馮雙杰
(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)
目前,鋅冶煉廠(chǎng)80%以上采用濕法煉鋅工藝,我國(guó)現(xiàn)在每年都產(chǎn)生幾百萬(wàn)噸屬于危害固體廢渣的鋅浸出渣,只有少數(shù)鋅冶煉企業(yè)對(duì)其進(jìn)行了回收處理利用,而多數(shù)只是建庫(kù)堆存。鋅浸出渣的堆存,既造成了大量有價(jià)金屬的損失,又帶來(lái)了巨大的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。目前處理鋅浸出渣的主要方式有回轉(zhuǎn)窯揮發(fā)法、奧斯麥特爐還原熔煉揮發(fā)法、煙化爐揮發(fā)法等?;剞D(zhuǎn)窯處理鋅浸出渣,其工藝操作簡(jiǎn)單,技術(shù)比較成熟,但是存在占地面積大、加工成本高、操作環(huán)境差、銀回收率低等缺點(diǎn)。奧斯麥特爐處理鋅浸出渣引進(jìn)該技術(shù)費(fèi)用過(guò)高,建設(shè)投資大。而煙化爐處理鋅浸出渣冷料存在床能率低等問(wèn)題[1-4]。
針對(duì)以上工藝存在的問(wèn)題,中國(guó)恩菲開(kāi)發(fā)了側(cè)吹浸沒(méi)燃燒熔池熔煉處理鋅浸出渣工藝,采用側(cè)吹爐熔化+煙化爐煙化的工藝路線(xiàn)。鋅浸出渣和熔劑等物料經(jīng)配料后先進(jìn)入側(cè)吹熔化爐熔化,部分鉛鋅銀銦等有價(jià)金屬揮發(fā)進(jìn)入煙塵加以回收。側(cè)吹熔化爐產(chǎn)出的熔化渣間斷排入煙化爐進(jìn)一步回收鉛鋅銀銦等有價(jià)金屬,最后產(chǎn)出的爐渣為無(wú)害渣,水碎后可外售。
側(cè)吹浸沒(méi)燃燒熔池熔煉技術(shù)是由中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種強(qiáng)化熔池熔煉技術(shù),其原理是通過(guò)側(cè)吹噴槍將富氧空氣和燃料以接近音速?lài)娙肴鄢兀谎蹩諝夂腿剂显谌鄢貎?nèi)進(jìn)行燃燒,直接提供熔池反應(yīng)所需的能量,燃燒產(chǎn)生的氣體同時(shí)能夠攪動(dòng)熔池,加快與周?chē)垠w的傳熱、傳質(zhì),完成爐料的加熱、熔化、反應(yīng)等過(guò)程,特別適用于不發(fā)熱物料的處理[5]。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下:
(1)噴槍可直接向熔體內(nèi)部輸送燃料,富氧濃度高,熱利用率高。側(cè)吹浸沒(méi)燃燒熔池熔煉工藝一般采用富氧熔煉,燃料及助燃富氧空氣噴人熔池內(nèi),在熔池內(nèi)燃燒,傳質(zhì)傳熱快,熱利用率高。
(2)噴槍壽命長(zhǎng),自動(dòng)化水平高。經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的噴槍?zhuān)瑲怏w噴出速度快,對(duì)噴槍本身的冷卻效果好,同時(shí)燃燒燃料能夠遠(yuǎn)離噴槍頭部,噴槍使用壽命達(dá)6個(gè)月以上,省去了傳統(tǒng)側(cè)吹爐頻繁的人工風(fēng)口封堵操作,生產(chǎn)自動(dòng)化水平高,改善了職工的生產(chǎn)勞動(dòng)環(huán)境。
(3)煙塵率低。爐子煙氣出口直接與余熱鍋爐連接,尺寸大,煙氣流速低,有利于煙塵的沉降,大大降低了煙塵率。
