閃速熔煉爐排煙系統(tǒng)粘結(jié)影響因素分析及控制措施

甘 聰

(紫金銅業(yè)有限公司， 福建 上杭 364204)

閃速爐熔煉屬于空間熔煉技術(shù)[1]，與傳統(tǒng)冶煉工藝相比強(qiáng)化了熔煉過程，其采用富氧空氣將干燥精礦、石英熔劑顆粒通過反應(yīng)塔頂?shù)木V噴嘴，以很大的速度噴入閃速爐反應(yīng)塔空間，使?fàn)t料顆粒懸浮在高溫氧化性氣流中迅速氧化和熔化。奧托昆普閃速熔煉的特點(diǎn)之一是煙塵發(fā)生率高，若煙塵性質(zhì)異常，將導(dǎo)致閃速爐排煙收塵系統(tǒng)被煙塵粘結(jié)、堵塞，影響閃速爐正常生產(chǎn)，增加操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至需要停產(chǎn)處理。

本文結(jié)合紫金銅業(yè)有限公司閃速爐生產(chǎn)現(xiàn)狀，分析了導(dǎo)致煙塵性質(zhì)異常的原因，并提出了相應(yīng)的控制措施。

1 閃速爐煙塵概述

1.1 煙塵的來源

表1為紫金銅業(yè)閃速爐2016年4月30日精礦及煙塵化學(xué)成分分析，從表中可以看出，閃速爐煙塵主要來源于未完全反應(yīng)的銅精礦顆粒及部分揮發(fā)性雜質(zhì)元素。

表1 閃速爐精礦及煙塵化學(xué)成分分析 %

1.2 煙塵的性質(zhì)

銅冶煉行業(yè)按照溫度區(qū)間將煙塵性質(zhì)分為粘結(jié)性煙灰、粘附性煙灰及松散性煙灰[2-3]。粘結(jié)性煙灰主要存在于高溫區(qū)(900 ℃以上)，大部分煙灰呈熔融或半熔融狀態(tài)下形成的積灰，煙塵性質(zhì)主要表現(xiàn)為粘結(jié)性強(qiáng)，難于清理；粘附性煙灰主要存在于過渡區(qū)(650～950 ℃)，煙塵大部分為固體顆粒，有一部分呈熔融或半熔融狀態(tài)下所形成的積灰，其中大顆粒的煙塵外表面常常是一層薄的硬殼，而中間仍是半熔融狀態(tài)，煙塵性質(zhì)主要表現(xiàn)為粘附性強(qiáng)，在一定外力作用下可使煙塵脫落；松散性煙灰主要存在于低溫區(qū)(650 ℃以下)，主要為凝固點(diǎn)以下的煙灰，也就是呈固體顆粒的煙灰，煙塵性質(zhì)主要表現(xiàn)為松散性，機(jī)械清灰方式較易清理。

在生產(chǎn)運(yùn)行中希望得到的是松散性煙灰，控制粘結(jié)性及粘附性煙灰量，特別是粘結(jié)性煙灰量增大將嚴(yán)重影響閃速爐的正常生產(chǎn)。根據(jù)閃速爐排煙系統(tǒng)煙塵正常分布規(guī)律，粘結(jié)性煙灰主要集中在上升煙道開口部及鍋爐入口處，一般情況下集聚量在一定范圍；粘附性煙灰主要集中在鍋爐輻射室前部；松散性煙灰主要分布在鍋爐輻射室后部、鍋爐對(duì)流部、沉塵室及電收塵處。

煙塵性質(zhì)異常主要表現(xiàn)為粘結(jié)性及粘附性煙灰數(shù)量異常增多或向閃速爐后續(xù)排煙系統(tǒng)延伸，導(dǎo)致排煙系統(tǒng)煙塵異常結(jié)塊及粘結(jié)，影響閃速爐正常生產(chǎn)。

2 紫金銅業(yè)閃速爐煙塵性質(zhì)異常情況

紫金銅業(yè)有限公司閃速爐從2011年12月投產(chǎn)以來，投料量逐步提升，隨著生產(chǎn)能力增大及銅精礦原料狀況日趨復(fù)雜，閃速爐煙塵性質(zhì)發(fā)生異常，導(dǎo)致排煙系統(tǒng)粘結(jié)、堵塞情況多次出現(xiàn)，嚴(yán)重影響閃速爐正常生產(chǎn)。

