富氧在煙化爐吹煉工藝中的應(yīng)用

齊翼龍

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410001）

富氧在煙化爐吹煉工藝中的應(yīng)用

齊翼龍

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410001）

采用煙化爐技術(shù)煙化揮發(fā)有價(jià)金屬是一種廣泛用于貧化爐渣和處理低品位礦的方法。煙化爐煙化法的發(fā)展主要是富氧鼓風(fēng)強(qiáng)化煙化吹煉過程，以提高煙化爐的生產(chǎn)能力和金屬回收率。采用富氧鼓風(fēng)技術(shù)能有效降低生產(chǎn)能耗，改善作業(yè)環(huán)境，降低生產(chǎn)成本，具有廣闊的市場(chǎng)前景和推廣價(jià)值。

煙化爐； 發(fā)展方向；富氧吹煉； 節(jié)能降耗 ；回收率

1 引言

煙化爐在鉛、鋅、錫等有色金屬冶煉過程中廣泛使用，其主要作用是對(duì)含金屬高的熔渣進(jìn)一步處理，綜合回收渣中的有價(jià)金屬。目前，大多數(shù)煙化爐工藝采用將空氣和粉煤混合后吹入到高溫熔池中燃燒放熱，產(chǎn)生大量的熱量和CO氣體，熱量用來維持整個(gè)系統(tǒng)的熱量平衡和熔池穩(wěn)定，CO氣體在高溫下將金屬氧化物還原呈各種形式揮發(fā)，在煙塵中富集，從而實(shí)現(xiàn)了金屬物質(zhì)的綜合回收。其主要特點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝成熟、流程短、金屬回收率高等。隨著現(xiàn)代冶金技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的重視，煙化爐吹煉技術(shù)也在不斷的發(fā)展和革新。富氧熔煉技術(shù)越來越多地使用在冶金提取過程中，其主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，反應(yīng)速度快，煙氣量少，能耗低等［1］。

若在煙化爐生產(chǎn)工藝中鼓入富氧空氣，會(huì)引起爐內(nèi)反應(yīng)過程及氣氛發(fā)生較大的改變，對(duì)爐內(nèi)粉煤的充分燃燒、冶煉溫度的控制、升溫速度的調(diào)節(jié)、爐內(nèi)氣氛的控制、爐況的改善、吹煉時(shí)間的長(zhǎng)短、冶煉效率等方面影響很大［2］。采用富氧熔煉會(huì)有利于煙化爐生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)提高、能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)［3］。

2 富氧吹煉在煙化爐生產(chǎn)上的可行性

煙化爐主要從有色冶金爐渣中揮發(fā)鉛、鋅等金屬，其煙化揮發(fā)的實(shí)質(zhì)是將空氣和粉煤的混合物通過風(fēng)嘴噴入到高溫熔渣中進(jìn)行還原吹煉，粉煤既是燃料又是還原劑。熔渣中的金屬氧化物遇到熱態(tài)碳或者未完全燃燒產(chǎn)生的CO被還原成金屬，并以氣態(tài)的形式進(jìn)入到高溫?zé)煔庵?，后又被氧化成金屬氧化物，以氧化物的形式被捕集于收塵設(shè)備中［4-5］。

其過程中主要發(fā)生的反應(yīng)如下：

熔池反應(yīng)（還原）

ZnO + CO = Zn + CO2

ZnO + C = Zn + CO

PbO + CO = Pb + CO2

PbO + C = Pb + CO

空間反應(yīng)（氧化）

2Zn + O2= 2ZnO

2Pb + O2= 2PbO

煙化爐生產(chǎn)過程可以分為四個(gè)階段［6］，若按每2h生產(chǎn)1爐的生產(chǎn)周期，其各階段的參數(shù)：

（1）進(jìn)料階段：將上段工序放出的熱態(tài)渣加入到煙化爐內(nèi)，爐內(nèi)溫度會(huì)從1200℃降到900℃左右，進(jìn)料時(shí)間為15min，此時(shí)空氣過剩系數(shù)為0.65～0.85。

（2）升溫階段：爐溫從800℃升到1250℃左右，此階段應(yīng)盡快提高爐內(nèi)溫度，縮短提溫時(shí)間，保證爐內(nèi)熔渣的溫度維持在一個(gè)較高的水平。提溫時(shí)間30min，此時(shí)空氣過剩系數(shù)為0.8～0.85。

