閃速熔煉排煙系統(tǒng)煙塵硫酸鹽化技術的應用

余齊漢,劉海泉,邱樹華

（1.江銅集團貴溪工程建設項目 經(jīng)理部，江西貴溪335424；2.江西力沃德科技有限公司，江西南昌330029）

閃速熔煉排煙系統(tǒng)煙塵硫酸鹽化技術的應用

余齊漢1,劉海泉2,邱樹華2

（1.江銅集團貴溪工程建設項目 經(jīng)理部，江西貴溪335424；2.江西力沃德科技有限公司，江西南昌330029）

貴溪冶煉廠銅精礦成分復雜、雜質元素含量高，閃速熔煉排煙系統(tǒng)容易發(fā)生煙塵粘結事故。以貴溪冶煉廠的生產(chǎn)實踐為例，研究了閃速熔煉排煙系統(tǒng)煙塵硫酸鹽化技術，結合江西力沃德科技有限公司煙氣在線分析系統(tǒng)的應用，該項技術成功地投入應用，取得了良好的效果。

閃速熔煉；煙塵粘結；硫酸鹽化；煙氣在線分析

1 煙塵粘結的原因

閃速熔煉在高裝入量生產(chǎn)時，煙氣量和煙氣顯熱大，煙塵溫度高，煙灰容易沉降在上升煙道開口部，形成結瘤。若鍋爐除塵設備除塵效果差、傳熱效率低或者傳熱面積不夠，煙灰會大量粘結在鍋爐管壁和蒸發(fā)管上。一旦鍋爐除塵效果差，或出口煙氣溫度不能降低到允許值以下，煙灰還會產(chǎn)生后移現(xiàn)象，排煙煙道和電收塵器也會發(fā)生煙塵粘結事故。

閃速熔煉排煙系統(tǒng)產(chǎn)生煙塵粘結的主要原因有以下幾個方面：1）為了擴展獲利空間，拓寬銅精礦采購渠道，貴溪冶煉廠（以下簡稱貴冶）不斷地加大地方礦使用比例，造成原料成分復雜、雜質元素含量高，且品位波動大。在高裝入量、高品位及高富氧濃度的熔煉條件下，精礦中的揮發(fā)性雜質元素隨煙氣進入排煙系統(tǒng)，冷凝后成為煙塵，這些雜質元素的氧化性煙灰粘附性強，不易清除，容易導致排煙系統(tǒng)產(chǎn)生煙塵粘結事故。2）高速噴入反應塔的銅精礦和熔劑絕大部分發(fā)生分解和氧化反應后，沉降到沉淀池中，少量極細小的精礦粒子夾帶在煙氣里進一步氧化，經(jīng)過上升煙道時沉降，產(chǎn)生粘結。粘結物從東西兩側往上升煙道開口部中心發(fā)展，逐漸縮小上升煙道開口部[1]。3）若生產(chǎn)中操作參數(shù)控制不當（例如：煙氣含氧量、溫度等），或因上升煙道開口部結瘤，而大幅度地增加燒嘴燃料量，會導致輻射部出口溫度上升，大量煙塵在輻射部空腔得不到沉降而后移至對流部，易造成對流部積灰嚴重。

2 煙塵硫酸鹽化基本原理

煙塵硫酸鹽化的主要方程式：Cu2O+3/2O2+SO2= 2CuSO4；2PbO+O2+SO2=2PbSO4；2ZnO+O2+SO2=2ZnSO4，這些反應均為放熱反應。

因為閃速熔煉氧氣的設計利用率達到了99%以上，為了使閃速熔煉的硫酸鹽化反應充分進行，要求鼓入硫酸鹽化風。鼓入硫酸鹽化風主要有兩個方面的作用：1）在沉淀池項部通過二次氧槍噴入氧氣，燃燒煙灰，可降低閃速熔煉煙灰發(fā)生率，同時產(chǎn)生的熱量有助于保持上升煙道與廢熱鍋爐連接部的開度，并熔化上升煙道側墻/喉口部的煙灰粘結[2]；2）氧化銅的比熱容只有49 kcal/mol，而硫酸銅的比熱容為101 kcal/mol，在同樣煙氣條件下，氧化銅為熔融狀，易在鍋爐管束上粘結，而硫酸銅為松散狀，不易在鍋爐管束上粘結。這樣提高煙氣中SO3濃度，使煙塵硫酸鹽化，結構疏松，易于清理。但硫酸鹽化風量鼓入太大，會提高煙氣中氧氣分壓力，煙氣露點上升，硫酸工序廢酸原液中的酸度升高，會產(chǎn)生不利影響：1）閃速熔煉煙氣中含有不定量的SO3是硫酸車間廢酸的直接來源，廢酸原液采用硫化工藝回收其中的砷和銅，處理后排出液送廢酸廢水處理，由于排出液酸度濃度高，增加了廢酸廢水處理的運行成本；2）煙氣露點上升，排煙系統(tǒng)的設備易產(chǎn)生低溫腐蝕。由此可以看出，閃速熔煉采用硫酸鹽化技術是一把雙刃劍，研究工作就是要兩者兼顧，找到平衡點，實現(xiàn)閃速爐排煙煙氣硫酸鹽化的最佳化，以穩(wěn)定閃速爐的正常生產(chǎn)。

