部侧墙锅炉管上段示意图 事故（见表
6）。这三次漏水事故均是锅炉长期运行过程中，由于腐蚀、磨损及应力作用等原因造成的。它们有一个共同点，就是都是发生在锅炉的辐射受热区域，烟气温度较高。
表7锅炉辐射受热面漏水事故汇总
特别是2008年所发生的两次漏水事故，时间间隔较短，并且位于冶炼炉上方的一烟道，危险性较大。
4.3.1事故特点
经过总结，这三次漏水事故的特点如下：
第一，漏水部位位于高温区，烟气温度在700℃以上；
第二，漏水部位在人孔门或集箱附近等容易形成积灰和结渣的地方； 第三，漏水部位存在热负荷不均匀。人孔门部位由于没有受热面管，温度较受热面管高。一烟道上集箱和连接段分配集箱分属不同的循环系统，也存在热负荷的偏差；
第四，泄漏处多在弯管部位，或角落处。管子本身存在弯曲应力，并且烟气易在角落处形成斡旋，加剧冲刷力度；
第五，从割下来的管子来看，管内壁无结垢，测量显示管内壁无明显腐蚀、冲刷，减薄主要是发生在管外壁；
第六，漏水处受热面管水循环良好，金相分析显示管子金相组织良好，无过烧现象；
第七，漏水并非单一原因造成，而是多重原因共同作用所造成。
4.3.2原因分析
导致这几次漏水的原因都极其复杂，是由于高温腐蚀，烟尘及渣块的磨损，热负荷变化所引起的应力作用，并伴随着低温腐蚀等因素综合作用的结果。
比如，一烟道人孔门处泄漏明显就是一个综合作用的结果。首先，人孔门四周管壁上都有明显的深陷的凹坑，这些凹坑是由于高温腐蚀所引起。人孔门位置容易造成积灰，又在高温区，相对来说更容易发生高温腐蚀。其次，以人孔门为中心的约1M 2区域受热面管管壁呈现均匀减薄状态，减薄量高达
1.5~2.5mm。这正是低温腐蚀和磨损所引起的，烟气易在此部位形成回旋，加剧冲刷。再次，从割下来的管子看，表面有类似刮伤的痕迹。此外，人孔门部位受热面管均是弯管，弯管在弯曲时外侧有少量减薄，并伴随应力。正是这些因素的综合作用，才导致了受热面管的最终泄漏。
表8漏水人孔门附近测厚数据（2008年9月12）
虽说引起泄漏是多重因素综合作用的结果，但是最主要的原因还是高温腐蚀和低温腐蚀。这是综合这几次事故所得出的结论。
5小结
艾萨余热锅炉的运行控制主要是对水质和运行压力进行控制，对锅炉主要运行参数进行监控，并对烟道积灰、结渣情况进行检查和清理。
对水质和运行压力的控制较为容易，就目前锅炉系统具备的设备和设施可满足要求。在运行参数的监控上，则有一定的难度。比方说，对烟气温度就难以做到进行准确的监测，烟道内部的热电偶很容易被积灰或结渣包覆，甚至会被落渣砸断；对烟道负压的监测也面临同样的困难。再比方说，对于给水量和蒸发量的监控也较为复杂，艾萨冶炼系统负荷的不稳定，会造成给水量及蒸发量的较大波动，这给锅炉的运行监控带来了较大困难。对积灰、结渣进行检查和清理也会受到一些因素的限制。一方面检查烟道只能在艾萨炉停产后进行，否则由于烟气含尘很高，根本无法看见烟道内情况，这意味着6~10天才能进行一次烟道检查，不利于对烟道内部情况进行控制；另一方面对积灰和结渣的清理，受到烟道负压不稳定的影响，难度较大；此外，人孔及观察孔位置不光会影响到对积灰、结渣的检查，也会影响到清灰清渣，由于锅炉体积庞大，从人孔及观察孔部位能够看见及清理到的区域很有限。