（3）吹煉階段：爐溫達(dá)到1300℃左右，此時(shí)爐內(nèi)應(yīng)控制在強(qiáng)還原氣氛，CO含量較高，有利于金屬元素的還原，此階段吹煉時(shí)間為60min，空氣過剩系數(shù)為0.65～0.75。

（4）放渣階段：此時(shí)應(yīng)盡量提高爐溫，以便順利放渣，放渣時(shí)間為15min，空氣過剩系數(shù)0.65～0.75。

從煙化爐生產(chǎn)周期的四個(gè)階段來看，可以在進(jìn)料、升溫和放渣三個(gè)階段從二次風(fēng)管中鼓入富氧空氣進(jìn)行吹煉，富氧濃度控制在21%～25%，以快速提高爐膛內(nèi)的溫度，強(qiáng)化熔池反應(yīng)，縮短反應(yīng)時(shí)間，減少煙氣量，提高生產(chǎn)效率。此技術(shù)只是提高鼓入的二次風(fēng)氧氣的濃度，其它操作過程與現(xiàn)行的冶煉過程相同，工藝上不會(huì)作很大的變動(dòng)，生產(chǎn)工藝上是可行的。

3 技術(shù)方案

3.1 工藝管道設(shè)計(jì)

在原有二次風(fēng)空氣管路上開通1個(gè)支管與經(jīng)過變壓、穩(wěn)壓、計(jì)量后氧氣管道相連接，在需要鼓入富氧空氣時(shí)，打開氧氣管道上的控制閥，以提升二次風(fēng)管中的氧氣的濃度。為精確控制二次風(fēng)管中氧氣的濃度，氧氣管路上安裝遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，接入中控室，實(shí)現(xiàn)DCS聯(lián)機(jī)自動(dòng)控制。管道連接圖見圖1。

圖1 富氧空氣管道連接圖

富氧空氣的濃度要嚴(yán)格控制在21%～25%，一般設(shè)定值為23%左右。濃度不能太低，也不能控制過高。若富氧空氣的濃度太低，則達(dá)不到快速提溫，強(qiáng)化熔煉，節(jié)約能源的目的；濃度太高則會(huì)因風(fēng)口區(qū)燃燒劇烈，風(fēng)口區(qū)的溫度過高，導(dǎo)致燒嘴和水套的壽命縮短，反而會(huì)降低爐子的作業(yè)率和生產(chǎn)效率。因此，在整個(gè)生產(chǎn)過程中，要對(duì)混合后的富氧空氣濃度實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，自動(dòng)調(diào)節(jié)給氧量，保證富氧空氣的濃度始終維持在設(shè)定值。

假定富氧空氣的濃度設(shè)定值為n，需要的氧氣量Vo2：

Vo2=（n1-n）*Vk/（n-n2）

式中：Vo2—需要的氧氣量，Nm3/h；n—富氧空氣的濃度；n1—空氣中氧氣濃度；n2—氧氣濃度；VK—鼓風(fēng)量，Nm3/h；

根據(jù)供風(fēng)量的大小和富氧空氣的濃度調(diào)整氧氣的流量。氧氣管道內(nèi)的壓力要經(jīng)過調(diào)壓，降到與二次風(fēng)壓相同，二次風(fēng)壓力一般設(shè)定在0.06～0.08MPa。通過流量調(diào)節(jié)閥的控制在進(jìn)料、提溫和放渣三個(gè)階段開啟切斷閥，與鼓入的二次風(fēng)混合成需要的富氧空氣，鼓入到煙化爐熔渣內(nèi)強(qiáng)化燃燒。富氧濃度控制在25%以下，冷料和處理量大，氧濃取高值。

3.2 參數(shù)控制

根據(jù)煙化爐各個(gè)階段的工藝要求不同，富氧空氣濃度的調(diào)節(jié)要與工藝生產(chǎn)要求相一致。具體參數(shù)設(shè)置見表1。

