鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐風(fēng)嘴改進(jìn)實(shí)踐

殷勤生， 于建忠

(白銀有色集團(tuán)股份有限公司第三冶煉廠， 甘肅 白銀 730900)

0 前言

白銀公司某廠采用密閉鼓風(fēng)爐煉鉛鋅工藝，經(jīng)過多年的探索實(shí)踐，工藝操作控制日益成熟，但一些問題仍然制約著粗煉產(chǎn)能的有效提高，主要表現(xiàn)在熔煉過程鼓風(fēng)壓力偏高、鼓風(fēng)量受限、處理量提高困難。企業(yè)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)影響鼓風(fēng)壓力的因素進(jìn)行分析，對(duì)鼓風(fēng)爐風(fēng)嘴重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，擴(kuò)大了風(fēng)口內(nèi)筒截面積，鼓風(fēng)量受限問題得到解決，強(qiáng)化了冶煉效果。

1 鼓風(fēng)量與鼓風(fēng)壓力

1.1 鼓風(fēng)量

鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐的正常鼓風(fēng)量與風(fēng)口區(qū)面積、風(fēng)口配置等有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)型煉鋅鼓風(fēng)爐底部風(fēng)口風(fēng)量一般控制在35 000 m3/h左右。生產(chǎn)實(shí)踐中，鼓風(fēng)量主要取決于焦炭燃燒、燒結(jié)塊質(zhì)量、爐內(nèi)結(jié)瘤、料面高度及爐體結(jié)構(gòu)等。大風(fēng)量操作時(shí)，焦炭燃燒速度快，熔煉強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率高，而爐內(nèi)熱量損失比例相應(yīng)減小，焦炭還原區(qū)域擴(kuò)大，可獲得較高的熔煉溫度，降低渣含鋅。但風(fēng)量過大，會(huì)使?fàn)t內(nèi)高溫區(qū)上移，造成爐料過早熔化，爐渣含鋅升高，增加動(dòng)力消耗，不利于熔煉過程的正常進(jìn)行；同時(shí)，由于爐內(nèi)氣流速度過大，粉塵量增加，特別是在料面過低、燒結(jié)塊強(qiáng)度差、爐內(nèi)結(jié)瘤嚴(yán)重的情況下，冷凝器內(nèi)浮渣劇增。此外，大風(fēng)量操作還受到燒結(jié)塊質(zhì)量、爐內(nèi)結(jié)瘤所引起的高風(fēng)壓限制，而且鼓風(fēng)量還需與冷凝分離系統(tǒng)及爐氣洗滌系統(tǒng)的設(shè)備能力相匹配。

1.2 風(fēng)口配置

風(fēng)口配置要同時(shí)考慮爐缸單位面積送風(fēng)量、風(fēng)口鼓風(fēng)強(qiáng)度以及風(fēng)口風(fēng)窩重疊情況。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，爐缸單位面積送風(fēng)量不超過2 300 m3/(m2·h)，風(fēng)口內(nèi)單位面積的送風(fēng)量不超過3 000 m3/(m2·h)。為避免爐內(nèi)形成死區(qū)，風(fēng)口活化區(qū)必須側(cè)向重疊。風(fēng)口數(shù)量增加，則每個(gè)風(fēng)口風(fēng)量減少，風(fēng)窩尺寸則不夠大，風(fēng)口數(shù)量減少則加大了每個(gè)風(fēng)口的風(fēng)量，風(fēng)窩重疊區(qū)域增加，活化了爐缸中心，綜合考慮爐缸面積、風(fēng)口面積及爐缸活度，16個(gè)風(fēng)口最適合該廠爐型。

1.3 鋅產(chǎn)量與送風(fēng)量

鼓風(fēng)爐鋅產(chǎn)量可由下式表示：

LZn=(V×E×24 h×30 d)/(C/Zn×V/C)

(1)

