銅冶金爐煙道結(jié)構(gòu)探討

檀 冰

（金劍銅業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古赤峰 024048）

目前，我國(guó)銅冶金爐有閃速爐、奧斯麥特爐、側(cè)吹爐、底吹爐、礦熱電爐等多種類(lèi)型，這些爐型適用的出口煙道有直角轉(zhuǎn)折型、鵝頸型、直筒型、煙罩型、復(fù)合型等。經(jīng)過(guò)多年的摸索和實(shí)踐，筆者認(rèn)為優(yōu)化銅冶金爐出口煙道結(jié)構(gòu)可以減少煙道粘結(jié)堵塞等事件，有利于穩(wěn)定銅冶煉行業(yè)的生產(chǎn)。本文對(duì)銅冶金爐煙道進(jìn)行簡(jiǎn)單地分類(lèi)，比較各種煙道的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)銅冶金爐煙道優(yōu)化的重要參數(shù)進(jìn)行分析， 為進(jìn)一步優(yōu)化煙道結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

1 煙道類(lèi)型分類(lèi)

銅精礦火法熔煉和吹煉過(guò)程產(chǎn)生大量含二氧化硫、 金屬微粒和粉塵的高溫?zé)煔狻?根據(jù)國(guó)家環(huán)保要求，必須對(duì)其進(jìn)行回收和凈化處理?，F(xiàn)代的銅冶煉廠均把煙氣中二氧化硫制成硫酸加以回收。然而，含硫煙氣降溫過(guò)程中具有腐蝕性， 加上高溫含塵又具有粘結(jié)成塊、堵塞煙道的副作用，所以銅冶煉過(guò)程中選擇適用的排煙通道具有重要的意義。 根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有生產(chǎn)的銅冶金爐煙道情況，可把排煙通道分成以下幾種類(lèi)型。

1.1 鵝頸型煙道

鵝頸型煙道基本形狀如圖1，整體呈“幾”字型，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由鍋爐水管構(gòu)成，需要很高很大的廠房。這種煙道的優(yōu)點(diǎn)是可以把大量煙塵沉降下來(lái)， 并且由于整個(gè)煙道都構(gòu)成鍋爐輻射部受熱面， 因而具有收塵降溫的作用。這種煙道結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，水汽管道龐雜，投資大，生產(chǎn)過(guò)程中極易形成爐結(jié)堵塞通道的狀況； 同時(shí)， 因復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以保證整個(gè)煙道的密封性，操作不慎就會(huì)造成腐蝕爆管現(xiàn)象，水管間空間狹小，維修頻繁且難度大。 因此，鵝頸煙道適合煙氣量小，且煙塵不易粘結(jié)性質(zhì)的含塵煙氣，如果是對(duì)鉛鋅含量高的銅精礦進(jìn)行火法冶煉， 建議盡量不用此類(lèi)煙道。 此類(lèi)煙道主要用于奧斯麥特爐和側(cè)吹爐等銅冶金爐上。

圖1 鵝頸煙道與直型煙道

1.2 直通型煙道

直通型煙道基本形狀如圖2 所示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，需要一定高度空間。該結(jié)構(gòu)煙道如果不采用水管或水套冷卻，維修簡(jiǎn)單；如果采用水冷，則需要增加水管或水套，且可以根據(jù)煙氣減溫的需要局部增設(shè)，或全域增設(shè)，適用于大煙氣量的冶金爐。 該結(jié)構(gòu)煙道流速快，不易粘結(jié)形成結(jié)塊；但含塵煙氣進(jìn)入余熱鍋爐速度快，也容易對(duì)鍋爐形成沖刷，造成余熱鍋爐輻射部頂部過(guò)熱，所以對(duì)直型煙道進(jìn)行局部水冷是一個(gè)好的改進(jìn)方式。 另外，鍋爐入口區(qū)域（上方和兩側(cè)）容易形成渦流而產(chǎn)生爐結(jié)，這給鍋爐清理以及連續(xù)生產(chǎn)帶來(lái)問(wèn)題。為了滿(mǎn)足連續(xù)生產(chǎn)的要求，余熱鍋爐輻射部需要盡量設(shè)計(jì)成大空間，以達(dá)到降低煙氣溫度和高效降塵的目的，同時(shí)也可以盡可能減少爐結(jié)產(chǎn)生。直通型煙道主要在側(cè)吹爐、鼓風(fēng)爐和少數(shù)閃速爐等銅冶金爐上應(yīng)用。

