連續(xù)煙化爐的產業(yè)化設計

白 樺

(長沙有色冶金設計研究院有限公司， 湖南 長沙 410001)

我國鉛鋅渣連續(xù)煙化已有生產實例。廣西某冶煉廠的鉛系統(tǒng)采用富氧側吹氧化、富氧側吹還原、富氧側吹煙化三聯(lián)爐工藝，還原爐的熱渣連續(xù)流入富氧側吹煙化爐連續(xù)煙化。該富氧側吹煙化爐投產以來兩個主要生產指標一直不理想，一是渣含鋅始終降不到常規(guī)期望值，二是煤耗偏高。

這兩個現象是同一個因素造成的。富氧側吹煙化爐煤粒是從爐頂加料口自由落到爐內鉛鋅渣熔融體的表面，靠熔融體的翻騰將煤粒與熔融體混合。問題是煤的比重遠低于鉛鋅渣熔融體的比重，盡管鉛鋅渣熔融體在高速(200～250 m/s)富氧空氣流的攪拌下激烈的翻騰，煤粒與鉛鋅渣熔融體的混合均勻程度遠沒有想象的好，在熔融體中會形成一個從上到下煤的分布逐漸減少的趨勢，而我們希望的是大多數煤粒能被熔融體帶到風口區(qū)。從而可以推斷出，從風嘴噴出的富氧空氣中的氧與煤粒中的碳發(fā)生反應生成的一氧化碳(還原劑)在鉛鋅渣熔融體內也不均勻，會形成從下到上一氧化碳濃度逐漸遞增的趨勢，部分會很快的逸出熔融體表面進入爐體的上部空間，完全沒有起到還原劑的作用。熱渣(或部分冷料)雖然同樣是加到爐內熔融體的表面但隨著熔融體的翻騰會在短時間內趨于均勻化，還可能存在下沉的傾向，因為新的熱渣(或冷料)的比重比爐內已揮發(fā)掉部分鉛鋅的熔融體的比重略大。

可以確定爐內縱向面從下到上渣熔融體中含鉛鋅濃度是逐漸減小的，而一氧化碳濃度逐漸增加，這種相反的濃度梯度影響到渣中鉛鋅氧化物被一氧化碳還原的還原度。

傳統(tǒng)煙化爐是粉煤從風口噴入爐內，還原劑(粉煤和一氧化碳)在渣熔融體中的移動軌跡是從下到上,隨著還原劑與渣熔融體中的鉛鋅氧化物的接觸將鉛鋅氧化物還原,濃度從下到上逐漸減小,最終逸出渣熔融體表面時煙氣中的還原劑濃度最低，說明還原劑被充分利用。

在經過多次對各種工藝參數氧濃、煤量、溫度、煙氣中CO含量等的摸索試驗之后，最終決定將富氧側吹煙化爐改成從風口噴粉煤的傳統(tǒng)煙化爐形式。

江西銅業(yè)鉛鋅金屬有限公司鉛系統(tǒng)基夫塞特爐之后配了一臺18m2傳統(tǒng)煙化爐，該煙化爐是目前我國爐床橫斷面積最大的煙化爐，風口區(qū)長7.5 m，寬2.4 m，筆者曾應該廠要求對該煙化爐放渣口進行改造，并進行連續(xù)煙化試驗。

連續(xù)煙化試驗的結果并不理想，除了實現蒸汽的連續(xù)供給，渣含鋅同樣偏高，該廠已恢復煙化爐間斷作業(yè)。

這兩個連續(xù)煙化生產的實例，說明了兩個問題。第一個實例說明，煤粒加到渣熔融體的表面靠熔融體自身的翻騰是混合不均勻的，期望熔融體的翻騰能將大多數煤粒送到風口附近更是不可能；第二個實例說明，傳統(tǒng)煙化爐爐體結構上的設計只適宜間斷操作工藝。

筆者多年前就著手開發(fā)設計連續(xù)煙化爐[1],當時只專注于爐體結構上的改進而未考慮煤粒在爐內熔融體的行為及產生的效果。通過上述廣西某冶煉廠的生產實例，可以認為在找到煤粒與熔融體能很好混合的方法之前，從風口噴粉煤(或其它燃料)仍是最好的選擇。

分析上述2個生產實例，并參考《有色冶金爐設計手冊》[2]、《有色金屬熔池熔煉》[3]，設計出產業(yè)化的連續(xù)煙化爐。

1 連續(xù)煙化爐設計原則

連續(xù)煙化爐的設計原則是：①粉煤從風口噴入爐內；②爐床為隧道式；③為100～120 kt/a鉛系統(tǒng)規(guī)模配套；④生產過程為還原爐熱渣連續(xù)流入煙化爐，考慮配加冷料；⑤生產過程中要求可不停爐更換風嘴。

其中，設計原則⑤在傳統(tǒng)煙化爐間斷生產過中是不需要的，因為傳統(tǒng)煙化爐是加料、還原吹煉、放渣周期性作業(yè),如要更換風嘴,可在放渣周期結束后進行。連續(xù)煙化爐是連續(xù)加料、連續(xù)吹煉、連續(xù)放渣，風嘴始終淹沒在厚渣層中，按傳統(tǒng)煙化爐風口形式要更換風嘴必須將爐內的渣放掉，需要停爐。

