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热管锅炉在有色冶炼中的应用

文档作者：李用法郑鹏文档来源： 1．云南锡业股份有限公司 2．中国恩菲工程有限公司		点击数：	更新时间： 2020年12月03日
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2016年4月第2期 热管锅炉在有色冶炼中的应用—— 李用法 郑 鹏 ．31．
热管锅炉在有色冶炼中的应用
李用法 郑 鹏
(1．云南锡业股份有限公司，云南个旧661000；2．中国恩菲工程有限公司，北京100038)
[摘要] 从云南锡业股份有限公司10万t／a铜冶炼项目沉降电炉热管锅炉的应用实例出发，介绍了热管锅炉的
工作原理、结构、技术参数及清灰方式等，分析了热管锅炉运行中存在的问题及处理措施。
[关键词] 热管锅炉；热管传热；清灰方式
[中图分类号]TK229 [文献标志码]B [文章编号]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
进入2l世纪，我国能源的短缺问题日趋严峻，
节能减排已成为“十三五”规划的重中之重。冶金
行业炉窑后设置的余热锅炉由于烟气中含有二氧化
硫，通常考虑烟气露点，为保障余热锅炉安全运行，
其出口的烟温一般控制在350℃ 左右。因此，烟气
中的低温部分热量无法回收利用。上世纪7O年代
初热管作为节能设备应用于工业领域，用以回收低
品位热能。热管锅炉从烟气回收的热量生产低压饱
和蒸汽，并入厂区低压蒸汽管网补充生产用汽，节能
和经济效益显著。
根据云南锡业股份有限公司10万t／a铜冶炼
项目阳极炉热管锅炉和沉降电炉热管锅炉，分析了
热管锅炉在低温回收热量方面的应用。该项目锅炉
进口烟气量较少，故出口烟气温度较低，烟气露点较
高。传统的强制循环水管式余热锅炉存在回收热量
少，工程运行成本高的缺点，无法有效地回收低温余
热。因此，考虑采用热管锅炉进行余热回收，热管锅
[收稿日期]2015一l1—23
[作者简介]李用法(1965一)，男，云南红河州人，工程
师，主要从事热能动力设备的运行管理。
炉排烟温度可以控制在250℃ 左右，比传统的余热
锅炉出口烟温(约350℃ )低，可以更好地回收烟气
中的热量，达到节能减排的效果。同时，本文针对设
计和运行中的几个关键问题，如清灰方式等进行阐
述，总结归纳了解决问题的办法和建议。
1 热管的工作原理
热管锅炉属于“汽一水”换热器，提高换热效率
的核心是热管。锅炉的受热面为热管，其在一个封
闭的体系内，由管壳、吸液芯和端盖组成，管壳内抽
成1—2×10“Pa左右的负压后充以适量的工作液
体。工作中，通过液体介质的相态变化来传递热量。
当介质蒸发或沸腾时，会吸收热量，当介质凝结时，
会发出热量。热管的一端为加热段，另一端为冷却
段，热管内部进行着两相传热过程。介质吸热产生
的蒸汽在管内一定压差的作用下，流动到冷却段，蒸
汽遇到冷的壁面会凝结成液体，同时放出汽化潜热，
通过管壁传热给外面的冷源。冷凝下来的液体依靠
重力来帮助冷凝液回流到加热段，从而实现转移热
量过程，如图1所示。整个吸热放热循环包含以下
主要过程：
(1)热源的热量通过热管管壁、液体介质传递
· 32· 有色冶金节能 口设备节能
到汽液分界面0
(2)液体介质在蒸发段内的液汽分界面上蒸发。
(3)液体介质蒸汽从蒸发段流到冷却段。
(4)蒸汽在冷凝段内的凝结放热。
(5)放出的热量通过吸液芯、液体和管壁传递
给外部锅炉给水。坦
(6)冷凝后的液体介质回流到蒸发段，继续吸热。
热管 翅片
图1 热管工作原理图
2 热管锅炉的结构
热管锅炉由热管、汽包、烟道三部分组成。通常
热管锅炉分为汽包内直接沸腾式和套管内沸腾式两
种。汽包内直接沸腾式，即热管的冷却段直接伸入