(4)側(cè)吹熔化爐采用了合理的、先進(jìn)的水冷技術(shù),可保證爐子長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全的運(yùn)行,爐壽很長(zhǎng)。
(5)側(cè)吹熔化爐爐體、噴槍都是固定的,沒(méi)有傳動(dòng)部件,爐型簡(jiǎn)單,維修工作量小,操作方便,相比其他方法,占地小投資低。
側(cè)吹浸沒(méi)燃燒熔池熔煉技術(shù)在處理鋅浸出渣方面的核心是側(cè)吹熔化爐。
為適應(yīng)側(cè)吹熔化工藝,選用了長(zhǎng)圓形爐床,噴槍以上爐膛逐漸擴(kuò)大,并具有較高的爐膛高度,這樣的爐型有利于側(cè)墻噴吹,熔體攪拌均勻,氣流上升通暢,可減少?lài)姙R粘結(jié),爐膛內(nèi)煙氣中可燃成分得以充分燃燒。側(cè)吹熔化爐的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要部件有:底梁、爐殼、骨架、出煙口、水套冷卻系統(tǒng)、磚體、噴槍、水冷系統(tǒng)的檢測(cè)裝置等。
圖1 側(cè)吹熔化爐
側(cè)吹熔化爐采用架空爐底的方式,底梁采用型鋼焊接成“井”字的架空結(jié)構(gòu),如圖2所示。安裝時(shí)可采用爐底基礎(chǔ)二次灌漿的方式控制、保證底梁上表面的水平度,以此可保證爐體正確安裝和穩(wěn)定性;此外,底梁是架空結(jié)構(gòu),爐底可以自然通風(fēng)冷卻,必要時(shí)也可強(qiáng)制通風(fēng)冷卻。
圖2 側(cè)吹熔化爐底梁
側(cè)吹熔化爐需要有穩(wěn)定的熱強(qiáng)度,需要爐子有比較穩(wěn)固的鋼結(jié)構(gòu);側(cè)吹浸沒(méi)燃燒時(shí)在氣體流速太低時(shí)會(huì)發(fā)生反沖現(xiàn)象,如果是非密閉爐型,燃料和富氧空氣會(huì)泄露,達(dá)到一定的溫度就會(huì)著火,從而造成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)到處冒火,存在安全隱患,燃料在爐外燃燒沒(méi)有把熱量送到爐內(nèi)造成能源浪費(fèi),為了避免此種事情發(fā)生,在熔池區(qū)及鼓泡區(qū)設(shè)計(jì)了整體密閉性爐殼,如圖3所示。將爐內(nèi)充滿(mǎn)熔體以及熔體噴濺區(qū)形成一個(gè)密閉的空間,同時(shí)控制好噴槍的操作壓力,將燃料的燃燒控制在爐內(nèi)熔體區(qū),最大限度的利用能源,從而達(dá)到節(jié)能的目的。
圖3 側(cè)吹熔化爐整體密閉爐殼
側(cè)吹熔化爐在高度上比較高,屬于豎式爐,爐體本身有各種類(lèi)型的水冷元件、耐材等需要支撐,單靠爐殼本身不足以支撐這些重量;另外生產(chǎn)中爐內(nèi)還有高溫熔體的劇烈翻騰,會(huì)對(duì)設(shè)備本體產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊,對(duì)爐子外圍骨架要求更高。在設(shè)計(jì)中外圍骨架采用立柱、圈梁、橫梁和拉桿的組合形式,立柱下端用地腳螺栓固定在土建基礎(chǔ)上,上部采用橫梁約束后用拉桿拉緊,在立柱和爐殼之間設(shè)計(jì)了多層圈梁,有效的分散了來(lái)自爐體的膨脹力,同時(shí)將來(lái)自爐體的膨脹力均勻的傳遞到立柱上進(jìn)而傳遞到土建基礎(chǔ)上,如圖4所示。骨架是支撐爐體、防止?fàn)t體變形、保證爐體穩(wěn)定性的部件,其結(jié)構(gòu)的合理性、強(qiáng)度、剛度,都有充分的考慮。