影响艾萨余热锅炉安全运行的因素主要有：一是锅炉烟道的积灰和结渣，造成锅炉烟道堵塞；二是锅炉管的泄漏，三是锅炉辅助设备的正常运行情况（给
水泵、循环泵、DCS 控制系统、阀门等）。
艾萨锅炉曾发生过三烟道的大量积灰（重量达上百吨）和连接段的大量结渣（重量在70吨以上），处理难度较大，都对运行周期有较大影响。
锅炉的泄漏在锅炉行业来说，属于较为常见的事故，特别是对于重有色冶金行业的余热锅炉来说，更是如此。复杂烟气及烟尘条件和负荷的不稳定是引起锅炉管泄漏的主要原因。因此，减少锅炉泄漏的根本措施是改善锅炉运行的烟气及烟尘条件和稳定锅炉的热负荷。然而，就目前复杂的原料成分以及为满足艾萨冶炼工艺稳定控制的所需条件来说，与延长锅炉运行周期、减少锅炉泄漏所需条件是相矛盾的。同时，锅炉在设计、制造、安装过程中存在的缺陷和隐患随着运行时间的递增而不断加剧，进而暴露产生泄露。因此，从一定程度上说，锅炉泄露是绝对的，不泄露是相对的。
另外需要指出的是，艾萨炉料量(115t/h)相对于设计值来说超出了约1/3，加上原料成分的不稳定和运行周期的递增，锅炉的腐蚀及磨损难免会逐渐加剧，进而会影响锅炉的寿命。
本文主要针对云铜冶炼加工总厂艾萨余热锅炉近7年来的运行情况进行了总结分析，并就存在的问题作了一些研讨，由于笔者的知识和水平有限，尚存许多不足之处，敬请各位有识之士给以批评指正，不胜荣幸。
余热锅炉运行情况分析报告
艾萨余热锅炉运行情况分析报告
李文忠 张俊荣 张敏
（云南铜业股份有限公司，云南 昆明 650102）
摘要：阐述了云南铜业艾萨余热锅炉的结构及特点，总结了自投产以来锅炉的运行情况。对锅炉的积灰、结渣、磨损和腐蚀进行了分析和总结，并提出一些应对措施；同时对锅炉的主要事故进行了叙述和分析。根据运行中出现的问题提出了相应的解决方案。 关键词：艾萨炉余热锅炉 结构 特点 运行 积灰 结渣 腐蚀 泄漏
云铜艾萨余热锅炉是云铜艾萨铜冶炼工艺系统的主要配套设施，由德国OSCHATZ 公司设计，杭州锅炉厂制造，云南建工安装股份有限公司安装。于2002年5月9日投入运行，至今已投入使用6年零7个月。 1概述
该锅炉自投入运行以来，总体运行情况良好。在有效配合艾萨铜冶炼工艺的同时，充分满足了下游收尘及制酸工艺要求。六年来没有发生因水循环不畅而导致的事故。从设计上来说，总体上达到了初始设计要求，无重大设计缺陷。在操作控制和管理上，严格执行国家相关法律法规，高标准，严要求，确保了6年来没有发生因操作维护等失误造成的责任事故。 2艾萨余热锅炉特点 2.1结构
云铜艾萨余热锅炉为多烟道式
余热锅炉，上升和下降烟道高度大（35m ），锅炉整体标高近70米，横跨约30米，体积庞大，结构复杂。锅炉采用全膜式壁结构进行密封，漏风系数小。结构如图1所示。
锅炉入口部分为三米过渡段、冷却屏和炉顶，其中炉顶与艾萨炉连接。冷却屏为移动式，在提起后，可插入水冷闸板。这很好的解决了余热锅炉和艾萨炉检修周期不同步的问题。在锅炉的连接段上部设置了采用水冷的防爆盖，当锅炉烟道压力超过配重值
图1艾萨余热锅炉结构图 时，防爆盖会自动打开泄压。
