富氧頂吹鎳熔煉煙氣單質(zhì)硫析出的原因及對(duì)策

林 泉，姜德權(quán)，邵德剛，賈宏杰，張海龍，王 奎

（金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅金昌 737100）

JAE富氧頂吹熔煉工藝是一種基于物料中硫化物、金屬組分、氧化鐵與氧發(fā)生反應(yīng)的高強(qiáng)度熔池熔煉系統(tǒng)。其主要過程包括進(jìn)料熔解、能量傳遞、化學(xué)反應(yīng)及燃燒，這些過程都在熔渣層中進(jìn)行。該工藝處理的原料是雜質(zhì)含量高[w(MgO)＞10%]、低品位銅鎳[w(Ni)在6%]混合精礦[1]。精礦經(jīng)干燥、制粒、配料后從鎳熔煉爐頂部進(jìn)入，在熔池中與噴槍提供的富氧充分反應(yīng)，產(chǎn)出煙氣、煙塵、低鎳锍和爐渣等產(chǎn)物。富氧頂吹鎳熔煉時(shí)產(chǎn)生的含SO2煙氣經(jīng)余熱鍋爐冷卻及電收塵器收塵后，送制酸系統(tǒng)。JAE富氧頂吹熔煉工藝具有物料適應(yīng)性強(qiáng)、反應(yīng)速度快、處理能力大、煙塵產(chǎn)率低、環(huán)境保護(hù)好、動(dòng)力耗能小等特點(diǎn)[2]。

冶煉煙氣制酸系統(tǒng)利用冶煉生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化硫煙氣生產(chǎn)硫酸，是冶煉系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈中不可或缺的部分。某公司鎳熔煉煙氣中單質(zhì)硫含量過高，嚴(yán)重影響制酸系統(tǒng)的工藝指標(biāo)，造成了部分重要設(shè)備的損壞，甚至引起設(shè)備、工藝事故。制酸系統(tǒng)電除霧器、干燥塔、風(fēng)機(jī)葉輪均有不同程度的積硫，導(dǎo)致除霧效率下降，干燥塔、轉(zhuǎn)化器壓降逐步增大，風(fēng)機(jī)葉輪振幅增加，系統(tǒng)被迫停車檢修。電除霧器積硫情況見圖1，風(fēng)機(jī)葉輪積硫情況見圖2。

圖1 電除霧器積硫情況

圖2 風(fēng)機(jī)葉輪積硫情況

為避免制酸煙氣析出單質(zhì)硫帶來的嚴(yán)重影響，該公司組織冶煉、制酸系統(tǒng)技術(shù)人員進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，找出單質(zhì)硫析出的原因，并確定改善措施，為有色冶煉行業(yè)冶煉煙氣中單質(zhì)硫的有效控制提供了新的思路。

1 單質(zhì)硫析出原因分析

根據(jù)制酸系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)積硫現(xiàn)象，技術(shù)人員分析認(rèn)為，積硫的主要原因是冶煉富氧頂吹鎳熔煉爐還原氣氛過強(qiáng)，物料氧化不充分，部分硫元素以單質(zhì)形式進(jìn)入冶煉煙氣。煙氣中大量氣態(tài)單質(zhì)硫在制酸系統(tǒng)凈化、干吸工序洗滌、冷卻過程中形成固態(tài)單質(zhì)硫，并在設(shè)備內(nèi)部大量沉積和富集。造成富氧頂吹鎳熔煉爐還原氣氛過強(qiáng)、產(chǎn)生單質(zhì)硫的原因有以下3點(diǎn)：

1）操作不穩(wěn)定或塊煤加入量過大。在含鎳的硫化礦火法冶煉過程中，操作溫度在1 000～1 300℃，操作不穩(wěn)定或塊煤加入量過大會(huì)造成爐內(nèi)還原氣氛過強(qiáng)，入爐物料中的硫化物未完全氧化成二氧化硫，硫元素以單質(zhì)形式進(jìn)入煙氣系統(tǒng)[3]。

2）物料反應(yīng)不充分。從富氧頂吹鎳熔煉爐反應(yīng)區(qū)域分布位置可以看出，噴槍位置在爐體中心，爐料進(jìn)入熔池距噴槍位置仍有一段距離?？拷行奈恢玫奈锪涎杆偻瓿杉訜?、熔化、氧化、造鎳锍和造渣的熔煉過程；部分物料出現(xiàn)過氧化，部分物料在熔池內(nèi)高溫缺氧條件下熔化。這時(shí)，精礦中高價(jià)硫化物在高溫低氧環(huán)境下分解產(chǎn)生單質(zhì)硫。富氧頂吹鎳熔煉爐反應(yīng)區(qū)域示意見圖3。

3）為控制頂吹爐爐渣中磁性鐵含量，根據(jù)磁鐵量配入相應(yīng)的二次煤。煤在爐膛內(nèi)的二次燃燒區(qū)及以上部位燃燒。由于該區(qū)域氧量不足，煤在爐膛內(nèi)形成大量的高溫CO氣體。高溫CO氣體將部分SO2還原成單質(zhì)硫[4]，化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