1.3 折型煙道

折型煙道是直通型煙道的變種類(lèi)型， 結(jié)構(gòu)如圖3 所示。 該類(lèi)煙道吸取了直通型煙道的優(yōu)點(diǎn)，又減輕了煙氣對(duì)余熱鍋爐輻射部頂部的沖刷， 同時(shí)能在生產(chǎn)過(guò)程中解決煙道結(jié)塊問(wèn)題， 可以適應(yīng)大煙氣量高含塵的冶金爐煙氣通過(guò)，適應(yīng)性強(qiáng)。但含有高粘性煙塵的煙氣還是容易在余熱鍋爐入口上部和兩側(cè)形成爐結(jié)，需要定期清理，這仍給生產(chǎn)帶來(lái)一定的影響。折型煙道適用于閃速爐、礦熱電爐、側(cè)吹爐、鼓風(fēng)爐等銅冶金爐。

圖3 折型煙道和罩型煙道

1.4 罩型煙道

罩型煙道主要是利用水套或鋼罩形成密閉的通道從而組成排放煙道系統(tǒng)，基本結(jié)構(gòu)如圖4 所示。這種結(jié)構(gòu)的煙道可采用廠家制作、 現(xiàn)場(chǎng)拼接安裝的方式，因此安裝容易，更換方便。但其結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，水管布置非常緊湊，且水套密封性差，漏風(fēng)嚴(yán)重，容易產(chǎn)生低空污染。 受熱不均勻還容易出現(xiàn)腐蝕漏水等故障，后期維修受空間約束也有一定困難。所以罩型煙道一般應(yīng)用于底吹爐和轉(zhuǎn)爐等回轉(zhuǎn)式冶金爐，很少用于固定式冶金爐窯。

圖4 罩型煙道

1.5 復(fù)合型煙道

復(fù)合型煙道是以上各種煙道的組合形態(tài)， 主要是采用水套冷卻或風(fēng)冷結(jié)構(gòu)與耐火材料砌筑構(gòu)成煙氣通道。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自重大，設(shè)計(jì)和安裝難度大，需要大型鋼構(gòu)支撐或吊掛，一般是根據(jù)冶金爐的溫度、腐蝕性、結(jié)塊情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制與操作也比其他類(lèi)型復(fù)雜， 一般僅在閃速熔煉和閃速吹煉等精密控制冶金爐型中使用。

1.6 比較與分析

通過(guò)對(duì)上述集中煙道結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)缺點(diǎn)的分析，各種煙道特點(diǎn)對(duì)比如表1 所示。

表1 各種煙道特點(diǎn)對(duì)比

綜合國(guó)內(nèi)銅冶煉廠的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)， 考慮各類(lèi)型煙道特點(diǎn)，結(jié)合流體力學(xué)性質(zhì)，可以認(rèn)為折型煙道設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)各種冶金爐的生產(chǎn)，可以滿(mǎn)足銅冶金爐窯日益發(fā)展的高投入量、大熱負(fù)荷生產(chǎn)的需求。而且通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和流體模型試驗(yàn)， 可以進(jìn)一步按實(shí)體要求對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化完善， 從而滿(mǎn)足各種條件下的生產(chǎn)需要， 甚至可以擴(kuò)展應(yīng)用于其他有色金屬冶金爐窯，如鉛、鋅、鎳的冶煉等。