2 爐子主要尺寸及結構的確定

2.1 風口區(qū)寬度(B床)

風口區(qū)寬度設定為B床=1 100 mm。

風口區(qū)寬度的設定是從兩方面考慮。首先連續(xù)煙化爐風口為單邊錯位布置(傳統(tǒng)煙化爐風口為雙邊對吹布置)，風口噴出的氣流能基本達到對面水套的內側即可；其次風口區(qū)爐床形狀應設計成類似隧道窯結構的長條形。

2.2 風口區(qū)長度(L床)

風口區(qū)長度為L床=16 320 mm，由13塊水套排列而成。

風口區(qū)長度的確定原則，首要考慮的是滿足單位時間內進入爐子的料需要在爐內停留的時間；其次應是單個風口水套寬度的整數倍(包含水套接縫寬度)。

2.3 風口水套

風口水套寬1 250 mm，高1 500 mm，厚150 mm。

每塊風口水套上設置2個風口，風口中心距為620 mm，第1個風口離水套側邊160 mm(或470 mm)。因為連續(xù)煙化爐風口為錯位布置，當煙化爐一側是布置的第1個風口離水套側邊160 mm的水套，其正對面就應布置第1個風口離水套側邊470 mm的水套，形成相對錯位的風口布局。

2.4 風口座結構

煙化過程是空氣和粉煤通過風嘴噴入爐內熔融的渣中，風嘴是通過煙化爐風口水套上的風口座插入煙化爐內, 傳統(tǒng)煙化爐風口座是由風口法蘭與風口套管構成。風嘴伸入爐內的部分受到爐內高溫熔融爐渣的侵蝕很容易損壞，操作不當時爐內的熔融爐渣會倒灌進風嘴，這都需要更換風嘴。

為滿足設計原則⑤的要求,將風口座設計成由帶氣封連接口的三通套管與帶自鎖件套管構成的風口座。當要更換某個風嘴時，將該風口座氣封連接口三通套管上與壓縮空氣源相連的支管上的閥門打開，這時可以卸出風嘴，壓縮空氣通過三通套管上風口管鼓入爐內阻止爐內熔融體的倒灌。同時，當風嘴被卸出時帶自鎖件套管上的自鎖件會自鎖，使壓縮空氣只能噴入爐內。

將備用的新風嘴插入風口座，自鎖件中的自鎖滾珠被風嘴推開，啟動新風嘴后關閉與壓縮空氣源相連的支管上的閥門即完成一次風嘴的更換。

2.5 上部水套

上部水套寬1 250 mm，高1 800 mm，厚150 mm。上部水套與風口水套一樣寬、一樣厚，比風口水套高300 mm，因為風口水套較易損壞，一般設計矮些。在后段(排煙段) 第二層上部水套上開三次風口。

2.6 端部水套

端部水套寬1 400 mm，高1 500(或1 800)mm，厚150 mm。

風口水套層的端部水套高1 500 mm，上部水套層的端部水套高1 800 mm。

在前段上部水套層的端部水套(1 800 mm)中上部設熔渣注入口。在后段風口水套層的端部水套(1 500 mm)開有放渣孔，放渣孔與端部水套外的壩式放渣池相連接。

2.7 爐頂水套

爐頂水套寬1 400 mm，長1 250 mm，厚150 mm。

在加料口端的前兩塊爐頂水套上開有冷料加入口。

2.8 爐子的高度

爐子的高度沿風口長度方向分為兩段。前段(加料口端)高度由爐底水套層+風口水套+一層上部水套+爐頂水套(內空腔高度約3 300 mm), 前段長由8塊水套連接而成；后段(排煙段)高度由爐底水套層+風口水套+兩層上部水套(內空腔高度約5 100 mm), 后段長由5塊水套連接而成。

后段爐頂結構有2種形式，一是在第2層上部水套上連接一段由膜式壁圍成的與其后余熱鍋爐連成一體的直段，直段高約2米；二是在第2層上部水套上再加一層煙口水套, 煙口水套上加爐頂水套。

2.9 爐底水套層

爐底水套層結構與傳統(tǒng)煙化爐一樣，不再論述。

2.10 風嘴

風嘴與傳統(tǒng)煙化爐風嘴結構基本相同，只是因風口座結構的不同，連續(xù)煙化爐風嘴其前部的噴嘴管要長一些。

3 連續(xù)煙化爐的設計要點

風口區(qū)爐床形狀一定要是隧道式(長條形)；風口為單邊錯位布置；可不停爐更換風嘴；排煙口在后段的直升段上。

圖1是連續(xù)煙化爐示意圖，其中后段爐頂在第2層上部水套上再加一層煙口水套。

4 結語

我國單個鉛鋅冶煉廠的規(guī)模不斷加大, 鉛鋅渣

1—排煙口；2—三次風口；3—上部水套；4—垻式放渣池；5—爐底水套層；6—一次風口(風口座與風嘴)；7—風口水套；8—端部水套；9—熱渣注入口；10—冷料加入口；11—爐頂水套；12—煙口水套圖1 連續(xù)煙化爐示意圖

的連續(xù)煙化會越來越為人們所接受。設計出一臺適用的連續(xù)煙化爐是實現鉛鋅渣連續(xù)煙化的前提，也是業(yè)內設計者們應該去努力的一個方向。