汽包内，使汽包内的水沸腾产生蒸汽。套管内沸腾
式，即热管的冷却段被水套管包围，使套管内的水在
流动状态下沸腾，所产生的蒸汽再汇人汽包⋯ 。本
项目采用的热管锅炉采用汽包内直接沸腾式，热管
采用螺旋翅片强化传热，热管的加热段在烟气通道
内，冷却段在汽包内，热管将汽包和烟道连成一体，
并将烟气的热量传递给汽包内的饱和水，使其汽化
生产饱和蒸汽。本项目阳极炉热管锅炉为卧式结
构，电炉热管锅炉为立式结构。阳极炉热管锅炉结
构如图2所示，电炉热管锅炉结构如图3所示。
3 热管锅炉的热力系统
为节约投资便于管理，本项目热管余热锅炉与
厂区其它中压参数余热锅炉集中供水，由位于余热
发电车间给水泵将除氧后的除盐水经节流孔板减压
到2．0 MPa后供热管余热锅炉使用。锅炉汽包排污
水经管网送至熔炼炉余热锅炉房排污扩容器，并回
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图2 阳极炉热管锅炉结构图
图3 电炉热管锅炉结构图
收排污水中的能量进入锅炉除氧系统。锅炉产生的
饱和蒸汽直接进入厂区低压蒸汽管网供用户使用。
本项目两种热管锅炉采用自然循环，水循环不
依靠外力，不用设置循环泵，节约电能。
4 热管锅炉的积灰清除方式
锅炉受热面的积灰既影响换热，又可能导致受
热面的高温腐蚀，危及余热锅炉运行。清除积灰是
保证余热锅炉正常工作的关键 。余热锅炉常采
用的清灰方式有声波吹灰、振打清灰和爆破清灰。
振打清灰主要应用在锅炉水冷壁的壁面清灰，声波
吹灰和爆破清灰是实现空间清灰，但声波吹灰效果
有限。热管主要是管束形式，翅片又比较容易积灰，
故考虑采用爆破清灰方式。
爆破清灰的原理是利用可燃气体(煤气、天然
气、液化石油气、乙炔等)，与空气经各自的测控管
路调控后均匀混合，在特殊设计的燃烧室内产生爆
燃，再经输出管上的喷口发射出一定频率和强度的
汽化的液体介质 冷凝的液体介质
2016年4月第2期 热管锅炉在有色冶炼中的应用—— 李用法 郑 鹏 ·33·
冲击波。通过冲击波的作用，瞬间高温、高速气流及
巨大声响迅速扩散至炉内工作面上，使受作用面的
积灰脱落，从而达到清除积灰的目的 。
爆破清灰装置由空气系统、乙炔系统、混合点火
系统、自洁系统、疏水系统、监测报警系统、控制系
统、管路及脉冲发生系统等组成。各系统并联设计，
模块柜体组合。爆破清灰装置的介质消耗指标为：
(1)工业用乙炔瓶5瓶。
(2)空气气源压力0．2～0．8 MPa，空气气源流
量不小于50 m ／h。
(3)压缩空气储罐不小于2 Ill 。
(4)每个吹灰点每次吹灰消耗乙炔气0．008 Nm 。
(5)乙炔最小压力为0．05 MPa，最大压力为
0．35 MPa。
爆破清灰性能指标：
(1)距离喷口5 m以内可清除中等粘性积灰。
(2)距离喷口5～10 1TI以内可清除松散积灰。
本项目的实践证明采用爆破清灰可较好地清理
热管锅炉内壁的积灰。
5 阳极炉热管锅炉主要技术参数及烟
气成分
2台300 t回转式阳极精炼炉烟气经空气预热器
后，出口烟气烟温680～750℃ 。各设1台热管余热
锅炉用来冷却阳极炉排出的高温烟气同时回收烟气
余热，其主要技术参数见表1，烟气成分如表2所示。
表1 阳极炉热管锅炉技术参数
表2阳极炉热管锅炉烟气成分 单位：％ 6 电炉热管锅炉主要技术参数及烟气
成分
沉降电炉处理由熔炼炉产出的铜锍和炉渣。沉
降电炉出口烟气烟温700℃ 左右，含有一定量的二
氧化硫。电炉热管锅炉的技术参数如表3，烟气成
分如表4所示
表3 电炉热管锅炉主要技术参数
表4 电炉热管锅炉烟气成分 单位：％
7 热管锅炉的技术优势
(1)热管导热性好。热管的热传递过程依靠
的是其内部进行的蒸发和冷凝的相变。抽成负压
的热管内部充满低沸点的液体介质，管壁有由毛
细多孔材料组成的吸液芯，热管加热段吸热使液
体工质快速蒸发，并传递到热管的冷却段，热量可