其中：LZn——鼓風(fēng)爐鋅產(chǎn)量，t/月；

V——平均送風(fēng)量，km3/h；

E——鼓風(fēng)爐利用率，%；

C/Zn——碳鋅比，t/t；

V/C——送風(fēng)量與碳之比，km3/t。

鋅產(chǎn)量與送風(fēng)量成正比，但是增加風(fēng)口送風(fēng)量會(huì)帶來一系列問題：(1)爐內(nèi)壓力降增加且波動(dòng)范圍大；(2)粗鋅中雜質(zhì)含量增加；(3)低熱值煤氣CO含量升高，且碳鋅比增加。壓力降的增加和波動(dòng)影響送風(fēng)強(qiáng)度，造成爐況不穩(wěn)定，制約了粗煉系統(tǒng)產(chǎn)能水平的進(jìn)一步提高。

2 降低鼓風(fēng)壓力的途徑

2.1 影響鼓風(fēng)壓力的因素

密閉鼓風(fēng)爐鼓風(fēng)壓力降主要來自于燒結(jié)塊和焦炭等物料形成料柱產(chǎn)生的阻力、熱風(fēng)管道摩擦阻力及水冷風(fēng)嘴風(fēng)口摩擦阻力。料柱阻力和物料的透氣性有關(guān)，熱風(fēng)管道及風(fēng)口摩擦阻力與風(fēng)管直徑、空氣在風(fēng)管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)及風(fēng)管內(nèi)壁的粗糙度有關(guān)。該廠原料大部分外購，由于原料成分波動(dòng)大，燒結(jié)塊熱強(qiáng)度等理化指標(biāo)穩(wěn)定性差，通過改善料柱透氣性降低鼓風(fēng)壓力不易實(shí)現(xiàn)；而改變熱風(fēng)管道涉及系統(tǒng)鼓風(fēng)動(dòng)能的平衡；通過擴(kuò)大風(fēng)口直徑則可降低風(fēng)口摩擦阻力，從而降低鼓風(fēng)壓力，簡易可行。

2.2 減小風(fēng)口摩擦阻力

空氣在風(fēng)管內(nèi)的流動(dòng)阻力有空氣與管壁間產(chǎn)生的摩擦阻力，以及空氣流經(jīng)風(fēng)管中的管件(彎頭、三通、變徑管)時(shí)由于流速和方向變化而產(chǎn)生的局部阻力，本文主要討論摩擦阻力。

根據(jù)圓形風(fēng)管的摩擦阻力計(jì)算公式：

式中： ΔPm——摩擦阻力;

λ——摩擦阻力系數(shù)；

ν——風(fēng)管內(nèi)空氣的平均流速，m/s；

ρ——空氣密度，kg/m3；

L——風(fēng)管長度，m；

D——圓形風(fēng)管直徑，m。

由式(2)可知,風(fēng)口的直徑與摩擦阻力成反比，增大風(fēng)口直徑，可以減小風(fēng)口摩擦阻力，降低鼓風(fēng)壓力。

2.3 鼓風(fēng)爐風(fēng)嘴改進(jìn)

鼓風(fēng)爐原風(fēng)嘴風(fēng)管出口內(nèi)徑Φ127 mm，材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti ，規(guī)格Φ140 mm×6.5 mm，L=953 mm。將風(fēng)嘴風(fēng)管出口直徑擴(kuò)大至Φ140 mm，規(guī)格改為Φ152 mm×6 mm，L=953 mm，風(fēng)管材質(zhì)不變，風(fēng)口風(fēng)嘴材質(zhì)由原來的15CrMo改為0Cr25Ni20。風(fēng)口內(nèi)筒尺寸由Φ156 mm/Φ168 mm改為Φ168 mm/Φ180 mm；風(fēng)口外筒尺寸由Φ214 mm/Φ244 mm改為Φ226 mm/Φ256 mm；鋼管尺寸由Φ189 mm×4 mm改為Φ201 mm×4 mm，長度由L=850 mm改為L=800 mm。為保證水冷效果，風(fēng)嘴與內(nèi)鋼管間距由8 mm改為58 mm，水道螺旋線后移50 mm，隔熱層設(shè)計(jì)不變。為不影響風(fēng)嘴安裝，噴淋爐殼風(fēng)嘴套管內(nèi)徑尺寸增加12 mm，套管傾角保持20°不變。

