ISP煉鋅工藝中浸沒冷卻溜槽余熱鍋爐的設(shè)計(jì)

白 樺

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院， 湖南 長沙 410001)

0 前言

ISP火法煉鋅工藝流程中，鼓風(fēng)爐鉛鋅的分離主要是通過鉛雨冷凝器中的轉(zhuǎn)子揚(yáng)起鉛液形成鉛雨充分吸收鋅蒸汽，鉛鋅混合溶液由鉛泵打入浸沒冷卻溜槽[1-2]。浸沒冷卻溜槽的作用是將鉛雨冷凝器泵出來的高溫鉛鋅混合物由520～540 ℃冷卻到440 ℃，冷卻后的鉛液從鉛雨冷凝器尾端返回到鉛雨冷凝器。浸沒冷卻溜槽的鉛鋅液100 ℃溫降包含大量的余熱，由于安全和技術(shù)原因，目前并沒有被回收利用，造成資源浪費(fèi)，能源利用率低[3]。

某冶煉廠擬建ISP煉鋅項(xiàng)目，設(shè)計(jì)規(guī)模為150 kt/a鋅鉛，其中鋅105 kt/a、鉛48 kt/a。浸沒冷卻溜槽循環(huán)鉛量約為7 200 t/h，鉛液溫度從530 ℃冷卻到440 ℃，這個(gè)冷卻過程中需帶走潛熱約83 000 kJ/h。采用傳統(tǒng)冷卻方式，不僅這部分帶走熱沒有得到利用，循環(huán)冷卻水本身還需配套冷卻系統(tǒng)。因此，本文設(shè)計(jì)了余熱鍋爐完成浸沒冷卻溜槽的余熱回收。

1 ISP工藝系統(tǒng)的余熱回收

ISP煉鋅工藝包括鋅精礦的燒結(jié)焙燒、鼓風(fēng)爐的還原冶煉、粗鋅的精煉和爐渣的煙化處理等[4]。在整個(gè)冶煉過程中產(chǎn)生的余熱包括燒結(jié)塊的顯熱、鼓風(fēng)爐產(chǎn)生的低熱值煤氣的余能、液態(tài)鋅的顯熱余熱、鋅精餾過程產(chǎn)生的煙氣余熱、煙化爐(用來處理鉛鋅渣)的煙氣余熱、浮渣反射爐(用于處理粗鉛精煉除銅產(chǎn)生的渣)的煙氣余熱等。這些余熱如果不能回收利用，就會造成資源浪費(fèi)，甚至污染環(huán)境。

早在上個(gè)世紀(jì)80年代，日本八戶冶煉廠(ISP煉鋅廠)為尋求整個(gè)工藝系統(tǒng)的節(jié)能，利用余熱鍋爐對浸沒冷卻溜槽的余熱加以回收，產(chǎn)生過熱蒸汽發(fā)電[5]。本文在150 kt/a鋅鉛ISP煉鋅項(xiàng)目設(shè)計(jì)中沒有選取過熱蒸汽方式，而是設(shè)計(jì)成產(chǎn)生飽和蒸汽的余熱鍋爐，主要出于兩個(gè)方面考慮：一是過熱器為高溫蒸汽(198 ℃)與不到530 ℃的鉛液進(jìn)行換熱，將蒸汽過熱到410 ℃，傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于蒸發(fā)器104 ℃的水與高溫鉛液進(jìn)行換熱的傳熱系數(shù)；二是綜合考慮ISP煉鋅工藝全系統(tǒng)的余熱回收，包括煙化爐高溫?zé)煔獾挠酂峄厥铡⒏≡瓷錉t高溫?zé)煔獾挠酂峄厥?、鋅精餾中溫?zé)煔獾挠酂峄厥占暗蜔嶂得簹獾睦谩?/p>

因此，在150 kt/a ISP煉鋅項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)了浸沒冷卻溜槽余熱鍋爐、煙化爐余熱鍋爐、浮渣反射爐余熱鍋爐和鋅精餾余熱鍋爐用來回收利用余熱，各余熱鍋爐參數(shù)見表1。在設(shè)計(jì)中將多余的低熱值煤氣用于以上飽和蒸汽的過熱，然后將浸沒冷卻溜槽、煙化爐、浮渣反射爐、鋅精餾所產(chǎn)飽和蒸汽合并后用1臺低熱值煤氣過熱器進(jìn)行過熱，將蒸汽溫度由198 ℃過熱到410 ℃后送發(fā)電系統(tǒng)。本文重點(diǎn)介紹浸沒冷卻溜槽余熱鍋爐。

表1 ISP煉鋅工藝系統(tǒng)的各余熱鍋爐參數(shù)