艾萨炉炉顶采用了管-管式水冷壁，成为整个余热锅炉的一部分，这是
一个崭新的尝试。虽说炉顶采用该结构完全可行，但和上升烟道一样，一旦漏水，水将会进入熔池，所以对设计、制造、安装及操作控制要求比较高。正因为如此，OSCHATZ 公司在设计上进行了认真考虑，比方说，炉顶可单独作为一部分切断，敷设高温耐火材料，增加锅炉管壁厚等。以此来提高炉顶的安全性。在运行过程中，还可对炉顶流量进行严密监视，对故障进行判断。六年来的运行实践经验表明，这个尝试是成功的。
2.2水循环
艾萨余热锅炉采用自然循环与强制循环相结合的复合式循环系统。与普通复合式循环不同的是，本台锅炉的自然循环部分可以并入强制循环系统，使整台锅炉处于强制循环中。其优点是可靠性高。在热负荷较小的时候，自然循环部分并入强制循环，使自然循环部分得到有效冷却，且循环泵能满足运行要求。在负荷较大时，自然循环部分独立运行，仅强制循环部分由循环泵提供动力。因此，在高负荷时，循环流量富余量较大，从而，提高了强制循环系统水循环的可靠性，保证了锅炉每一个受热面循环水量充足。 2.3输灰系统
整台锅炉采用振打方式除灰。设有8套气动振打装置和70套电动机械振打装置。收集下来的灰渣通过刮板式运输机输送到破碎机进行破碎处理。
3艾萨余热锅炉运行分析 3.1烟气及烟尘
作为冶炼炉下游的余热锅炉，烟气及烟尘是艾萨余热锅炉运行的外部条件。其正是有效吸收烟气和烟尘的热量来产生蒸汽。从锅炉的运行角度来说，其无法选择和控制烟气和烟尘的条件，只能被动的适应。 3.1.1烟气条件
艾萨锅炉的烟气流速较低，小于5m/s。烟气条件则较为复杂。锅炉出口烟气成分（V%）如表1所示。
从表1可以看出，进入艾萨余热锅炉的烟气中，SO 2含量很高，其中一部分SO 2会转化成SO 3，并与烟气中的水蒸气结合生成H 2SO 4蒸汽。当受热面管表
面温度低于烟气露点温度时，这些硫酸蒸汽就会在金属管壁表面凝结形成H 2SO 4溶液，腐蚀金属。在有Fe 2O 3、Al 2O 3、V 2O 5、SiO 2等存在的时候，它们对SO 2转化为SO 3起到催化作用，从而会加大烟气中H 2SO 4蒸汽的浓度。
表1艾萨余热锅炉出口烟气成分（V%）
注：上表实测值取自2008年6月18日收尘实测数据。
从上表可看出，锅炉入口实际烟气条件和设计烟气条件比较，有很大偏差。这在一定程度上会影响锅炉的正常运行。根据上述烟气成分实测值计算出的烟气露点温度高达240℃。如此高的烟气露点温度在任何锅炉形式的锅炉中都是少见的。
在实际运行过程中，因为对运行压力控制较为严格（运行控制压力4.0Mpa~4.2Mpa），有效的降低了锅炉发生低温腐蚀的概率。但锅炉受热面总面积庞大，烟气又很难以做到均匀流动，不可避免会出现某些相对低温区。主要是在一些转角位置容易出现这种情况。这在后面的事故分析中还会进一步说明。在运行六年多以来，通过对锅炉的壁厚检测，受热面管壁平均减薄量在1~1.5mm左右（表2），相对于这种烟气条件而言，这可谓是一个较为理想的数字了。但是，在2008年9月和10月两次泄露故障停炉检查中发现个别管子的最大减薄量达到了近3 mm ，这却是一个相当危险的数字。