SO2+ CO→ CO2+ 1/2S2

2 單質(zhì)硫析出控制措施

2.1 噴槍套筒風(fēng)內(nèi)配氧

通過噴槍套筒風(fēng)內(nèi)合理配氧，控制殘氧量，可有效解決單質(zhì)硫的析出[5]。噴槍的主要作用是將工藝反應(yīng)需要的空氣、氧氣和燃料輸送到反應(yīng)區(qū)內(nèi)參與反應(yīng)，在輸送的同時(shí)強(qiáng)烈攪拌熔池內(nèi)的熔渣，使加入熔池內(nèi)的物料和熔渣充分混合，為反應(yīng)提供必要的動(dòng)力學(xué)條件。噴槍結(jié)構(gòu)中套筒風(fēng)的作用是對(duì)噴槍外壁進(jìn)行充分冷卻，飛濺物遇冷形成掛渣，在爐內(nèi)惡劣環(huán)境中利用固化的渣層保護(hù)噴槍，延長(zhǎng)噴槍的使用壽命；同時(shí)，套筒風(fēng)在二次燃燒區(qū)內(nèi)完成對(duì)揮發(fā)物和噴濺可燃物的二次燃燒。噴槍結(jié)構(gòu)示意見圖4。

技術(shù)人員利用富氧頂吹鎳熔煉主廠房▽21.75 m平面上的原有φ720 mm氧氣管道，新引出1條氧氣管道，延伸至鎳熔煉主廠房C柱線處垂直向上敷設(shè)，最后敷設(shè)到▽46.00 m南側(cè)套筒風(fēng)管與金屬軟管的連接處，斜插并入氧氣管。純氧經(jīng)新敷設(shè)的φ219 mm×6 mm氧氣管道通過金屬軟管及噴槍噴入頂吹爐。在新敷設(shè)的φ219 mm×6 mm氧氣管道上安裝調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、壓力變送器等檢測(cè)儀表，通過DCS系統(tǒng)完成余熱鍋爐出口煙氣中的氧氣分析。通過調(diào)節(jié)套筒風(fēng)量及配氧量，將余熱鍋爐出口煙氣中φ(O2)控制在3%～8%。套筒風(fēng)配氧管道敷設(shè)示意見圖5。

圖4 噴槍結(jié)構(gòu)示意

圖5 套筒風(fēng)配氧管道敷設(shè)示意

2.2 優(yōu)化控制煙氣中殘氧量

根據(jù)富氧頂吹鎳熔煉工藝投料量，技術(shù)人員對(duì)比余熱鍋爐出口煙氣管道上的氧氣分析儀數(shù)據(jù)，利用DCS系統(tǒng)調(diào)節(jié)噴槍和套筒風(fēng)配氧量，將煙氣中φ(O2)控制在3%～8%，使硫化物在進(jìn)入余熱鍋爐前充分燃燒成SO2，徹底消除單質(zhì)硫的析出。同時(shí)，對(duì)DCS系統(tǒng)控制程序進(jìn)行部分修改，增加套筒風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)壓聯(lián)鎖控制。當(dāng)套筒風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)壓低于0.013 MPa時(shí)，新敷設(shè)氧氣管道上的緊急切斷閥自動(dòng)切斷輸送的氧氣，同時(shí)利用套筒工藝風(fēng)多次、間歇對(duì)筒風(fēng)管道進(jìn)行全面吹掃，保證套筒風(fēng)管道內(nèi)配氧安全。

2.3 實(shí)際效果

通過噴槍套筒風(fēng)內(nèi)合理配氧，對(duì)DCS系統(tǒng)控制程序進(jìn)行部分修改，增加套筒風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)壓聯(lián)鎖控制，控制殘氧量，經(jīng)多次測(cè)試使余熱鍋爐出口煙氣中φ(O2)控制在3%～8%，徹底解決了在硫酸系統(tǒng)出現(xiàn)單體硫造成的噴淋塔噴頭堵塞，冷卻塔板式換熱器堵塞，兩級(jí)電除霧極線、底部氣流分布板單體硫堆積等問題，多年來制酸系統(tǒng)運(yùn)行正常。

3 結(jié)語(yǔ)

富氧頂吹鎳熔煉工藝是一種新型的火法冶金技術(shù)，適用于處理多種復(fù)雜成分的鎳原料，可實(shí)現(xiàn)不同投料量的熔池熔煉工藝的靈活控制。技術(shù)人員對(duì)噴槍套筒風(fēng)進(jìn)行合理配氧，提高了噴槍套筒富氧風(fēng)的流速。噴槍套筒富氧風(fēng)在富氧頂吹鎳熔煉爐的二次燃燒區(qū)內(nèi)，完成了對(duì)揮發(fā)物和噴濺可燃物的二次燃燒，使硫化物中硫元素在進(jìn)入余熱鍋爐前充分燃燒成SO2，消除了單質(zhì)硫的形成，延長(zhǎng)了噴槍使用壽命，提高了富氧頂吹鎳熔煉爐的作業(yè)率。