3 生產(chǎn)實(shí)踐

3.1 改進(jìn)效果

3.1.1 鼓風(fēng)壓力

鼓風(fēng)爐風(fēng)嘴風(fēng)管出口內(nèi)徑由Φ127 mm改為Φ140 mm，風(fēng)管長度保持不變，假設(shè)摩擦阻力系數(shù)、空氣平均流速、空氣密度都保持不變，改造后熱風(fēng)流經(jīng)風(fēng)嘴的摩擦阻力ΔPm2與改造前熱風(fēng)流經(jīng)風(fēng)嘴的摩擦阻力ΔPm1之比為：

ΔPm2/ΔPm1=(λν2ρl/2×140)/ (λν2ρl/2×127)=0.9

摩擦阻力減小，為改造前的90%。

風(fēng)嘴改造前，鼓風(fēng)量Q=28 500 m3/h時(shí)鼓風(fēng)壓力P=68 000 Pa。假設(shè)環(huán)境為理想狀態(tài)，單位時(shí)間內(nèi)所送風(fēng)量不變，熱風(fēng)溫度不變，根據(jù)玻馬定律P1V1=P2V2，其中V1與V2為氣體體積，單位時(shí)間內(nèi)氣體體積與流量Q成正比，P1/P2=V2/V1=Q2/Q1=S2/S1即:68 000/P2=π(140/2)2/π(127/2)2，經(jīng)計(jì)算P2≈56 000 Pa。

通過比較風(fēng)嘴改造前后的摩擦阻力，應(yīng)用玻馬定律進(jìn)行理論計(jì)算可知，在同等風(fēng)量下風(fēng)嘴改造后鼓風(fēng)壓力降低10 000～13 000 Pa左右。從改造后實(shí)際生產(chǎn)情況來看，當(dāng)送風(fēng)量在28 500 m3/h時(shí)，鼓風(fēng)壓力在56 000～58 000 Pa，理論計(jì)算值得到了實(shí)際驗(yàn)證。

3.1.2 鼓風(fēng)量

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，壓力與風(fēng)量成反比。風(fēng)嘴改造前，由于鼓風(fēng)壓力偏高，送風(fēng)量受到限制，造成風(fēng)口易掛渣、化料慢、焦炭消耗偏高，燒結(jié)塊處理量無法進(jìn)一步提高，鼓風(fēng)爐送風(fēng)強(qiáng)度僅27 500～28 500 m3/h,燒結(jié)塊處理量600～620 t/d。風(fēng)嘴改造后，鼓風(fēng)壓力大幅降低，鼓風(fēng)爐送風(fēng)強(qiáng)度達(dá)29 000～30 000 m3/h，燒結(jié)塊處理量達(dá)730 t/d，為提高粗鉛鋅產(chǎn)量創(chuàng)造了條件。

3.1.3 爐渣熱焓

爐渣的熱焓主要來自于焦炭燃燒產(chǎn)生的熱量和熱風(fēng)顯熱，焦炭燃燒產(chǎn)生的熱量占爐內(nèi)總熱量的83%，熱風(fēng)帶入爐內(nèi)的物理顯熱占總熱量的13%。風(fēng)嘴改造后，鼓入爐內(nèi)熱風(fēng)量增加，帶入爐內(nèi)的顯熱也相應(yīng)增加，單個(gè)風(fēng)嘴風(fēng)管出口截面積由原來的12 661 mm2增加到15 386 mm2，風(fēng)嘴風(fēng)管出口總截面積增加了43 595 mm2，相當(dāng)于增加了3.4個(gè)風(fēng)嘴。熱風(fēng)流速13 m/s，熱風(fēng)溫度950 ℃，熱風(fēng)比熱1.401 kJ/(kg·℃)，根據(jù)熱量計(jì)算公式Q=cmΔt，計(jì)算每小時(shí)熱風(fēng)帶入爐內(nèi)增加的熱量為：13×43 595.76×10-6×3 600×1.401×(950-37)=260 975 0 kJ,相當(dāng)于90 kg焦炭燃燒產(chǎn)生的熱量。經(jīng)監(jiān)測，爐渣溫度升高100 ℃左右，爐缸溫度和活度得到提高，化料速度明顯加快，鉛鋅氧化物的還原更為徹底，爐渣含鉛鋅量降低，金屬直收率提高。

