鋅浸出渣側(cè)吹熔化爐的設(shè)計

馮雙杰

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 概述

目前，鋅冶煉廠80%以上采用濕法煉鋅工藝，我國現(xiàn)在每年都產(chǎn)生幾百萬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)對其進行了回收處理利用，而多數(shù)只是建庫堆存。鋅浸出渣的堆存，既造成了大量有價金屬的損失，又帶來了巨大的環(huán)境污染風(fēng)險。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。奧斯麥特爐處理鋅浸出渣引進該技術(shù)費用過高，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題[1-4]。

針對以上工藝存在的問題，中國恩菲開發(fā)了側(cè)吹浸沒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。鋅浸出渣和熔劑等物料經(jīng)配料后先進入側(cè)吹熔化爐熔化，部分鉛鋅銀銦等有價金屬揮發(fā)進入煙塵加以回收。側(cè)吹熔化爐產(chǎn)出的熔化渣間斷排入煙化爐進一步回收鉛鋅銀銦等有價金屬，最后產(chǎn)出的爐渣為無害渣，水碎后可外售。

1 側(cè)吹浸沒燃燒熔池熔煉技術(shù)原理

側(cè)吹浸沒燃燒熔池熔煉技術(shù)是由中國恩菲工程技術(shù)有限公司開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的一種強化熔池熔煉技術(shù)，其原理是通過側(cè)吹噴槍將富氧空氣和燃料以接近音速噴入熔池，富氧空氣和燃料在熔池內(nèi)進行燃燒，直接提供熔池反應(yīng)所需的能量，燃燒產(chǎn)生的氣體同時能夠攪動熔池，加快與周圍熔體的傳熱、傳質(zhì)，完成爐料的加熱、熔化、反應(yīng)等過程，特別適用于不發(fā)熱物料的處理[5]。其技術(shù)優(yōu)勢如下：

(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，自動化水平高。經(jīng)過精心設(shè)計的噴槍，氣體噴出速度快，對噴槍本身的冷卻效果好，同時燃燒燃料能夠遠(yuǎn)離噴槍頭部，噴槍使用壽命達(dá)6個月以上，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)自動化水平高，改善了職工的生產(chǎn)勞動環(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、先進的水冷技術(shù)，可保證爐子長期穩(wěn)定、安全的運行，爐壽很長。

(5)側(cè)吹熔化爐爐體、噴槍都是固定的，沒有傳動部件，爐型簡單，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。

2 側(cè)吹熔化爐的設(shè)計

為適應(yīng)側(cè)吹熔化工藝，選用了長圓形爐床，噴槍以上爐膛逐漸擴大，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，可減少噴濺粘結(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)的檢測裝置等。

圖1 側(cè)吹熔化爐

2.1 底梁

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，必要時也可強制通風(fēng)冷卻。

圖2 側(cè)吹熔化爐底梁

2.2 爐殼

側(cè)吹熔化爐需要有穩(wěn)定的熱強度，需要爐子有比較穩(wěn)固的鋼結(jié)構(gòu)；側(cè)吹浸沒燃燒時在氣體流速太低時會發(fā)生反沖現(xiàn)象，如果是非密閉爐型，燃料和富氧空氣會泄露，達(dá)到一定的溫度就會著火，從而造成生產(chǎn)現(xiàn)場到處冒火，存在安全隱患，燃料在爐外燃燒沒有把熱量送到爐內(nèi)造成能源浪費，為了避免此種事情發(fā)生，在熔池區(qū)及鼓泡區(qū)設(shè)計了整體密閉性爐殼，如圖3所示。將爐內(nèi)充滿熔體以及熔體噴濺區(qū)形成一個密閉的空間，同時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

2.3 骨架

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，會對設(shè)備本體產(chǎn)生強烈的沖擊，對爐子外圍骨架要求更高。在設(shè)計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)計了多層圈梁，有效的分散了來自爐體的膨脹力，同時將來自爐體的膨脹力均勻的傳遞到立柱上進而傳遞到土建基礎(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、強度、剛度，都有充分的考慮。

圖4 側(cè)吹爐骨架

2.4 出煙口

出煙口較大，上部與余熱鍋爐對接，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)；出煙口裝置是獨立支撐于骨架上，不會對爐頂造成影響。

2.5 水套冷卻系統(tǒng)

用于處理鋅浸出渣的側(cè)吹熔化爐，通過噴槍向爐內(nèi)輸送的氣體量比較大，爐內(nèi)熔體的攪動比較劇烈，還加入大量的煤，爐子熱強度比較高，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，對耐材襯里設(shè)計了不同的冷卻裝置。整個熔體攪拌區(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。

2.6 磚體

耐火材料的選型和磚體設(shè)計對于爐子的壽命至關(guān)重要，需要根據(jù)不同的處理原料和爐內(nèi)狀況進行全面的分析和設(shè)計。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。

2.7 噴槍

噴槍是側(cè)吹浸沒燃燒技術(shù)的核心裝備，要通過噴槍向爐內(nèi)輸送燃料和助燃空氣，燃料、富氧空氣噴進熔池進行富氧燃燒，噴槍設(shè)計的是否合理直接關(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低，燃料燃燒離側(cè)墻很近會直接燒爐墻，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)計算要求氣源壓力≥0.4 MPa。噴槍為中國恩菲專利技術(shù)，能夠根據(jù)不同的工況要求進行設(shè)計，燃料可以是粉煤、天然氣、發(fā)生爐煤氣、柴油等。

2.8 水套檢測系統(tǒng)

實踐已經(jīng)證明“水是最好的耐火材料”的觀點是有道理的。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。對制造好的水套進行相應(yīng)的通球、氣密性和水壓試驗以及超聲波檢測，確保水套的制造質(zhì)量，達(dá)到設(shè)計要求；在進水總管設(shè)置水壓和水溫檢測儀表，在各個水套的出水支管設(shè)置水溫檢測儀表，自動檢測并配合經(jīng)常性的人工巡檢，嚴(yán)防事故發(fā)生，保證生產(chǎn)安全。

3 應(yīng)用展望

側(cè)吹浸沒燃燒熔池熔煉技術(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害化和固體廢棄物無害化處理方面的設(shè)計；由于其浸沒燃燒直接在熔體中進行補熱的特點，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、廢舊印刷電子線路板等不發(fā)熱物料方面具有廣闊的應(yīng)用前景。