以被源源不断地传导。由于热管两端温差大使热
量可以快速传导。
(2)热管管壁温度可调。冶金行业低温余热回
收由于烟气的工况变化，调节热管管壁的温度相当
重要。热管通过改变热流，把热管与烟气侧的管壁
温度提高到烟气的露点以上，以防止露点腐蚀，同时
避免了烟灰在管壁上的粘结，确保热管锅炉的长期
运行，并提高了锅炉效率。
(下转第48页)
· 48· 有色冶金节能 口环保与综合利用
放实际情况。
考虑到铜、镍冶炼建设项目均可分为火法冶
炼和湿法冶炼两种工艺，而两种工艺废气排放量
及大气污染物种类均有很大差别，故笔者建议在
标准中分别给出铜、镍火法冶炼和湿法冶炼单位
产品基准排气量指标，以便更加精细地控制污染
物的排放。
物排放标准的污染控制因子可根据实际排放情况
及污染防治重点不断补充完善，同时可考虑分别
给出铜、镍金属火法冶炼和湿法冶炼的单位产品
基准排气量指标。
[参考文献]
4 结束语 [2]
随着环保要求日趋严格，环境问题认识的日
益深入，环境标准作为国家环保法规、政策的一种
具体形式，也存在着不断更新的需要。行业污染
(上接第33页)
(3)热管的安全可靠性高。对连续性生产的冶
金工艺，常规的余热锅炉常因爆管导致冶金工艺生
产间断。因为常规余热锅炉大多是间壁换热，换热
的流体分别在管壁的内外侧流动，运行时由于烟气
的磨损或管壁过热导致泄漏，将造成整个冶炼工艺
停产。由热管组成的热管锅炉的结构特点是二次间
壁换热，热管内介质要通过热管的加热段管壁和冷
却段管壁才能传到冷流体；热管由独立的多条管束
组成，单根或多根热管破坏不会引起两相流互混，维
修方便；同时，热管加热段和冷却段同时破坏的可能
性较小，所以大大增强了热管锅炉运行的可靠性。
8 热管锅炉运行中存在的问题及处理
措施
本项目两种热管锅炉自2012年投产已连续运
行4年多，使用效果良好，但也存在一些小问题，现
将问题的原因及处理措施介绍如下：
(1)锅炉蒸发量未达到设计值。根据烟气条件
进行热力计算，阳极炉热管锅炉额定蒸发量(0 8 MPa)
为7．8 t／h，实际蒸发量为6．2 t／h。电炉热管锅炉额定
蒸发量(0．8 MPa)为2．27 t／h，实际蒸发量为1．9 t／h。
主要原因是进入锅炉烟气总热量偏低，虽然烟气量
基本达到设计值，但烟气温度低于设计值。另外给
水温度与设计值不同，因为给水来自厂区的余热发
电站管线较长，除氧器来的104℃除氧水经管网到
达电炉热管锅炉锅筒人口温度只有90℃左右。这
谭民强，刘伟生，赵瑞霞，等．环境影响评价技术导则
与标准[M]．中国环境出版社，2013．
何新春，徐福留．环境影响评价中部分标准存在的问
题及对策[J]．环境污染与防治，2007，29(6)：472—
474．
些原因间接影响了锅炉蒸发量。
(2)部分吹灰器安装在检修门上，爆破清灰时
冲击振动导致炉门密封受损，影响锅炉的密封。爆
破清灰按照控制系统设置定期进行清灰，由于沉降
电炉生产周期不同，烟气含尘的不确定性导致清灰
自动设置往往达不到理想的清灰效果，热管外壁积
灰现象严重。
(3)由于通过热管锅炉的烟气中含灰较高，热
管外壁比较容易积灰。如烟气速度较低，热管翅片
表面易积灰，增加换热热阻，降低热管换热能力，严
重时堵塞换热器；如烟气速度过高，虽然能够提高热
管的换热能力，但会加速热管的磨损，增大烟气流动
阻力。实际生产时热管锅炉经常发生单根热管的循
环故障。
9 结束语
综上所述，热管锅炉是相变传热，故其传热性能
优越，并且清灰和维护简单，在低温余热回收利用上
有良好的作用，经济效益显著。
[参考文献]
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[3] 苏焕中．冲击波清灰系统在余热锅炉上的应用[J]．有
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