转炉余热锅炉失效原因分析及对策

2021-01-05杨相喜

设备管理与维修 2020年19期

杨相喜

（攀钢工程公司修建分公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

随着冶炼技术快速发展，氧气顶吹转炉炼钢已成为国内外主要的炼钢方法，余热锅炉作为转炉汽化冷却关键设备，主要对炼钢产生的高温烟气进行冷却、换热、产生蒸汽，是转炉余热回收、节能减排的重要支撑[1]。攀钢炼钢厂有2 座提钒转炉，余热锅炉长期处于高温、高压、多粉尘的环境中，高温烟气的流动和传热十分复杂，并伴有燃烧及传质过程。热负荷随冶炼周期频繁而急剧变化，在寿命周期内锅炉管漏水的事故率高。活动烟罩上线2 年就发生漏水，固定烟道部分受阻力较大的三、四段烟道不到1 年就发生漏水。其他固定烟道平均寿命在3 年左右，经常停炉检修，不仅检修工作量大、成本高，而且在安全运行上存在隐患，对连续性生产造成很大影响。

1 失效原因分析

1.1 热负荷过大

在投产初期，该余热锅炉运行正常，能满足生产所需，转炉主要技术经济指标对比见表1。近年来，通过加大管理力度、优化生产组织，半钢及钒渣产量都大幅度提高，其中半钢年产量超112.5%、钒渣年产量超104.5%，热负荷过大，锅炉管内的水汽化严重，冷却不良，出现管子烧裂漏水现象，特别是在三段、四段烟道表现明显，如图1 所示。

表1 转炉主要技术经济指标对比

1.2 循环冷却水水质控制不严

在日常管理中，水系统、煤气回收等工艺辅助设备的管理相对宽松，未引起足够重视，循环水水质控制不严。由于汽包无加药、取样装置，锅炉冷却水在循环过程中不断蒸发、浓缩，pH 值动态变化，很难保证水碱度平衡。pH 值超标会破坏锅炉管金属钝化膜，加速氧对锅炉管的电化学腐蚀，管壁变薄，严重时形成深坑和穿孔泄漏。如果锅炉冷却水水碱度过高，锅炉管使用一段时间后就会出现结垢。通过对失效锅炉管研究分析，水垢主要为碳酸盐及磷酸盐水垢，局部厚度约1 mm，严重影响汽化冷却烟道的传热效果，在锅炉管最薄弱处产生裂纹，发生漏水。

图1 烟道锅炉管漏水

1.3 烟道结构设计不合理

国内外大部分钢铁企业为使转炉余热锅炉更加紧凑，设计安装时立体空间3 个方向都有布置，烟道末端结构常用圆弧式、多边形式、直角式，有利于与净化系统设备连接。公司提钒转炉余热锅炉采用直角式，三段、四段烟道上部转角分别为90°，形成180°的转角。烟气在拐角处产生较强的漩涡、易结渣，温度高、烟气流速高的区域锅炉管劣化趋势明显，产生裂纹或爆管漏水。通过应用Fluent 软件数值模拟不同结构形式下烟道内的烟气流场、温度场分布状况，分析不同结构形式烟道的使用寿命，制定优化措施。

（1）物理模型。根据已知几何尺寸，建立余热锅炉三维空间模型，模型空间区域为烟气的流动区域，物理模型见图2。

图2 余热锅炉物理模型

（2）边界条件。数值模拟时，网格划分忽略膜式水冷壁对烟气流动的影响，设入口烟气流速为6.5 m/s、入口烟气温度1400 ℃、入炉炉气量75 000 m3/h、烟道直径2450 mm、中心线长度37 661 mm、自然循环壁面温度140 ℃。

（3）速度场分析。高温烟气在余热锅炉内的速度场分布如图3 所示，活动烟罩处流速相对较低，在烟道末端流速逐渐增大。同等边界条件下，直角式烟气流速最大为31.6 m/s，圆弧式烟气流速最大为35.2 m/s，多边形式烟气流速最大为33.3 m/s。

图3 余热锅炉烟气流速分布

烟气速度矢量图如图4 所示，受转角的作用，烟气在烟道转角处产生较大离心力，出现分层现象，而在内侧或拐角处出现回流，烟气流速相对较低，出现较强的漩涡和低温区，易结渣，烟气离心力大的区域锅炉管磨损最严重。

图4 余热锅炉烟气速度矢量图

通过速度场分析可知，烟气分布均匀性与烟道结构形式有关。在实际运行中，余热锅炉三段、四段锅炉管漏水频率高，使用寿命最短。圆弧式烟道内部没有死角，烟气流场分布均匀，对烟道磨损小；直角式烟道有2 个90°死角，流场分布很不均匀，烟道末端安装基础面两侧流速较高，冲刷最严重；多边形式烟道弯管相比直角式弯管，结构平缓，流场分布比较均匀。通过对比，圆弧式、多边形式烟道弯管受烟气磨损较小，更有利于提高使用寿命。

（4）温度场分析。余热锅炉内烟气温度分布如图5 所示，随烟道的延伸，烟气温度逐渐降低，到烟道末端出口温度降至允许范围。直角式烟道出口烟气温度为892 ℃，圆弧式烟道出口烟气温度为945 ℃，多边形式烟道出口烟气温度为923 ℃。经过对比可知，圆弧式烟道的温度场分布最均匀，出口温度相对较高，说明换热能力最差；直角式烟道温度分布不均匀，烟道内壁面温度高，出口烟气温度相对较低，换热能力强；多边形烟道结构平缓，温度分布较均匀，低温区范围要大一些，出口温度相对较低，换热能力较强。