閃速爐鍋爐煙灰清除劑應用研究

劉安明，汪志全，劉春生，余志華

(金隆銅業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244021)

1 引言

閃速爐具有生產(chǎn)能力大，自動化程度高，系統(tǒng)密封性好、環(huán)保好等優(yōu)點，逐步成為銅冶煉的主流生產(chǎn)工藝。閃速爐冶煉工藝是一種懸浮熔煉技術(shù)，易造成較高的煙塵發(fā)生率。閃速爐余熱鍋爐是閃速熔煉工藝中的關(guān)鍵設備之一，閃速爐煙氣具有煙氣溫度高、含塵量大的特點，因此閃速爐余熱鍋爐內(nèi)煙塵粘結(jié)、堵塞、清理等問題可謂世界上所有閃速爐煉銅廠都會遇到的難題之一［1］。

2009年8月開始金隆閃速爐投料量提高至168t/h，12月23日因鍋爐大塊脫落砸傷爐管，閃速爐停爐7天，清理鍋爐大塊修復砸壞的爐管，對生產(chǎn)造成嚴重影響。2010年閃速爐投料量穩(wěn)定165t/h以上后，鍋爐粘接明顯增加，平均每2月停產(chǎn)放炮清理1次;平時延長爐內(nèi)點檢時間對鍋爐進行清理。2010年8月份年修后閃速爐投料量升至172～178t/h以后，第一懸掛屏煙灰粘結(jié)情況更為嚴重。

圖1 2011年2月16日，輻射部凝渣管結(jié)渣情況

圖2 2011年04月08日，因為放炮清理凝渣管結(jié)渣而變形的凝渣管

2 金隆閃速爐余熱鍋爐結(jié)渣的原因分析

閃速爐余熱鍋爐的積灰按溫度區(qū)域可分為三類，即高溫區(qū)的積灰(900℃以上)，過度區(qū)(650～900℃)的積灰和低溫區(qū)(650℃以下)的積灰，高溫區(qū)和過度區(qū)的煙灰屬粘結(jié)性及粘附性積灰，低溫區(qū)的煙灰屬粘附性及松散性積灰。按積灰的性質(zhì)分松散性積灰、粘附性積灰和粘結(jié)性積灰［2－4］。

2.1 輻射部溫度的影響

輻射部的積灰主要受三個因素影響，即煙氣速度，煙氣含塵量(包括鉛鋅含量)及煙氣溫度。輻射部有較大的空間，可以使高溫煙氣進行有效的輻射傳熱，煙氣溫度由1340℃降到750℃以下，煙塵由熔融或半熔融狀全部變成固體顆粒。

圖3 金隆閃速爐余熱鍋爐改造前溫度分布圖

從圖3可以看出，最前面的輻射屏離鍋爐入口只有6.5m，這個距離太小，帶有大量煙塵的高溫煙氣直接沖向輻射屏，流速超過8m/s。從溫度圖可以看出，在擋板前，溫度超過950℃，煙塵中含有低熔點的金屬及其氧化物，很容易在輻射屏上粘結(jié)，形成大塊，影響鍋爐運行。銅的氧化物也使煙塵的粘結(jié)性強，它們是鍋爐易結(jié)灰、煙塵難清理的主要原因［5］。

2.2 Zn、Pb等揮發(fā)性元素與鍋爐粘結(jié)的關(guān)系

閃速爐煙氣中的成分是復雜的，煙塵主要是未反應或部分反應的精礦粒子，以及原料中的Zn、Pb、As等揮發(fā)性元素組成［6］。進入鍋爐的煙塵組成中，銅的硫化反應性強，可以與漏入的空氣產(chǎn)生“二次反應”容易粘結(jié)到爐壁、爐管上，銅的氧化物使煙塵的粘結(jié)性強它們是鍋爐易粘結(jié)、煙灰難清理的主要原因。原料中的Zn、Pb、As等揮發(fā)性元素以氣態(tài)冷卻揮發(fā)，灰渣的氣孔排除，體積收縮，成為致密堅硬的多晶體。燒結(jié)過程中往往同時出現(xiàn)固相、液相反應，形成固熔體，加強渣塊的自加劇性，是鍋爐易粘結(jié)、煙灰難清理的次要原因。

3 鍋爐煙灰清除劑作用機理

鍋爐煙灰清除劑原是廣泛應用于電廠鍋爐的一種清灰技術(shù)，主要成分為胺鹽、促進劑、硫酸銅、硼酐、硝酸鹽、碳等多種原料［7］。主要針對燃煤鍋爐接焦結(jié)渣問題研制。在鋼廠也有大量的應用。