圖4 側(cè)吹爐骨架
出煙口較大,上部與余熱鍋爐對(duì)接,為保證出煙口壽命和安全,出煙口為銅板鉆孔水套內(nèi)襯澆注料結(jié)構(gòu);出煙口裝置是獨(dú)立支撐于骨架上,不會(huì)對(duì)爐頂造成影響。
用于處理鋅浸出渣的側(cè)吹熔化爐,通過(guò)噴槍向爐內(nèi)輸送的氣體量比較大,爐內(nèi)熔體的攪動(dòng)比較劇烈,還加入大量的煤,爐子熱強(qiáng)度比較高,為保證爐子的使用壽命,單靠耐材襯里是不行的,為此根據(jù)爐內(nèi)的不同部位工作條件,對(duì)耐材襯里設(shè)計(jì)了不同的冷卻裝置。整個(gè)熔體攪拌區(qū)及熔體噴濺區(qū)采用銅水套冷卻磚體;爐體上部煙氣中含有較多的CO,需在上部爐膛燃燒,爐內(nèi)溫度很高,但不存在熔體沖刷的情況,因此采用了鋼板焊接水套冷卻磚體。合理配置水冷部件,既可以保證爐壽,也可以控制爐體的造價(jià)。
耐火材料的選型和磚體設(shè)計(jì)對(duì)于爐子的壽命至關(guān)重要,需要根據(jù)不同的處理原料和爐內(nèi)狀況進(jìn)行全面的分析和設(shè)計(jì)。爐底下層用高鋁磚墊底,然后用鎂鉻質(zhì)搗打料起弧,上面再砌兩層抗侵蝕的優(yōu)質(zhì)鎂鉻磚;側(cè)墻全部采用水套內(nèi)部襯耐火澆注料的形式;爐頂要承受爐內(nèi)的高溫,還要保持爐子整體的密閉性,采用鋼纖維澆注料整體澆筑成形。
噴槍是側(cè)吹浸沒(méi)燃燒技術(shù)的核心裝備,要通過(guò)噴槍向爐內(nèi)輸送燃料和助燃空氣,燃料、富氧空氣噴進(jìn)熔池進(jìn)行富氧燃燒,噴槍設(shè)計(jì)的是否合理直接關(guān)系到側(cè)墻的使用壽命。燃料和富氧空氣從噴槍噴出后,在爐內(nèi)高溫熔體中進(jìn)行燃燒,由于采用富氧助燃,燃料的燃燒溫度很高,如果噴槍的噴出速度過(guò)低,燃料燃燒離側(cè)墻很近會(huì)直接燒爐墻,再加上高溫熔體的沖刷,側(cè)墻壽命受很大影響,因此要求噴槍具有較高的噴出速度,使燃料燃燒盡量遠(yuǎn)離側(cè)墻,就要求氣體有一定壓力,根據(jù)計(jì)算要求氣源壓力≥0.4 MPa。噴槍為中國(guó)恩菲專(zhuān)利技術(shù),能夠根據(jù)不同的工況要求進(jìn)行設(shè)計(jì),燃料可以是粉煤、天然氣、發(fā)生爐煤氣、柴油等。
實(shí)踐已經(jīng)證明“水是最好的耐火材料”的觀點(diǎn)是有道理的。使用水套就存在水套被燒壞,漏水造成事故的隱患,所以安全使用水套必不可少。對(duì)制造好的水套進(jìn)行相應(yīng)的通球、氣密性和水壓試驗(yàn)以及超聲波檢測(cè),確保水套的制造質(zhì)量,達(dá)到設(shè)計(jì)要求;在進(jìn)水總管設(shè)置水壓和水溫檢測(cè)儀表,在各個(gè)水套的出水支管設(shè)置水溫檢測(cè)儀表,自動(dòng)檢測(cè)并配合經(jīng)常性的人工巡檢,嚴(yán)防事故發(fā)生,保證生產(chǎn)安全。
側(cè)吹浸沒(méi)燃燒熔池熔煉技術(shù)已成功的應(yīng)用于液態(tài)高鉛渣直接還原熔煉、鉛膏熔煉;目前已完成鋅浸出渣無(wú)害化和固體廢棄物無(wú)害化處理方面的設(shè)計(jì);由于其浸沒(méi)燃燒直接在熔體中進(jìn)行補(bǔ)熱的特點(diǎn),該技術(shù)在處理二次鉛雜料、二次鋅雜料、銻精礦、銻氧塵、錫精礦及錫中礦、廢舊印刷電子線(xiàn)路板等不發(fā)熱物料方面具有廣闊的應(yīng)用前景。