3 煙塵硫酸鹽化技術的研究

3.1 控制煙氣中SO3發(fā)生率的研究

要實現(xiàn)精確控制煙塵硫酸鹽化，就必須控制好SO3發(fā)生率。本研究結合SO3的生成機理，分析排煙系統(tǒng)中的煙氣成分和煙塵性質，找出SO3發(fā)生率可控性操作條件。

1）煙氣溫度的影響。煙氣中SO2要轉化成SO3，則必須滿足的條件：△G≤0，即－22 600+21.36T≤0，得出T≤785℃。從熱力學角度而言，溫度越低，越有利于SO3的生成。但從動力學的角度分析，溫度越高，分子的有效碰撞次數(shù)增多，有利于加快反應的進度；據(jù)有關資料報道：在有催化劑存在的條件下，SO3生成的最佳溫度在400～500℃之間。把鍋爐輻射部出口溫度控制在480～530℃及530℃以上兩個溫度范圍之內，用于調查鍋爐輻射部出口煙氣溫度的變化對SO3發(fā)生率的影響，見表2。

表2 鍋爐輻射部出口溫度與SO3發(fā)生率的關系

從以上測試結果來看：提高鍋爐輻射部出口溫度，有利于降低煙氣中SO3發(fā)生率。

3）煙氣與煙灰成分分析。測定閃速爐排煙系統(tǒng)的SO2、SO3等煙氣成分，見表3和表4。

表3 煙氣成分測定數(shù)據(jù)

表4 排煙系統(tǒng)中各區(qū)域煙灰的成分

分析可知：SO3的生成區(qū)域主要集中在鍋爐對流部，至電收塵器區(qū)域，SO3%大幅下降，且煙灰中的元素S主要以SO42-的狀態(tài)存在。這一結論和前面所提到的SO3生成的最佳溫度在400～500℃之間是相吻合的。

3.2 仿真研究

研究方法：通過余熱鍋爐入口區(qū)域的計算機仿真結果，獲得其流場、溫度場等信息，為硫酸鹽化風的給入量、位置和速度等參數(shù)的確定提供可靠依據(jù)。噴入和關閉硫酸鹽化風時，中心截面溫度分布云圖見圖1所示。

對比噴入和關閉硫酸鹽化風時的中心截面溫度分布云圖，可以看出：硫酸鹽化風橫向沖擊進入輻射室的高溫煙氣，可打散高溫煙氣團，并使高溫煙氣向接近兩邊側墻水冷壁方向流動，使換熱更加充分；而且橫向沖擊的鹽化風改變了高溫煙氣的速度大小和方向，有效保護了頂棚水冷壁以及防止積灰。但是也可以看出：最下方的鹽化風噴嘴，噴入的鹽化風未能直接沖擊高溫煙氣團，鹽化風打散高溫煙氣的作用未能充分發(fā)揮出來。因此，需要對硫酸鹽化風噴嘴的位置進行優(yōu)化調整，使3個硫酸鹽化風噴槍所噴入的鹽化風能全部發(fā)揮作用，直接沖擊高溫煙氣。

圖1 中心截面溫度分布云圖

4 煙塵硫酸鹽化技術應用實踐

4.1 存在的問題

2#閃速爐于2007年8月投入試生產(chǎn)，試生產(chǎn)期間，鍋爐對流部、鵝頸煙道、沉降室、電收塵器入口方管均出現(xiàn)過煙灰嚴重堵塞事故，導致閃速爐頻繁停爐，2007年閃速爐作業(yè)率僅為82.26%。造成這種情況的主要原因是排煙系統(tǒng)中的煙塵粘性大、易堆積、不易清理，且煙塵在排煙系統(tǒng)后移[3]。