表2锅炉管壁厚抽样测量结果（mm ）
注：上表数据取自2008年9月和10月实测数据。实测数据存在测量误差（测量仪器的不稳定和准确性）。
3.1.2烟尘条件
艾萨余热锅炉烟气的含尘量与制粒效果有直接关系，而烟尘成分则完全决定于物料成分。在烟气总量不变的情况下，烟气与烟尘状况都与配料、料量有直接关系。 3.1.2.1制粒效果
制粒效果关系到锅炉的正常运行。良好的制粒要求生球具有一定的成球率，机械强度和水分含量。在制粒效果不佳的情况下，会有大量的细粉状物料在进入熔池前即被抽入烟道，在烟道内进行反应，如图3所示。这一方面提高了烟气中的含尘量，另一方面容易在烟道中形成局部高温，同时还会加强受热面管的积灰、结渣和磨损。 3.1.2.2原料成分
艾萨炉以适应原料范围广而著称，因此，对锅炉的设计与运行都提出了更高的要求。
表3艾萨炉物料成分（M%）
注：上表数据来自艾萨炉生产数据统计。所列数据为当月平均值。
从上表可以看出艾萨炉物料的特点，一是硫的含量高；二是低熔点金属氧化物含量高。
原料中PbO 、SiO 2等低熔点物质较多（PbO 熔点886℃，硅酸铅系物质xPbO ·ySiO 2熔点在713~764℃），这些低熔点物质使得积灰加强的同时，也使得积灰变的更为复杂。 3.1.2.3还原剂
艾萨炉采用高硫煤作为还原剂。随着物料成分的变化，煤粉的加入量也不尽相同。在煤粉随物料一起由下料口进入艾萨炉的时候，细小的煤粉颗粒容易被抽入烟道进行二次燃烧。这时易在烟道内形成强度极高的烧结块。 3.2锅炉的积灰、结渣、磨损和腐蚀 3.2.1锅炉的积灰和结渣
烟道的结渣和积灰问题是余热锅炉普遍存在的问题。对于重有色冶金余热锅炉，结渣和积灰则尤为突出。下表为艾萨锅炉第一炉期、第二炉期和第三炉
期积灰、结渣的对比情况。
表4艾萨炉各个炉期锅炉积灰结渣情况对比
注：上表数据来自生产数据统计。
受热面管的积灰和结渣必然会影响到锅炉整体的传热效果，降低锅炉热效率，同时锅炉出口烟气温度也会提高，对下游的收尘不利。
艾萨余热锅炉第二炉期运行前，将第一炉期锅炉烟气出口由原来的向上折转式改变为了水平直通式。这是一个很好的技术改革。一方面，解决了三烟道尾部受热面的膨胀问题；另一方面，改为水平直通式后，更加有利于烟气在三烟道后部均匀的分布，可以更好的利用烟气的热能。
表5艾萨炉各个炉期锅炉主要部位温度对比
但是，从表5可以看出，锅炉的出口烟温及各个关键点的温度均有不同程度
的升高。究其原因，正是锅炉的积灰和结渣。较多的积灰和结渣影响的锅炉管壁的吸热，造成出口烟气温度偏高。在多次烟道检查中发现，三烟道入口段的三角保护铁上有大量掉落的结渣，有时大块的结渣还会堆积在三角铁上面；并且锅炉二、三烟道内积灰温度较高，呈暗红色，部分积灰冷却后呈墨绿色，烟尘成分分析结果（表6）中铜含量偏高，说明艾萨炉的下料中有部分生料随着冶炼烟气进
表6艾萨余热锅炉烟尘成分（M%）
注：上表数据取自艾萨生产数据。所列数据为2008年6月平均值。
入锅炉（图3艾萨炉内气流示意图），并在锅炉中发生不完全氧化反应，
形成硬度较高的
含有还原性成分的结渣落在三角
保护铁上（图2），堵塞烟道，影响锅炉烟气的正常流动。因为锅炉