3.1 清除灰垢焦渣的機理

在傳統(tǒng)燃煤鍋爐，藥劑加入爐膛高溫區(qū)，即熔融又揮發(fā)，在促進劑、催化劑的作用下，一部分與煙氣中的揮發(fā)物充分燃燒，以消弱形成灰垢焦渣的可能性;另一部分分解為氧化物、過氧化物隨同未反應的堿性物質(zhì)和硼化物一起飛逸在溫度較低的灰垢焦渣的表面，形成藥膜，堿性物質(zhì)和硼化物質(zhì)是灰垢焦渣強有力的熔融劑，它以極小的質(zhì)點滲透到灰垢焦渣之中，發(fā)生化學反應，使之變的多孔酥松，同時與灰垢焦渣中的金屬硅酸鹽發(fā)生反應，(金屬硅酸鹽是灰垢焦渣最堅硬的骨架結(jié)構(gòu))將硅酸鹽中的金屬以氧化物的形式熔出，破壞了灰垢焦渣的堅硬骨架。堿性物質(zhì)和硼化物質(zhì)還能從灰垢焦渣與受熱面的交接處向里滲透離間二者的結(jié)合，減小附著力，這樣灰垢焦渣就會自行脫落或一觸即掉。

3.2 閃速爐鍋爐結(jié)塊的特點

閃速爐余熱鍋爐結(jié)塊的原理與電廠燃煤鍋爐不同，由于閃速爐鍋爐是余熱鍋爐，其煙氣中煙灰含量較電廠燃煤鍋爐要高幾十倍，成分變化大，成分更加復雜，但閃速爐鍋爐結(jié)塊的主要結(jié)構(gòu)仍然是已熔融硅酸鹽為基礎的煙灰結(jié)塊。因鍋爐結(jié)塊的主要原因是鍋爐懸掛屏距離上升煙道出口太近、熔融液滴不斷積累形成，因此想通過藥劑清除結(jié)塊是不現(xiàn)實的，因此閃速爐鍋爐加藥主要是使結(jié)塊不形成巨大的固溶體結(jié)構(gòu)，使結(jié)塊松散、容易清除即可。因此藥劑作用主要是破壞固溶體形成。藥劑采用的是高熔點的含有助燃劑的燃料添加劑。

3.3 閃速爐鍋爐清灰劑主要作用機理

由于熔融的顆粒中有未完全反應的硫化物，因此加入促進劑及硝酸鹽可以使這些硫化物迅速反應生成硫酸鹽，形成“不粘結(jié)性煙灰”。在燃燒時由于硝酸鹽和燃燒的硫在一定作用下產(chǎn)生氣體沖擊波，促使結(jié)塊更易脫落，硝酸鹽分解后產(chǎn)生的亞硝酸鹽，銨鹽燃燒的結(jié)果使煙氣中的氮氧化物降低，有利于環(huán)境保護［8］。

表1 幾種金屬和金屬氧化物熔點

Cu2O在催化劑的作用下，在鍋爐中被鹽化后變成CuSO4，又稱“不粘結(jié)性煙灰”。它能在管壁和管束上形成一層膜，間接性加入后還能讓鍋爐中產(chǎn)生的結(jié)渣分層，類似于“貝頁巖”。結(jié)渣在除灰裝置的作用下能輕易除去。氧化鋅主要以白色粉末形式存在。當溫度達1975℃時氧化鋅會分解產(chǎn)生鋅蒸氣和氧氣。碳可用于氧化鋅中鋅的還原，在高溫條件下發(fā)生反應:氧化硼可與若干金屬化合成具有特征顏色的硼玻璃，能與堿金屬、銅、銀、鋁錫、砷的氧化物完全混溶。

煙灰清除劑以霧化方式噴入爐內(nèi)，隨煙氣、煙塵一起在鍋爐懸掛屏上被捕集，在藥劑的催化氧化作用下，產(chǎn)生了部分硫酸鹽和高熔點雜質(zhì)，雖然不是整體生成，但這些不粘結(jié)的煙灰分散于整體結(jié)塊中，同時在煙灰結(jié)塊逐步長大的過程中，伴隨著硝酸鹽及未完全反應硫化物的的燃燒，使大塊產(chǎn)生空洞，因此形成的結(jié)塊相對松散，長大到一定程度就脫落，而且停爐清理時相對容易。

4 加LS－4Y煙垢煙灰清除劑試驗過程概述

2009年12月25日曾造成巨大結(jié)塊下落而損壞鍋爐的事故，造成停爐6天進行檢修和放炮清理。至2010年后，每50天左右就要停爐對輻射部凝渣管結(jié)塊進行爆破處理，對公司的生產(chǎn)能力造成極大制約。在此背景下，金隆公司開始鍋爐加藥實驗，特組織了攻關(guān)小組，在進入鍋爐的煙氣中加入LS－4Y煙垢煙灰清除藥劑。為了讓除垢藥劑清理管束結(jié)灰的性能及作用取得良好的試驗效果，每次試驗都對加藥點及加藥量進行不同的選擇，觀察加藥點及加藥量對鍋爐結(jié)渣的影響。

4.1 第一次加藥實驗

2011年5月4日～6月4日開始第一次加藥除垢試驗，加藥點選擇上升煙道西側(cè)燒嘴孔(圖1中1的位置)，加藥量為每勤2包，藥劑加入方向與煙氣走向垂直。2011年6月3日點檢后發(fā)現(xiàn)因為加藥前期原料中Pb+Zn太高(4%)，結(jié)塊嚴重，加藥無法讓以前的結(jié)塊掉落，加藥也無法挽救結(jié)塊，6月3日決定停止加藥。工場計劃7月進行月修，放炮清理鍋爐大塊。