為此，2008年2#閃速爐新增了一套硫酸鹽化風系統(tǒng)，即沉淀池頂部靠近上升煙道一側配置了5根二次燃燒氧槍，鼓入純氧；在廢熱鍋爐輻射部入口東、西兩側配置了3只硫酸鹽化風噴嘴，鼓入常氧壓縮空氣。該硫酸鹽化風系統(tǒng)投入使用后，排煙系統(tǒng)煙塵粘結基本上得到了控制，但在使用過程中也出現(xiàn)了一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）因硫酸鹽化風采用沉淀池送風機供給的常溫空氣，導致在硫酸鹽化噴嘴周圍的鍋爐水冷管出現(xiàn)低溫腐蝕的現(xiàn)象，鍋爐頻繁出現(xiàn)漏水事故。2）硫酸鹽化噴嘴布置在鍋爐輻射部入口東、西兩側，其中東面一支，西面兩支。在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)：因硫酸鹽化風管伸入鍋爐靠近上升煙道開口部一側，在鹽化風管周圍容易產(chǎn)生煙灰粘結，一旦煙塵大塊落下，會危及到鍋爐爐管的安全。2009年6月，閃速爐廢熱鍋爐幅射部（擋渣屏下方）嚴重堆積煙灰，引起閃速爐停爐、清灰達82 h。同年7月，上升煙道開口部“老鷹嘴”煙灰大塊掉下，砸裂鍋爐幅射部受熱面，砸壞幅射部刮板機，閃速爐緊急停爐，影響生產(chǎn)達163 h。針對這兩起事故，經(jīng)過討論，認為上升煙道開口部粘結煙灰，通煙截面變小是引起這兩起閃速爐停爐事故的關鍵。3）由于堵塞，取樣分析困難，生產(chǎn)得不到實時在線數(shù)據(jù)，憑借經(jīng)驗及不定期現(xiàn)場人工抽樣分析的數(shù)據(jù)來指鼓風量及燃料供給，鍋爐自動化控制程度低。

4.2 采取的措施

根據(jù)以上事故產(chǎn)生的原因，結合硫酸鹽化技術研究成果，采取了相應的措施：

1）2010年，利用年修之際，將3支硫酸鹽化風噴嘴由原來的側面移至鍋爐入口正上方的前墻上，呈水平排列，向下傾斜，以加強硫酸鹽化風與排煙煙氣紊流混合，提高煙塵硫酸鹽化效果，同時可抑制上升煙道開口部的煙塵粘結，避免煙灰大塊掉下砸裂鍋爐爐管事故的發(fā)生（圖2）。

圖2 硫酸鹽化噴嘴在鍋爐南面的安裝部位

2）新增1臺蒸汽加熱器，把硫酸鹽化風加熱至200℃以上，避免硫酸鹽化風對鍋爐爐管產(chǎn)生低溫腐蝕（圖3）。

圖3 鍋爐硫酸鹽化風系統(tǒng)配置

3）在閃速爐鍋爐出口新增1臺由江西力沃德科技有限公司設計生產(chǎn)的QT-1-4QO1-HHH氧氣分析儀（圖4），用于在線檢測鍋爐出口煙氣中的氧氣濃度，為精確控制煙氣中SO2、O2濃度含量提供了實時有效的檢測數(shù)據(jù)。鍋爐出口氧氣濃度一般控制在1.0%～2.0%之間。鍋爐出口氧氣濃度與煙塵硫酸鹽化程度相關聯(lián)，此參數(shù)可作為硫酸鹽化風量的調整依據(jù)，同時鍋爐出口氧氣濃度的變化也可反映出鍋爐漏風情況。

圖4 O2在線監(jiān)測分析系統(tǒng)安裝

4）排煙系統(tǒng)采用硫酸鹽化技術，明顯改變了煙塵的性質，從外觀上看，積灰由深褐色變成了微紅的深黃色[4]。煙塵硫酸鹽化程度可以通過分析鍋爐煙塵成分來判斷。通常鍋爐煙灰含硫量控制在5%～7%左右。

5）硫酸工序廢酸原液的酸度與煙塵硫酸鹽化程度有一定的關聯(lián)：酸度高，煙塵硫酸鹽化效果好，但對排煙系統(tǒng)設備會產(chǎn)生腐蝕，且增加廢水處理成本；酸度太低，表明煙塵硫酸鹽化效果差。采用硫酸鹽化技術要二者兼顧，正常情況了廢酸原液中的酸度控制在100～150 g/L。

6）加強廢熱鍋爐各處溫度的監(jiān)控和彈簧錘振打的管理，特別是對流部出口煙氣溫度的監(jiān)控。要及時根據(jù)鍋爐內的粘結情況和溫度分布情況，調整振打頻率與振幅。