富氧空氣在進(jìn)料、提溫和放渣階段開啟，以強(qiáng)化爐內(nèi)燃燒，增加粉煤的燃燒效果，增強(qiáng)爐內(nèi)反應(yīng)溫度，使?fàn)t溫維持在較高的溫度內(nèi)，保證所加入的冷料快速熔化、反應(yīng)，縮短反應(yīng)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。鼓入富氧空氣對(duì)加入冷料的煙化爐熔煉效果尤為明顯。若向煙化爐內(nèi)加入冷料時(shí)，爐內(nèi)溫度會(huì)劇烈下降，影響爐況的正常運(yùn)行，冶金渣粘度增高，導(dǎo)致傳質(zhì)、傳熱效果降低，爐況惡化。因此，冷渣入爐后首先要有一個(gè)熔化過程，繼而物料中的氧化物才能被還原；而熔化的速度和還原的程度取決于爐內(nèi)溫度，燃燒放出的熱量和給煤量。在加冷料階段，若鼓入富氧空氣，可加快給煤的燃燒速度，能在短時(shí)間內(nèi)放出大量的熱，迅速提高爐內(nèi)溫度，加快冷料的熔化速度，單位時(shí)間內(nèi)能降低煤耗。因?yàn)槿剂显诟谎踔心軌蛉紵^為充分，大大提高了燃料的燃燒速度和燃盡率，而且富氧燃燒產(chǎn)物的熱輻射會(huì)迅速增強(qiáng)，可顯著提高爐內(nèi)的傳熱效率。對(duì)同等發(fā)熱值的煤炭來說，富氧空氣中的氧濃度越高，燃燒所需的富氧空氣量就會(huì)越少，燃燒產(chǎn)生的煙氣量就會(huì)減少，燃燒溫度就會(huì)越高，熱損失就會(huì)越少，煤炭的節(jié)約率也就越高。

表1 各階段富氧濃度調(diào)節(jié)

因此，在加料、提溫階段，當(dāng)爐內(nèi)熔渣高度高于風(fēng)口時(shí)，開啟氧氣管道的切斷閥，鼓入富氧空氣強(qiáng)化燃燒，提高爐溫，能保證爐內(nèi)溫度維持在較高水平，對(duì)加速冷料的熔化具有顯著作用，符合冶煉工藝要求。

吹煉階段在吹煉后40min后必須將氧氣管道閥門切斷，使鼓入熔池內(nèi)的富氧空氣全部轉(zhuǎn)換成空氣，保證爐內(nèi)有足夠的CO濃度，控制爐內(nèi)還原性氣氛，使熔渣內(nèi)的鉛、鋅最大限度還原，將熔融渣內(nèi)的金屬氧化物盡可能還原揮發(fā)分離出來，確保渣內(nèi)鉛、鋅含量達(dá)到棄渣標(biāo)準(zhǔn)要求。

在放渣前10min打開氧氣管道的切斷閥，按設(shè)定的濃度調(diào)節(jié)供氧量，向爐內(nèi)鼓入富氧空氣，加快還原階段殘煤的燃燒，提高渣溫，降低熔渣粘度，保證放渣時(shí)的流暢性，縮短放渣時(shí)間。

4 煙化爐熔煉工藝采用富氧吹煉的優(yōu)點(diǎn)

對(duì)煙化爐熔煉采用富氧強(qiáng)化熔煉，能滿足現(xiàn)有工藝的要求，具有技術(shù)上的可行性和顯著優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）增加鼓風(fēng)氧濃，能增大可燃物質(zhì)與氧氣接觸的幾率，提高燃煤的燃燒效率和燃盡速度，可以將爐溫迅速提高至熔煉需要的溫度，縮短吹煉時(shí)間，使?fàn)t內(nèi)爐渣的傳質(zhì)和傳熱效果得到加強(qiáng)。

（2）富氧吹煉可以減少煙氣量，降低高溫?zé)煔鈳ё叩臒釗p失?？諝庵醒鯕獾暮空?0.9%，而不助燃的氮?dú)庹?8.097%，在燃燒過程中，煙氣帶走了大量熱能，采用富氧燃燒可減少進(jìn)風(fēng)量5%～15%，即減少了熱量的流失；因高溫?zé)煔鈳ё叩臒崃繙p少，可以降低粉煤消耗，節(jié)約能源。