图2 三角保护铁示意图 烟气流速较低，这便减弱了烟气流动的自吹灰效果，从而间接有利于积灰和结 图3 艾萨炉内气流示意图 渣。但过高的烟气流速会加剧对受热面的磨损。
对于锅炉结渣和积灰的问题，现在主要由艾萨炉调整冶炼工艺：配料过程中对Pb 、Zn 进行调控，降低用煤量、沙量，调整合适的喷枪气流、枪位，保证制粒的效果，减少进入锅炉的生料量。锅炉方面可做的调整为：增加振打频率或力度；对积灰和结渣进行人工清理。
3.2.2锅炉的腐蚀和磨损 3.2.2.1低温腐蚀
低温腐蚀的速度是惊人的，造成的后果也是严重的。据资料介绍，某厂铜反射炉上的水冷闸门，其腐蚀速度达1mm/月；在上述反射炉后部，曾安装蒸发量8t/h，压力2~4bar的余热锅炉，运行不到一年也因腐蚀而报废。因此，要严格控制余热锅炉受热面管温度在烟气露点温度以上，减少低温腐蚀发生的概率。
艾萨锅炉烟气露点温度很高，这对锅炉的运行控制较为不利。按照正常的压力（42bar ）来控制，饱和水的温度为254℃，加上传热热阻，受热面管的表面温度高于烟气露点温度约40℃以上。总体上能防止低温腐蚀的发生。但锅炉负压及烟气流动的不稳定性和不均衡性，或有漏风的存在，可能会使某些局部受热面温度处于烟气露点温度的边缘，造成腐蚀。
针对以上情况，我们对要满足艾萨余热锅炉安全、稳定、长周期运行（相对）的条件进行分析：
第一，降低烟气中的SO 2含量。这需要艾萨炉降低物料中的S 含量，并减少用煤量。但这与冶炼工艺对S 的需求又相矛盾，而用煤量大小与原料中S 的含量有反比关系，因此，要达到或满足此条件是较为困难的。此外，这还和下游的制酸工艺相矛盾。
第二，降低水蒸气的分压。在相同的烟气温度和SO 3含量的条件下，水蒸气的分压越大，所形成的硫酸蒸汽越多，露点也就越高（分压力是相对于全压力而言的，指的是某一单一气体的压力。混合气体的全压力等于各个单一气体分压力之和）。降低水蒸气的分压实际上也就是要降低水蒸气的含量。这就要求，严格控制入炉物料的水分。
第三，减少受热面管壁积灰。积灰会加速管壁的腐蚀。这是因为积灰的表面凸凹不平，从而加剧了硫酸结露的表面积，同时也增加了硫酸结露的核心。实践证明，积灰的管壁比光滑的管壁腐蚀要快得多。余热锅炉内部积灰和结渣
成分的复杂性远远超过工业锅炉，并且积灰和结渣的成分随入炉原料变化而变化，以目前的技术条件来说，对积灰和结渣的处理还很难达到完全根治的理想状态；这也正是许多专家和同行致力解决但又难以解决的问题。
第四，选择合适的耐腐蚀材料或涂层。一般来说，不同的烟气条件下对相同的材料会有着不同的腐蚀。从耐腐蚀角度来说，在各种条件下都能耐腐蚀的钢材是没有的，因此“耐腐蚀”是相对而言的。所以，选取适合于锅炉特定烟气条件下耐腐蚀的钢材是一个思路，但这要求烟气条件要相对稳定，从而对物料的稳定性也提出了要求。
从目前的实际情况来看，选择合适的耐磨、耐腐蚀涂层是一个较为可行且有效的方法。对局部或整体采用涂镀技术，以涂层来降低锅炉管的腐蚀和磨损，从而最大可能避免泄露故障的发生，延长余热锅炉的使用寿命。目前，这项技术已经得到普遍应用。
3.2.2.2高温腐蚀