7）精心調整好閃速爐控制參數(shù)，加強閃速爐爐況與沉淀池排銅排渣的管理。

8）規(guī)范化閃速爐的爐內點檢制度，及時發(fā)現(xiàn)、及時清理上升煙道開口部和廢熱鍋爐內部的煙塵粘結。

經(jīng)過多年來的研究與應用實踐，貴冶已摸索出了煙塵硫酸鹽化的關鍵控制因素，如二次氧量、鍋爐硫酸鹽化風量、鍋爐出口氧氣濃度、鍋爐溫度分布情況、鍋爐內煙塵成份和廢酸原液的酸度等，對這些關鍵要素已形成了精細化控制規(guī)范。閃速爐排煙系統(tǒng)煙塵硫酸鹽化主要控制參數(shù)如表5所示。

表5 2#閃速爐排煙系統(tǒng)煙塵硫酸鹽化主要控制參數(shù)

4.3 應用效果

煙塵硫酸鹽化控制技術在貴冶的應用，成功地解決了閃速熔煉排煙系統(tǒng)中煙塵易粘結的世界性難題，適應了閃速爐高投料量和銅精礦中雜質元素含量不斷上升的需求，貴冶閃速熔煉主要技術經(jīng)濟指標達到了國際領先水平，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益與社會效益。煙氣在線分析系統(tǒng)的應用，不僅提供了實時準確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，同時也填補了有色冶煉行業(yè)中鍋爐出口煙氣在線監(jiān)測的空白。其主要效果表現(xiàn)在以下方面：

1）根據(jù)礦物相分析表明：廢熱鍋爐煙塵的物相成分主要是硫酸鹽，所占比例達到了58%以上，煙塵結構松散，不易粘結堆積。煙塵物相組成及含量見表6。

表6 閃速爐廢熱鍋爐煙塵物相組成及含量 %

2）排煙系統(tǒng)煙塵粘結事故對閃速爐作業(yè)率的影響由42.95%降至3.83%，已由主要影響因素降為次要影響因素，閃速爐精礦處理量和作業(yè)率逐年上升（見表7）。

表7 閃速爐精礦處理量和作業(yè)率

3）原來定修時清理排煙系統(tǒng)煙塵積灰是最主要的工作之一，排煙系統(tǒng)暢通使得定修周期由1個月一次延長到3個月一次，有效地降低了煙塵清理過程中對環(huán)境產(chǎn)生的污染，減輕了作業(yè)人員的勞動強度，同時提高了閃速熔煉作業(yè)安全性，保障了人身安全與設備安全。

4）原來人工采樣分析是現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的直接來源，O2在線分析系統(tǒng)的應用為日常生產(chǎn)提供了實時準確的在線數(shù)據(jù)，提高了生產(chǎn)精確控制及鍋爐生產(chǎn)自動化程度。

5 結束語

貴溪冶煉廠原料種類多達20種，品質低但獲利空間大的地方礦使用比例日益增加，造成原料成分復雜且品位波動大。煙塵硫酸鹽化技術的成功應用，拓寬了貴冶銅精礦原料采購渠道，適應了閃速爐高投料量和銅精礦中雜質元素含量不斷上升的需求，降低了排煙系統(tǒng)煙塵粘結的故障率，提高了閃速爐作業(yè)率；隨著原料成分越來越復雜，此技術的應用前景越來越廣，將成為閃速爐煉銅行業(yè)的標準配置。

[1] 胡俊.銅冶煉廠余熱鍋爐煙塵處理方法的論述[J].有色冶金設計與研究，2014，35（1）：18-19.

[2] 余齊漢.熔煉煙氣中SO3發(fā)生率的研究[J].有色金屬(冶煉部分)，2002（1）：18-21.

[3] 楊永豐,楊輝華.貴冶2#閃速爐排煙系統(tǒng)堵塞控制探討[J].有色金屬(冶煉部分)，2011（2）：51-54.

[4] 涂俊杰.淺析銅閃速爐余熱鍋爐中硫酸鹽化裝置的作用[J].有色冶金設計與研究，1998（4）：40-44.

Application of Dust Sulfation Technology of Flash Smelting Flue Gas Exhaust System

YU Qihan1,LIU Haiquan2,QIU Shuhua2
(1.Manager Department of Guixi Engineering Construction Project of Jiangxi Copper Corporation,Guixi,Jiangxi 335424,China;2. Jiangxi Liwode Technology Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330029,China)

Copper concentrate of Guixi Smelter has complicated composition and high content of impurity element,flash smelting flue gas exhaust system is easy to occur dust bonding.taking production practice of Guixi Smelter as an example,the paper makes a research on dust sulfation technology of flash smelting flue gas exhaust system,and flue gas on-line analysis system is applied by Jiangxi Liwode Technology Co.,Ltd.and obtains good effect.

flash smelting;flue dust bonding;sulfation;flue gas on-line analysis

TF811

B

1004-4345(2015)02-0022-05

2014-05-29

余齊漢(1970—),男,高級工程師,主要從事有色冶金和環(huán)境治理的生產(chǎn)與項目管理工作。