2 浸沒冷卻溜槽的結(jié)構(gòu)及余熱回收存在的問題

2.1 溜槽的結(jié)構(gòu)

浸沒冷卻溜槽是一個(gè)斷面為矩形的長槽子，外殼由鋼板焊成，內(nèi)襯由耐熱混凝土砌筑[6]。溜槽內(nèi)設(shè)置多組水冷卻系統(tǒng)，由冷卻水管、冷卻水管吊架、導(dǎo)向桿、升降臺等部件構(gòu)成，可以依據(jù)生產(chǎn)的需要適時(shí)增加或減少水冷卻系統(tǒng)數(shù)量。生產(chǎn)規(guī)模為150 kt/a鋅鉛的浸沒冷卻溜槽，正常生產(chǎn)時(shí)需設(shè)置24組水冷卻系統(tǒng)，冷卻水量約1 000 t/h。

2.2 溜槽余熱回收存在的問題

浸沒冷卻溜槽余熱回收主要存在以下問題[7]：不能直接把水變成高溫高壓的蒸汽；回收的熱量受到熔融鉛溜槽出口溫度(430±10 ℃)的限制；必須防止傳熱管內(nèi)循環(huán)水的泄漏；在有限的空間內(nèi)進(jìn)行熱交換，必須采用傳熱系數(shù)大的鍋爐。因此，針對這些問題，需要開發(fā)一種特殊鍋爐以完成ISP冷卻溜槽的余熱回收。

3 浸沒冷卻溜槽余熱鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在150 kt/a ISP煉鋅項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的浸沒冷卻溜槽余熱鍋爐由浸沒式冷卻器(蒸發(fā)器)、汽包、上升管、下降管、冷卻器提升機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。

圖1 浸沒冷卻溜槽余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)

3.1 浸沒式冷卻器

浸沒式冷卻器是浸沒冷卻溜槽余熱鍋爐的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，是受熱件，由換熱箱、換熱管、低熔點(diǎn)合金融液等構(gòu)成。換熱箱內(nèi)裝有低熔點(diǎn)合金融液，換熱管浸入在低熔點(diǎn)合金融液內(nèi)，每個(gè)換熱箱內(nèi)裝有多組換熱管，多組換熱管通過上下聯(lián)箱與汽包相連，汽包通過下降管與下聯(lián)箱相連給換熱箱內(nèi)多組換熱管給水，換熱管的出氣口與上聯(lián)箱相連，上聯(lián)箱通過上升管與汽包連通來向其排出汽水混合物。

3.1.1 換熱箱的設(shè)計(jì)

日本八戶冶煉廠研發(fā)的溜槽鍋爐的浸沒式冷卻器(蒸發(fā)器和過熱器)的換熱管裝在由兩層殼體構(gòu)成的換熱箱內(nèi)，外層殼體叫保護(hù)套，內(nèi)層殼體叫內(nèi)部箱，內(nèi)部箱內(nèi)裝有低熔點(diǎn)合金融液，內(nèi)部箱與保護(hù)套之間也裝有低熔點(diǎn)合金融液。這樣做雖然更安全，但傳熱效果不如單層殼體構(gòu)成的換熱箱。

本文雖然將換熱箱設(shè)計(jì)成單層結(jié)構(gòu)，但同時(shí)在換熱箱內(nèi)設(shè)置了用于監(jiān)測低熔點(diǎn)合金融液液面變化的監(jiān)控裝置，一旦換熱箱出現(xiàn)破損，換熱箱內(nèi)的低熔點(diǎn)合金融液液面就會下降(換熱箱內(nèi)充裝的低熔點(diǎn)合金融液的量要使其液面高于溜槽中鉛液液面)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)得到更換，不會造成換熱管破損、循環(huán)水泄漏而導(dǎo)致安全問題的發(fā)生。

3.1.2 換熱箱殼體的防腐絕緣層

浸沒冷卻溜槽中鉛液溫度從530 ℃逐漸被冷卻到440 ℃，冷卻過程中鉛液中的鋅含量逐漸從2.26%降到2.02%，鋅的比重較鉛小，從鉛液中析出來的鋅漂浮在鉛液上，形成薄薄一層。為了盡量避免鋅液對換熱箱殼體的腐蝕，延長換熱箱殼體的使用壽命，在換熱箱殼體外側(cè)壁大約在鋅液漂浮層高度段涂抹了防腐絕緣材料，以延緩鋅融液對換熱箱殼體的腐蝕。