高温腐蚀的过程十分复杂，目前就腐蚀机理的研究以及对高温腐蚀的认识还不十分成熟，尤其是烟气及烟尘条件更为复杂和多变的余热锅炉。对于艾萨锅炉来说，高温腐蚀主要发生在一、二烟道，其特点是局部深陷的溃疡状腐蚀。
原料中的碱性金属和硫的氧化物作用产生碱性金属硫酸盐，碱性金属硫酸盐进一步与氧化铁和三氧化硫作用，形成低熔点的硫酸盐络合物。这些络合物以灰的形态存在于烟气中。当积灰表面温度超过500~600℃时，灰开始软化。熔融状态下的硫酸盐络合物与金属管进行反应，这便是高温腐蚀的学说之一（碱性金属硫酸盐络合物液相腐蚀学说）。
由于对于高温腐蚀的机理目前尚不十分清楚，所以防止高温腐蚀还没有一个特别有效的方法。一般认为受热面上积灰是高温腐蚀的起因，烟气中含氧及硫的氧化物量的增加会加速高温腐蚀的进行。
防止高温腐蚀的措施：
第一，保持受热面清洁。保持受热面清洁是防止高温腐蚀的有效方法，但就艾萨余热锅炉而言，实施难度较大，基本上是不可能做到的；
第二，有效调整艾萨工艺，控制制粒的效果和煤粉的加入，避免生料或煤粉在烟道内发生二次反应；
第三，选择耐高温腐蚀的金属材料或涂层；
第四，使用添加剂，提高积灰的熔点。
3.2.2.3磨损
对于艾萨锅炉来说，磨损主要是灰粒的冲刷磨损和渣块的刮伤、撞击磨损。艾萨锅炉的烟气流速较低（
在一二炉期，艾萨锅炉连接段均有大量结渣。在日常的运行过程中，也经常发生连接段和防爆盖掉渣的现象。在艾萨余热锅炉中由于结渣造成的磨损不容忽视。
3.3温度
同其他冶炼炉一样，艾萨
炉的冶炼实际上也是具有周期性的。只是其周期性相对较长，正常情况下为6~10天。在每一个周期内，艾萨炉均会有一次停产和复产。停产和复产势必会引起锅炉烟气温度的变化。实际上，停复产过
图4 停产时艾萨余热锅炉尾部烟气温度变化 程中，在有保温烧嘴的情况下，艾萨炉熔池上部温度变化并不大。但是烟气量却迅速减小。因为锅炉体积庞大，所以到锅炉后部受热面，烟气温度已经很低。根据运行经验，在正常运行和停产的过程中，锅炉后部烟气温度变化范围约为230~450℃，如图4。
在这种温度变化的情况下，锅炉最为敏感的“热胀冷缩”现象在这里将尤为突出，久而久之，易产生金属疲劳。
4艾萨余热锅炉事故分析
从投入运行至今，该锅炉主要发生的事故是锅炉泄漏，具体原因极其复杂。下面通过归类对主要的漏水故障进行分析。
4.1三通道尾部侧墙管中段的漏水
运行初期锅炉泄漏主要发生在三烟道尾部末端的两侧墙模式壁管上（如图
5）。这个部位曾发生了多次泄漏。通过分析，主要是设计结构上的不合理和余热锅炉热负荷不稳定所引起的。在对设计做了更改后至今，此部位便未发生过漏水事故。
具体原因分析如下：
第一，出口烟道重量6.6吨，加上保温层共约7吨。其重量全部依靠烟道出口钢板与三烟道侧墙最后一根管子的焊缝承担，管子承力较大；第二，膜式壁管子的温度由锅炉运行压力控制，一般在254℃。尾部烟道烟气温度随艾萨炉冶炼周期做周期性变化，烟道出口钢板的温度随艾萨炉排烟工况的变化而在
230-450℃（图4）之间变化，二者温差引起热
图5 三烟道尾部结构图 膨胀应力不平衡，使钢材产生疲劳；
第三，在锅炉几次漏水的地方，都是三条不同方向焊缝的交汇处，存在应力集中；