2 改進(jìn)與優(yōu)化

在冶金爐設(shè)計(jì)中，一般是先依據(jù)冶金計(jì)算確定煙氣量， 然后根據(jù)煙氣量的大小合理設(shè)計(jì)排煙通道截面大小，在此基礎(chǔ)上確定恰當(dāng)?shù)腻仩t入口煙氣流速，最后綜合V、α、H3 個(gè)參數(shù)，才能確定煙道所采用的類(lèi)型。 3 個(gè)參數(shù)密切相關(guān)，相互制約，相互影響，尤其是V值的確定直接影響H和α 的取值。

以折型煙道為例，對(duì)余熱鍋爐輻射部上部與煙氣入口的高度H，喇叭口傾角α 和入口煙氣流速V等3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化模型如圖5 所示。

圖5 冶金爐煙道優(yōu)化模型

1）鍋爐輻射部頂部高度H。 鍋爐輻射部頂部高度H值選取過(guò)高， 煙氣通過(guò)鍋爐輻射部時(shí)間延長(zhǎng)，從而有利于煙塵沉降，但這樣鍋爐投資大，且在煙氣入口上方局部形成回流區(qū)，從而造成積灰結(jié)塊，反而不利于連續(xù)生產(chǎn)。 如果H值過(guò)低，如＜2 m，高溫?zé)煔膺M(jìn)入鍋爐后容易對(duì)鍋爐輻射部頂部造成沖刷， 鍋爐頂部也會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱。因此，H值選取恰當(dāng)?shù)臄?shù)值非常重要，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取值3～8 m 較為適合。

2）鍋爐入口上傾角α 值。 鍋爐入口上傾角α 值如果過(guò)大，高溫?zé)煔馊菀自谟酂徨仩t輻射部前段沖刷頂部，且熔融煙塵易粘結(jié)在鍋爐頂，形成大塊，對(duì)鍋爐造成安全隱患；鍋爐頂部前端有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱負(fù)荷，從而有爆管危險(xiǎn)。 但如果α 值選取過(guò)小，煙氣在輻射部流過(guò)時(shí)間短，煙塵不能及時(shí)沉降，會(huì)出現(xiàn)煙塵沉降后移，導(dǎo)致對(duì)流部積灰嚴(yán)重等現(xiàn)象。 此時(shí)，可以考慮加長(zhǎng)輻射部長(zhǎng)度，但加長(zhǎng)輻射部長(zhǎng)度不僅會(huì)增大占地面積，也會(huì)增加投資，不是最佳優(yōu)化手段。參考流體力學(xué)模型[1]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，入口傾角α 值選取為40°～50°比較合理。

3）入口煙氣流速V。 入口煙氣流速V是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，如果V值過(guò)小，即煙氣流速慢，雖有利于煙塵在余熱鍋爐內(nèi)沉降，但不利于維持冶金爐內(nèi)的微負(fù)壓操作，易引起冶金爐周?chē)霈F(xiàn)低空污染[2]，同時(shí)造成投料入爐困難；如果V值過(guò)大，即煙氣流速快，又不利于余熱鍋爐輻射部的煙塵沉降， 且容易帶走大量的爐內(nèi)熱量，造成過(guò)度消耗燃料或爐內(nèi)低溫反應(yīng)不完全的現(xiàn)象。目前，排煙流速的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)值一般為0．8～1．5 m/s。

3 結(jié)語(yǔ)

銅冶金爐排煙通道的選型，直接影響銅冶煉的連續(xù)性生產(chǎn)，但在冶金爐設(shè)計(jì)過(guò)程中，煙道設(shè)計(jì)又是一個(gè)不易引起重視的部位，需要吸取實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和通過(guò)科學(xué)試驗(yàn)才能找到更合理的構(gòu)型。 銅冶金爐多種多樣，要得到適合各自爐體的煙道形式與大小，有條件且有足夠的技術(shù)實(shí)力的設(shè)計(jì)單位應(yīng)通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真或制作模型作流體實(shí)驗(yàn)確認(rèn)的V、α、H值進(jìn)行優(yōu)化。