2013年4月因煙塵燒結(jié)后移，余熱鍋爐對(duì)流部、沉塵室積灰嚴(yán)重，導(dǎo)致閃速爐排煙系統(tǒng)負(fù)壓而無法控制，需平均每2天要降低閃速爐投料量，并對(duì)余熱鍋爐對(duì)流部及沉塵室內(nèi)部積灰進(jìn)行清理，而且需要縮短爐內(nèi)點(diǎn)檢周期及延長(zhǎng)爐內(nèi)點(diǎn)檢時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行清理積灰，嚴(yán)重影響了閃速爐作業(yè)率及銅精礦處理量。2014年1月閃速爐因煙塵燒結(jié)后移，電收塵一列電場(chǎng)船型灰斗堆滿煙灰，電收塵單列停運(yùn)48 h連續(xù)進(jìn)行清理積灰(圖1)。2014年4月煙塵燒結(jié)，余熱鍋爐輻射段尾部積灰堆積至對(duì)流段入口處(圖2)，閃速爐斷續(xù)停爐清理8 d，對(duì)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。2015年4月開始，閃速爐投料量基本穩(wěn)定在140～160 t/h，余熱鍋爐輻射段第一掛屏及上升煙道開口部粘結(jié)嚴(yán)重。

圖2 余熱鍋爐內(nèi)部煙塵堆積情況

3 煙塵性質(zhì)異常原因分析

3.1 銅精礦雜質(zhì)含量高

隨著紫金銅業(yè)閃速爐投料量提升，需處理的高雜質(zhì)銅精礦量也在逐步增加，2015年入爐精礦中Pb+Zn含量總體在2.5%～4%，As含量總體在0.25%～0.4%。由于鉛、鋅、砷等揮發(fā)性元素增多，這些元素以氣態(tài)冷卻揮發(fā)后從灰渣的氣孔排出，致使灰渣體積收縮成為致密堅(jiān)硬的多晶體[4]，導(dǎo)致鍋爐入口處及鍋爐輻射段第一掛屏結(jié)灰，難于清理。

3.2 供風(fēng)參數(shù)及入爐物料配比不合理

奧托昆普中央噴射擴(kuò)散型精礦噴嘴采用工藝風(fēng)與分配風(fēng)配合，將精礦粒子在反應(yīng)塔內(nèi)打散與氧氣接觸進(jìn)行反應(yīng)。若精礦在反應(yīng)塔內(nèi)無法充分均勻反應(yīng)，將導(dǎo)致大量未完全反應(yīng)及過氧化顆粒進(jìn)入排煙系統(tǒng)，在排煙系統(tǒng)中未完全反應(yīng)的顆粒與漏入的空氣產(chǎn)生“二次燃燒反應(yīng)”，使得煙塵燒結(jié)。閃速爐余熱鍋爐入口煙氣溫度在1 300～1 350 ℃左右，精礦中過氧化粒子在此處形成高熔點(diǎn)氧化物，在上升煙道開口部及鍋爐輻射部入口處迅速凝固形成熔融態(tài)粘結(jié)性煙灰，堅(jiān)硬難清?？赡苌傻慕饘傺趸锏娜埸c(diǎn)見表2。

表2 金屬氧化物熔點(diǎn)

紫金銅業(yè)閃速爐精礦及煙塵是通過單獨(dú)的失重計(jì)量系統(tǒng)給定物料量后，再混合進(jìn)入風(fēng)動(dòng)溜槽，輸送至精礦噴嘴。精礦失重計(jì)量系統(tǒng)曾多次出現(xiàn)大幅波動(dòng)，波動(dòng)幅度達(dá)40 t/h，導(dǎo)致反應(yīng)塔內(nèi)精礦粒子反應(yīng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生較多未完全反應(yīng)及過氧化顆粒進(jìn)入排煙系統(tǒng)，導(dǎo)致煙塵性質(zhì)異常。風(fēng)動(dòng)溜槽作為流態(tài)化輸送設(shè)備，應(yīng)確保精礦進(jìn)入精礦噴嘴各下料腔物料均勻，但長(zhǎng)期使用后，因表面磨損出現(xiàn)破孔，精礦流態(tài)化出現(xiàn)不均勻，使精礦噴嘴下料出現(xiàn)周向偏析、徑向偏析及局部偏析[5]，下料偏析嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致未完全反應(yīng)顆粒及過氧化顆粒增加，氧化效率下降，增加排煙系統(tǒng)中過剩氧與未完全反應(yīng)顆粒進(jìn)行“二次燃燒反應(yīng)”，使得煙塵粘結(jié)加重。