3.1.4 爐渣粘度和爐缸還原氣氛

爐渣粘度對(duì)冶煉反應(yīng)速率、金屬損失、爐襯壽命等有著重要影響，也關(guān)系著冶煉過程能否順利。影響爐渣粘度的主要因素有爐渣組成及渣溫，爐渣組成一般較為穩(wěn)定，因此渣溫成為影響爐渣粘度的關(guān)鍵因素。風(fēng)嘴改造后，入爐熱風(fēng)量較改造前提高20%左右，熱風(fēng)帶入爐內(nèi)大量的顯熱，使得爐缸還原氣氛增強(qiáng)、渣溫升高、粘度降低，爐渣流動(dòng)性變好。

3.1.5 前床分離效果和電耗

密閉鼓風(fēng)爐爐缸較淺，熔融產(chǎn)物必須經(jīng)電熱前床進(jìn)行澄清分離。電熱前床分離熔體所需的熱量由爐渣顯熱和電極通電發(fā)熱組成。風(fēng)嘴改造后，渣溫提高100 ℃左右，高溫爐渣在電熱前床內(nèi)分離效果顯著改善，爐渣及銅锍含鉛降低，粗鉛品位提高。電熱前床耗電量由原來的1.5×104kWh/d降低到1.1×104kWh/d，每月可減少用電量12×104kWh，節(jié)約生產(chǎn)成本6萬元。

3.1.6 噪音污染

鼓風(fēng)爐生產(chǎn)區(qū)域的噪音污染主要來自于熱風(fēng)總管及支管法蘭連接處漏風(fēng)、看火門漏風(fēng)。風(fēng)嘴改造前，由于鼓風(fēng)壓力偏高，連接及密封漏點(diǎn)較多，帶壓熱風(fēng)外泄產(chǎn)生很大的噪音，雖采取了降噪措施，但未從根本上解決噪音污染問題，既不符合職業(yè)衛(wèi)生健康要求，也存在一定的安全隱患。風(fēng)嘴改造后，鼓風(fēng)壓力降低，熱風(fēng)泄漏點(diǎn)明顯減少，噪音量明顯降低，噪音污染問題得到有效改善。

3.2 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析

改造前后的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1。

表1數(shù)據(jù)表明，改造后系統(tǒng)產(chǎn)能和主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯改善提升。

表1 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

3.2.1 處理量和粗鉛鋅產(chǎn)量

風(fēng)嘴改進(jìn)后，鼓風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到29 000～30 000 m3/h，統(tǒng)計(jì)顯示，在同等風(fēng)量下鼓風(fēng)爐處理量較原來提高17%左右，在原料主品位較設(shè)計(jì)指標(biāo)低3.5%的情況下，粗鉛鋅日產(chǎn)量較改造前提高37 t左右，全年可多產(chǎn)粗鉛鋅約11 470 t。

3.2.2 粗鉛鋅焦耗

焦炭消耗在該廠加工成本中占有很大的比例，其中占加工總成本的31%，占粗鉛鋅加工成本的62%，因此降低焦炭消耗是降低生產(chǎn)成本的重要途徑。風(fēng)嘴改進(jìn)前，為確保爐況穩(wěn)定，焦炭量通常按上限配入，粗鉛鋅焦耗約為920 kg/t。風(fēng)嘴改進(jìn)后，在燒結(jié)塊鋅品位大體相同的情況下，焦炭配比大幅下降，粗鉛鋅焦炭消耗降低了75 kg/t，按照年產(chǎn)粗鉛鋅10萬t計(jì)算，年可減少成本近1 000萬元。

3.2.3 直收率和渣含鉛鋅

新型風(fēng)嘴應(yīng)用后，爐缸還原氣氛增強(qiáng)，渣溫提高，電熱前床分離效果較好，粗鉛品位提高近3個(gè)百分點(diǎn)，鉛直收率提高近5個(gè)百分點(diǎn)，鋅直收率提高近3個(gè)百分點(diǎn)，渣含鉛鋅明顯降低。

4 結(jié)語

密閉鼓風(fēng)爐風(fēng)嘴改造取得了成功，解決了制約鼓風(fēng)量增加的瓶頸問題，提高了粗煉系統(tǒng)生產(chǎn)水平與技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，其對(duì)相關(guān)冶煉企業(yè)具有一定的借鑒意義。