加藥過程中發(fā)現(xiàn)，在混合礦Pb+Zn含量＜2%時，加藥能夠使凝渣管結(jié)塊松散，容易清理，凝渣管或鍋爐壁掉到2#灰斗的大塊容易用鋼釬破碎，清理容易、時間短。當混合礦Pb+Zn含量＞2.5%時，結(jié)塊速度加快，加藥效果不大。不加藥時，凝渣管或鍋爐壁掉到2#灰斗的大塊很難破碎。證明藥劑作用受到限制，未達到預期目的。

加藥中存在的問題:

(1)停爐點檢時發(fā)現(xiàn)加藥孔對面爐墻結(jié)渣變厚，上升煙道通徑變小。有可能是因為上升煙道通直徑較窄(2.4m)加藥流化風直接吹到對面爐墻導致結(jié)渣變厚。

(2)藥劑需要先和高溫煙氣充分接觸，遇熱后膨脹霧化，再隨煙氣、煙塵一起進入鍋爐，最后在鍋爐懸掛屏上被捕集。上升煙道西側(cè)燒嘴孔離鍋爐開口部較近，藥劑沒有充分膨脹霧化就進入鍋爐，所以加藥的效果不太理想。

4.2 第二次加藥實驗

針對第一次加藥試驗后鍋爐結(jié)塊性質(zhì)問題及加藥中存在的問題，對藥劑進行重新改良并重新選擇加藥點。從2011年8月17日～10月12日進行第二次加藥試驗，加藥點:沉淀池東南點檢孔，圖1中最下端位置，每勤3包，藥劑加入方向與煙氣走向呈切線。

第二次加藥發(fā)現(xiàn)，輻射部凝渣管結(jié)塊速度雖然不能降低，但結(jié)塊清理容易，大塊落到2#灰斗也容易粉碎。但加藥量的增大不能影響凝渣管結(jié)塊速度。

第二次加藥中存在的問題:

(1)人工加入藥劑量不均勻，加藥時間無法完全控制。體現(xiàn)不了藥劑對鍋爐結(jié)塊影響效果。

(2)藥劑加入點離沉淀池(S/T)渣層太近(1m)，部分藥劑沒有來得及霧化就落到爐渣中，隨爐渣排出，沒有參加反應。

4.3 第三次加藥實驗

針對第二次加藥試驗后鍋爐結(jié)塊性質(zhì)問題以及加藥中存在的問題，對藥劑進行再次改良并最終定型，將加藥點移至上升煙道 (U/T)事故排煙孔。藥劑由上而下加入，與煙氣走向呈逆向。從2011年10月20日～2013年5月進行第三次加藥試驗，原料中Zn+Pb＞2.0%。最大的區(qū)別是金隆公司自己設計了智能加藥系統(tǒng)，藥劑進入智能加藥系統(tǒng)后首先進行流化與壓縮風充分混合后再加入。并針對精礦中的Zn+Pb不同變化對加藥量和加藥時間進行設定，由系統(tǒng)自動加入。新的加藥方式投入后，加藥量明顯減少，效果明顯增加，同時加藥點更加合理。

2011年11月份螺旋給料波動，煙塵發(fā)生率高，通過加藥，凝渣管結(jié)塊雖厚，但人工能夠清理下來。從加藥試驗到年底，閃速爐余熱鍋爐(FFB)間斷性加藥共15噸，2011年12月30日月修由于凝渣管結(jié)渣厚度不夠，不具備放炮條件。進入2012年后，由于混合礦Pb+Zn含量基本在2%左右，熔煉課加大每班加藥量(每班5包)，利用爐內(nèi)點檢時間清理凝渣管。至5月10日大修前，F(xiàn)FB沒有因為凝渣管結(jié)渣的問題進行停產(chǎn)放炮。

表2 煙灰除垢劑實驗效果表

4.4 加藥結(jié)論

從加藥試驗前停爐放炮周期為50天到藥劑第一次改良后停爐放炮時間增至70天，再到藥劑第二次改良后FFB超過200天沒有停爐放炮。充分說明LS－4Y煙垢煙灰清除藥劑針對金隆鍋爐結(jié)塊及公司的生產(chǎn)能力提高起著重要作用。

5 結(jié)語

LS－4Y煙垢煙灰清除劑是一種高熔點的、含促進劑的添加劑。它不但可以阻止煉銅余熱鍋爐結(jié)渣的進一步生成及長大，還可以在鍋爐的管壁及已生成的結(jié)渣中形成一層膜，使結(jié)渣能輕易除去。能夠在一定程度上降低勞動強度，改善鍋爐的作業(yè)環(huán)境，提高閃速爐的作業(yè)率。該藥劑針對金隆銅業(yè)公司實際生產(chǎn)現(xiàn)實，邊試用，邊改良，在治理解決閃速爐余熱鍋爐煙塵的粘結(jié)的問題及在余熱鍋爐運行中都起到一定的技術(shù)保障。

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