（3）噴入熔池內(nèi)的燃料在富氧條件下能充分燃燒，爐內(nèi)溫度快速升高，溫度場(chǎng)分布更趨于均勻，碳粒燃燒更充分，在加速熔池內(nèi)氧化鋅的還原與鋅蒸氣的揮發(fā)的同時(shí)，減少了煤粒的揮發(fā)，有利于產(chǎn)品質(zhì)量提高。

5 改造前后技術(shù)參數(shù)

以處理熱態(tài)鉛鋅渣為例，處理量20t/h，通過理論計(jì)算及實(shí)際生產(chǎn)情況，列出改造前后的相關(guān)參數(shù)、數(shù)據(jù)，見表2。

從表2看出，在處理相同的熱渣情況下，粉煤的使用量有所降低，煤率由原來的14.4%下降到14.2%，而渣含鋅由原來的2%下降到1.8%。在煙化爐吹煉過程中鼓入富氧進(jìn)行強(qiáng)化熔煉，粉煤能在短時(shí)間內(nèi)燃燒放出大量的熱，快速提升熔池內(nèi)反應(yīng)溫度，提高金屬的還原速度，加快鋅蒸汽從熔渣中的揮發(fā)速率，使還原出來的金屬更容易進(jìn)入到煙氣中。因此，煙化爐熔池熔煉采用富氧吹煉不僅能降低煤耗，而且還有助于技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)化和提升。富氧吹煉在短時(shí)間內(nèi)提高爐溫有巨大影響，對(duì)熱渣中搭配冷料熔化有顯著的作用，能縮短熔化時(shí)間，所以在吹煉階段將富氧濃度提高到一定程度，提高冷料量的投入比例也完全可以取得較好的技術(shù)指標(biāo)和理想結(jié)果。

表2 技術(shù)參數(shù)表

6 結(jié)論

富氧技術(shù)在煙化爐還原熔煉工藝中完全是可行的，不僅能強(qiáng)化煙化過程和提高鋅的揮發(fā)，而且還可以降低送風(fēng)量、減少高溫?zé)煔鈳ё叩臒崃?，?jié)約生產(chǎn)成本，降低燃料消耗，減少有毒氣體的產(chǎn)生與排放，環(huán)保效果突出，為落實(shí)節(jié)能減排政策、增產(chǎn)提效的目標(biāo)提供了一條新思路。

［1］郜偉， 王成彥， 陳永強(qiáng)， 等. 鉛富氧閃速熔煉法節(jié)能減排效果與分析［J］. 有色金屬， 2012（4）：45-48.

［2］王志剛， 王宇佳. 硫化銻精礦富氧側(cè)吹熔池熔煉新工藝研究［J］. 湖南有色金屬， 2015， 31（6）：41-44.

［3］劉軍， 劉燕庭， 陳文. 銅鎳礦富氧側(cè)吹熔池熔煉工藝［J］. 甘肅冶金，2013， 35（1）：4-6.

［4］劉虔， 陽德炎. 氧化爐富氧吹煉生產(chǎn)實(shí)踐［J］. 有色冶煉， 2008（5）：13-16.

［5］晏祥樹， 陳春林. 鋅浸出渣火法處理工藝探討［J］. 中國(guó)有色冶金，2012， 41（5）：58-62.

［6］華一新. 有色冶金概論（3）［M］. 北京：冶金工業(yè)出版社， 2014：225-226.

The Application of Oxygen Enriched in Fuming Furnace Blowing

QI Yi-long
（Changsha Engineering and Research Institute Ltd. of Nonferrous Metallurgy， Changsha， 410001， Hunan， China ）

The process of fuming the valuable metals in the fuming furnace is widely applied for the slag dilution and low-grade ore treatment. The development of the fuming process of fuming furnace is a typical of a process of fuming and blowing intensified by oxygenenriched air blasting to improve the capacity and metal recovery rate of the fuming furnace. The use of the oxygen-enriched air blasting technology can effectively reduce the production energy consumption， improve the operating environment and reduce the operating cost，thus it has wide market prospect to popularize.

fuming furnace；development direction；oxygen-enriched blow；saving energy and reducing consumption；recovery rate

TF806

A

1009-3842（2016）04-0069-03

2016-03-22

齊翼龍（1983-），男，湖南長(zhǎng)沙人，工程師，主要從事有色冶金、余熱利用設(shè)計(jì)和咨詢工作。E-mail： 251451087@qq.com