第四，锅炉出口负压变化大，引起锅炉出口烟道的振动，振动力最终依赖管子与钢板之间的焊缝抵消，长期运行势必将焊缝拉开，撕裂锅炉管。
根据上述原因分析，对锅炉尾部出口烟道进行改造，将原向上出口改为水平
直通式，使烟道出口钢板独立支撑，并在其与锅炉管的连接处由原来的硬连接改为了柔性连接，充分避免了应力集中，使因振动引起的拉力得以释放，现在侧墙锅炉管中段的运行情况良好。
4.2尾部侧墙管上段漏水原因分析和解决方案
艾萨余热锅炉的三烟道为水平布置，长约28m ，全部采用管-板式膜式壁结构，因艾萨炉冶炼工艺的特点，锅炉出口烟气温度变化较大，在这种情况下，很容易引起局部应力集中，而使锅炉管拉伤，出现泄漏。
余热锅炉汽包的压力一直稳定在4.2MPa ，所以锅炉上集箱的温度恒定在254℃左右。因艾萨炉是间歇式冶炼，余热锅炉在每一个冶炼周期中将有一次降温和一次升温过程（温度在450到230℃之间变化），在这一过程中，锅炉膜式壁随烟气温度的变化而热胀冷缩，从而在三烟道尾部自由端出现较大应力叠加，易在应力集中部位造成焊缝拉裂或环状裂纹（见图6）。
对此采取的措施为：
第一，在锅炉三烟道尾部的鳍片上，每隔10根管，开一条长约150mm 、宽约5mm 的缝，并在缝的外部采取相应的密封措施，这样在保证锅炉烟道密
封的条件下，可增加锅炉膜式壁的自由度，在一定范围内减小应力的叠加；
第二，艾萨炉
在工艺允许的范围内，降低升、降温的梯度，避免锅炉膜式壁的急剧膨胀和收缩。
采取上述两个措施后，锅炉尾部侧墙上段泄漏得到解决。
4.3辐射受热面的漏水事故
艾萨余热锅炉自投入运行以来，辐射受热面发生了三次漏水
图6 艾萨余热锅炉三烟道尾部侧墙锅炉管上段示意图 事故（见表
6）。这三次漏水事故均是锅炉长期运行过程中，由于腐蚀、磨损及应力作用等原因造成的。它们有一个共同点，就是都是发生在锅炉的辐射受热区域，烟气温度较高。
表7锅炉辐射受热面漏水事故汇总
特别是2008年所发生的两次漏水事故，时间间隔较短，并且位于冶炼炉上方的一烟道，危险性较大。
4.3.1事故特点
经过总结，这三次漏水事故的特点如下：
第一，漏水部位位于高温区，烟气温度在700℃以上；
第二，漏水部位在人孔门或集箱附近等容易形成积灰和结渣的地方； 第三，漏水部位存在热负荷不均匀。人孔门部位由于没有受热面管，温度较受热面管高。一烟道上集箱和连接段分配集箱分属不同的循环系统，也存在热负荷的偏差；
第四，泄漏处多在弯管部位，或角落处。管子本身存在弯曲应力，并且烟气易在角落处形成斡旋，加剧冲刷力度；
第五，从割下来的管子来看，管内壁无结垢，测量显示管内壁无明显腐蚀、冲刷，减薄主要是发生在管外壁；
第六，漏水处受热面管水循环良好，金相分析显示管子金相组织良好，无过烧现象；
第七，漏水并非单一原因造成，而是多重原因共同作用所造成。
4.3.2原因分析
导致这几次漏水的原因都极其复杂，是由于高温腐蚀，烟尘及渣块的磨损，热负荷变化所引起的应力作用，并伴随着低温腐蚀等因素综合作用的结果。