精礦噴嘴各參數(shù)對(duì)精礦顆粒在反應(yīng)塔內(nèi)反應(yīng)的傳質(zhì)、傳熱過程起到至關(guān)重要的影響。根據(jù)粒子脈動(dòng)碰撞模型理論可知，通過合理調(diào)節(jié)工藝風(fēng)、分配風(fēng)、中央氧、工藝風(fēng)速、工藝風(fēng)富氧濃度等參數(shù)可強(qiáng)化精礦粒子在反應(yīng)塔內(nèi)的分裂及碰撞過程，使反應(yīng)過程充分均勻，減少未完全反應(yīng)顆粒數(shù)量[6]。當(dāng)各參數(shù)控制不佳時(shí)，會(huì)影響反應(yīng)塔內(nèi)物料的反應(yīng)過程，而增加未完全反應(yīng)及過氧化顆粒，同時(shí)使煙塵發(fā)生率升高，增加排煙系統(tǒng)煙塵量。

表3為2013～2015年入爐精礦平均成份及控制參數(shù)。隨著精礦噴嘴投料量的提升，煙塵總量不斷增多，如果精礦S/Cu較高，必須采用大工藝風(fēng)總量，確保反應(yīng)熱平衡。冰銅及爐渣產(chǎn)量的增加使沉淀池熔體液面控制高度上漲，沉淀池排煙截面積減小，導(dǎo)致閃速爐爐體及排煙系統(tǒng)煙氣流速增大，煙塵顆粒在沉淀池及鍋爐輻射部沉降率下降，引起煙塵發(fā)生率較高及煙塵后移。

表3 2013～2015年干精礦組成及控制參數(shù)

2014年，閃速爐熱負(fù)荷不斷增加，為控制熱負(fù)荷、降低工藝風(fēng)總量，并處理積壓金屬庫(kù)存，在精礦中開始配入氧化礦及固態(tài)冰銅粉等物料，結(jié)果是工藝風(fēng)總量得到控制，但配入的物料因著火點(diǎn)較高，在反應(yīng)塔反應(yīng)空間較難充分反應(yīng)，增加了未完全反應(yīng)的顆粒量及過剩氧量，使得排煙系統(tǒng)煙塵粘結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重。

3.3 排煙系統(tǒng)溫度較高

由于閃速爐余熱鍋爐硫酸鹽化技術(shù)的應(yīng)用，大量煙塵均可在鍋爐入口處與鼓入的硫酸鹽化風(fēng)反應(yīng)生成硫酸鹽形式煙塵，即所謂的“不粘結(jié)煙灰”[7]，煙塵硫酸鹽化的基本原理基于方程式(1)～(3)[8]。

(1)

(2)

(3)

以上反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，要使反應(yīng)充分向右進(jìn)行必須控制排煙系統(tǒng)煙氣溫度在最佳反應(yīng)范圍。當(dāng)鍋爐入口煙氣溫度過高時(shí)，在鍋爐入口煙氣中夾帶的未完全反應(yīng)的精礦顆粒及過氧化顆粒不能充分地與硫酸鹽化風(fēng)及煙氣中的二氧化硫形成硫酸鹽，大量煙塵就會(huì)以熔融態(tài)高溫氧化物的形式在上升煙道開口部、鍋爐入口及鍋爐輻射室第一掛屏粘結(jié)，形成堅(jiān)硬的大塊。同時(shí)，由于煙氣溫度過高，大量煙塵在鍋爐輻射室無法冷卻沉降，而隨煙氣進(jìn)入對(duì)流段、沉塵室及電收塵內(nèi)，煙塵中未完全反應(yīng)的精礦顆粒與漏入的空氣發(fā)生“二次燃燒反應(yīng)”，導(dǎo)致煙塵后移粘結(jié)。

出現(xiàn)煙塵性質(zhì)異常，在余熱鍋爐各換熱管束表面形成一層較厚的粘結(jié)性煙塵后，較難清理，且煙塵的導(dǎo)熱系數(shù)只有0.116 W/(m·℃)，僅為鋼的1/400[9]，嚴(yán)重影響了鍋爐換熱降溫效果，導(dǎo)致鍋爐出口煙氣溫度再度升高，形成惡性循環(huán)。