浸沒冷卻溜槽中設(shè)置有多個(gè)浸沒式冷卻器(約50個(gè))，不是所有換熱箱殼體都需涂抹防腐絕緣層，防腐絕緣層為非導(dǎo)熱材料，影響冷卻器的傳熱效率。530 ℃時(shí)鉛液飽和鋅含量為3.2%，從鉛雨冷凝器泵出來的鉛液初始含鋅量只有2.26%并未達(dá)到飽和，也就是說當(dāng)鉛液溫度降到鋅含量為2.26%的飽和點(diǎn)溫度時(shí)(約456 ℃)才會有鋅開始析出。因此，在設(shè)計(jì)中，浸沒冷卻溜槽中前段的冷卻器換熱箱殼體不涂抹防腐絕緣層，最大限度地提高冷卻器換熱效果。

3.1.3 低熔點(diǎn)合金融液的選擇

換熱箱為不銹鋼材料制成，換熱管為鋼管并繞成多回路蛇形管狀，高溫鉛液通過換熱箱內(nèi)低熔點(diǎn)合金融液將熱傳給換熱管。所以，選取的低熔點(diǎn)合金融液要具備較高的熱導(dǎo)率、較低的熔點(diǎn)(保證與鉛液的溫差)，并且對換熱管及換熱箱無腐蝕。

目前在ISP煉鋅廠實(shí)際運(yùn)行中的溜槽鍋爐，換熱箱內(nèi)裝的低熔點(diǎn)合金融液是鉛基合金，鉛的熱導(dǎo)率只有35.3 W/mK，相對較低，應(yīng)該是起初考慮與待冷卻的鉛鋅熔融液成分相似，一旦泄露不會導(dǎo)致循環(huán)鉛液的成分變化。而筆者更看重低熔點(diǎn)合金融液的熱導(dǎo)率，選配的低熔點(diǎn)合金融液的主金屬的熱導(dǎo)率要遠(yuǎn)高于鉛的熱導(dǎo)率。即使少量該金屬的泄露也不會影響循環(huán)鉛液成分大的變化及作用。加之，生產(chǎn)過程中循環(huán)鉛液不斷得到補(bǔ)充，補(bǔ)充鉛量約為50～60 kg/t-Zn。

采用高熱導(dǎo)率低熔點(diǎn)合金融液的換熱箱可以用更少的換熱面積達(dá)到需要的換熱效果，換句話說，相對于采用鉛基合金作為低熔點(diǎn)合金融液構(gòu)成的浸沒式冷卻器，高熱導(dǎo)率低熔點(diǎn)合金融液構(gòu)成的浸沒式冷卻器可以減少其放置在浸沒冷卻溜槽中的數(shù)量。這對原有ISP煉鋅廠浸沒冷卻溜槽余熱利用改造是極有利的，可以在不改動(dòng)原有浸沒冷卻溜槽槽體的前提下，槽體長度空間足夠放置下浸沒式冷卻器的數(shù)量。對新建ISP煉鋅廠也是有利的，浸沒式冷卻器的數(shù)量越少，浸沒冷卻溜槽槽體的長度就可以適當(dāng)?shù)亩?，?jié)省廠房的配置空間。

3.2 上升、下降管

多數(shù)余熱鍋爐的受熱件是固定結(jié)構(gòu)，上升、下降管與受熱件是剛性連接，而浸沒式冷卻器是要求其可以上下移動(dòng)，必要時(shí)可以將浸沒式冷卻器從浸沒冷卻溜槽中提出或者將其放入溜槽中，如遇到浸沒式冷卻器損壞需要更換、生產(chǎn)過程中需要增加或減少冷卻件數(shù)量等情況時(shí)。也就是說，從汽包到浸沒式冷卻器，上升、下降管不能全段剛性連接，而是在其連接的這一頭設(shè)置2節(jié)短管，短管與短管之間、短管與冷卻器之間、短管與上升、下降管之間由特殊的活接頭相連。當(dāng)2節(jié)短管垂直相連時(shí)，浸沒式冷卻器能完全沒入冷卻溜槽中；當(dāng)2節(jié)短管水平相并合時(shí)，浸沒式冷卻器可從冷卻溜槽中提出。

4 結(jié)束語

ISP煉鋅工藝憑借自身技術(shù)特點(diǎn)在鋅冶煉行業(yè)中占有獨(dú)特的地位，但是其仍存在能源浪費(fèi)、能源利用率不高等問題。隨著近年來節(jié)能減排要求越來越高，如何充分利用該工藝過程中的余熱余能顯得十分重要。本文提出的浸沒冷卻溜槽的余熱利用是ISP煉鋅工藝的一個(gè)進(jìn)步和完善，無論是改擴(kuò)建原有ISP煉鋅廠還是新建ISP煉鋅廠都應(yīng)該考慮浸沒冷卻溜槽的余熱利用問題。