比如，一烟道人孔门处泄漏明显就是一个综合作用的结果。首先，人孔门四周管壁上都有明显的深陷的凹坑，这些凹坑是由于高温腐蚀所引起。人孔门位置容易造成积灰，又在高温区，相对来说更容易发生高温腐蚀。其次，以人孔门为中心的约1M 2区域受热面管管壁呈现均匀减薄状态，减薄量高达
1.5~2.5mm。这正是低温腐蚀和磨损所引起的，烟气易在此部位形成回旋，加剧冲刷。再次，从割下来的管子看，表面有类似刮伤的痕迹。此外，人孔门部位受热面管均是弯管，弯管在弯曲时外侧有少量减薄，并伴随应力。正是这些因素的综合作用，才导致了受热面管的最终泄漏。
表8漏水人孔门附近测厚数据（2008年9月12）
虽说引起泄漏是多重因素综合作用的结果，但是最主要的原因还是高温腐蚀和低温腐蚀。这是综合这几次事故所得出的结论。
5小结
艾萨余热锅炉的运行控制主要是对水质和运行压力进行控制，对锅炉主要运行参数进行监控，并对烟道积灰、结渣情况进行检查和清理。
对水质和运行压力的控制较为容易，就目前锅炉系统具备的设备和设施可满足要求。在运行参数的监控上，则有一定的难度。比方说，对烟气温度就难以做到进行准确的监测，烟道内部的热电偶很容易被积灰或结渣包覆，甚至会被落渣砸断；对烟道负压的监测也面临同样的困难。再比方说，对于给水量和蒸发量的监控也较为复杂，艾萨冶炼系统负荷的不稳定，会造成给水量及蒸发量的较大波动，这给锅炉的运行监控带来了较大困难。对积灰、结渣进行检查和清理也会受到一些因素的限制。一方面检查烟道只能在艾萨炉停产后进行，否则由于烟气含尘很高，根本无法看见烟道内情况，这意味着6~10天才能进行一次烟道检查，不利于对烟道内部情况进行控制；另一方面对积灰和结渣的清理，受到烟道负压不稳定的影响，难度较大；此外，人孔及观察孔位置不光会影响到对积灰、结渣的检查，也会影响到清灰清渣，由于锅炉体积庞大，从人孔及观察孔部位能够看见及清理到的区域很有限。
影响艾萨余热锅炉安全运行的因素主要有：一是锅炉烟道的积灰和结渣，造成锅炉烟道堵塞；二是锅炉管的泄漏，三是锅炉辅助设备的正常运行情况（给
水泵、循环泵、DCS 控制系统、阀门等）。
艾萨锅炉曾发生过三烟道的大量积灰（重量达上百吨）和连接段的大量结渣（重量在70吨以上），处理难度较大，都对运行周期有较大影响。
锅炉的泄漏在锅炉行业来说，属于较为常见的事故，特别是对于重有色冶金行业的余热锅炉来说，更是如此。复杂烟气及烟尘条件和负荷的不稳定是引起锅炉管泄漏的主要原因。因此，减少锅炉泄漏的根本措施是改善锅炉运行的烟气及烟尘条件和稳定锅炉的热负荷。然而，就目前复杂的原料成分以及为满足艾萨冶炼工艺稳定控制的所需条件来说，与延长锅炉运行周期、减少锅炉泄漏所需条件是相矛盾的。同时，锅炉在设计、制造、安装过程中存在的缺陷和隐患随着运行时间的递增而不断加剧，进而暴露产生泄露。因此，从一定程度上说，锅炉泄露是绝对的，不泄露是相对的。
另外需要指出的是，艾萨炉料量(115t/h)相对于设计值来说超出了约1/3，加上原料成分的不稳定和运行周期的递增，锅炉的腐蚀及磨损难免会逐渐加剧，进而会影响锅炉的寿命。
本文主要针对云铜冶炼加工总厂艾萨余热锅炉近7年来的运行情况进行了总结分析，并就存在的问题作了一些研讨，由于笔者的知识和水平有限，尚存许多不足之处，敬请各位有识之士给以批评指正，不胜荣幸。