3.4 其他原因

除上述原因外，導(dǎo)致煙塵后移粘結(jié)的還有以下因素。

1)閃速爐系統(tǒng)負(fù)壓控制過大，使煙氣流速過快，煙塵后移。

2)采用燒油方式控制上升煙道開口部變小，使鍋爐入口煙氣溫度升高，導(dǎo)致煙塵后移粘結(jié)。

3)上升煙道開口部粘結(jié)變小，煙氣出現(xiàn)偏流及流速加快，使硫酸鹽化反應(yīng)及煙氣降溫效果變差，導(dǎo)致煙塵后移粘結(jié)。

4)為控制閃速爐爐況，可能采取在精礦中配入焦粉，在爐頂投入焦粉、煤塊及燃燒重油等措施，如果這些燃料未燃燒反應(yīng)完全會(huì)被煙氣帶入余熱鍋爐內(nèi)產(chǎn)生二次燃燒，使煙氣溫度上升，導(dǎo)致煙塵后移粘結(jié)。

4 煙塵性質(zhì)異常的控制措施

4.1 控制入爐精礦雜質(zhì)成分

根據(jù)各類銅精礦化學(xué)成份，合理搭配使用，將高雜質(zhì)銅精礦與低雜質(zhì)銅精礦進(jìn)行合理配比制作配料單，控制Pb+Zn<3%、As<0.3%、Fe3O4<1.5%。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，在其他條件無較大變動(dòng)情況下，該措施可將上升煙道開口部及鍋爐輻射部第一掛屏粘結(jié)性煙塵控制在正常范圍。若雜質(zhì)元素Pb+Zn>3.5%、As>0.35%、Fe3O4>1.8%，容易出現(xiàn)上升煙道開口部粘結(jié)變小，鍋爐輻射部第一掛屏結(jié)灰。

4.2 確保精礦反應(yīng)狀況良好

加強(qiáng)對(duì)精礦及煙塵給料系統(tǒng)的維護(hù)，確保進(jìn)入精礦噴嘴物料穩(wěn)定均勻。根據(jù)精礦投料量調(diào)控精礦噴嘴風(fēng)油氧參數(shù)，強(qiáng)化精礦顆粒在反應(yīng)塔內(nèi)的傳質(zhì)傳熱過程，減少不完全反應(yīng)顆粒量及降低煙塵發(fā)生率。

4.3 降低煙氣流速，防止煙塵后移

根據(jù)閃速爐、轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)能力及原料狀況做好長(zhǎng)短期配料計(jì)劃，達(dá)到系統(tǒng)生產(chǎn)能力的平衡及閃速爐總風(fēng)量控制，將閃速爐熔體總液面控制在一定高度范圍，確保沉淀池排煙截面積，以降低煙氣流速；閃速爐爐內(nèi)壓維持穩(wěn)定的微負(fù)壓，以降低煙氣流速；加強(qiáng)上升煙道開口部日常維護(hù)管理，防止開口部粘結(jié)變小導(dǎo)致煙氣流速過快。

4.4 控制煙氣溫度

根據(jù)閃速爐投料量，合理控制入爐銅精礦S/Cu及生產(chǎn)參數(shù)，將煙氣溫度控制在合理范圍，防止高溫?zé)焿m后移燒結(jié)。經(jīng)紫金銅業(yè)閃速爐生產(chǎn)實(shí)踐，余熱鍋爐輻射室入口溫度在950 ℃以下，輻射室出口溫度在720 ℃以下，對(duì)流室出口溫度在360 ℃以下時(shí)，煙塵性質(zhì)均正常，未出現(xiàn)過煙塵嚴(yán)重粘結(jié)現(xiàn)象。生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)排煙溫度超過一定臨界值時(shí)，需及時(shí)采取控溫措施，防止出現(xiàn)溫度繼續(xù)上漲導(dǎo)致煙塵異常粘結(jié)。

4.5 加強(qiáng)對(duì)排煙系統(tǒng)檢查清理

若已出現(xiàn)煙塵異常現(xiàn)象，需及時(shí)查找相關(guān)原因進(jìn)行調(diào)整，并及時(shí)將異常粘結(jié)于排煙設(shè)備的煙塵及時(shí)清除，防止煙塵性質(zhì)惡性循環(huán)。

5 結(jié)語

紫金銅業(yè)閃速爐的生產(chǎn)實(shí)踐證明，自2014年4月鍋爐輻射部嚴(yán)重積灰情況后，通過加強(qiáng)對(duì)原料成分、精礦反應(yīng)、煙氣溫度及相關(guān)參數(shù)的合理控制，加強(qiáng)對(duì)排煙系統(tǒng)檢查清理，極大地降低了上升煙道開口部及鍋爐輻射部第一掛屏的粘結(jié)現(xiàn)象，至今再未出現(xiàn)過排煙系統(tǒng)異常粘結(jié)及嚴(yán)重積灰現(xiàn)象。