大型流態(tài)化焙燒爐改進研究和生產(chǎn)實踐

黃忠民，劉衛(wèi)平，肖康，王浩宇

(1 湖南有色金屬控股集團有限公司，湖南 長沙 410015；2 株洲冶煉集團股份有限公司，湖南 株洲 412007)

1 引言

在濕法煉鋅中，常采用鋅精礦流態(tài)化焙燒、浸出、凈化、電解等工藝工程，流態(tài)化焙燒爐分為三種類型：（1）帶前室的道爾型直形爐；（2）道爾(Dorr)型濕法加料直形爐；（3）魯奇(Lurgi)擴大型爐[1]。鋅精礦流態(tài)化焙燒就是利用具有一定氣流速度的空氣自下而上通過爐內(nèi)礦層，使固體顆粒被吹動，相互分離而呈懸?。ǚ序v）狀態(tài)，達到固體顆粒（鋅精礦）與氣體氧化劑（空氣）的充分接觸，在焙燒時盡可能地將鋅精礦中的硫化物氧化為氧化物及生成少量可溶的硫酸鹽，以滿足浸出對焙燒礦的成分、粒度的要求及補償系統(tǒng)中一部分硫酸的損失，同時得到二氧化硫濃度較高的煙氣用來生產(chǎn)硫酸。與道爾型爐相比，魯奇(Lurgi)擴大型爐具有結(jié)構(gòu)相對簡單、易于實現(xiàn)過程的自動化、床能力大、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)勢，是焙燒爐的發(fā)展方向[2][3]。

2 152m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐基本情況

2.1 主要參數(shù)的確定

流態(tài)化焙燒爐的主要技術(shù)參數(shù)包括爐床面積、流化床層高度、空氣分布板的結(jié)構(gòu)、爐膛的有效高度等[4]。鋅精礦流態(tài)化焙燒爐參數(shù)參照其他魯奇型流態(tài)化焙燒爐的結(jié)構(gòu)尺寸、鋅精礦處理量、原料成份、原料粒度、焙砂與煙塵質(zhì)量等要求，進行系統(tǒng)測算后確定。

2.2 基本情況

152m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐是在109m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐和123m2硫鐵礦焙燒爐的基礎(chǔ)上改進優(yōu)化設(shè)計而成的（表1為不同工廠的魯奇型流態(tài)化焙燒爐的主要尺寸），通過受力模擬并采取諸多受力點的安全保障措施，確保焙燒爐系統(tǒng)更加穩(wěn)定、安全運行。152m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐系統(tǒng)是目前鋅冶煉領(lǐng)域規(guī)格最大的焙燒爐窯，設(shè)計爐床面積152m2，爐床直徑13.9m，單臺爐年處理精礦（干基）能達到300-340kt[5]。

表1 不同工廠的魯奇型流態(tài)化焙燒爐的主要尺寸

3 152m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐改進研究

3.1 大型流態(tài)化焙燒爐理論研究

本項目152m2流態(tài)化焙燒爐是目前世界上最大的單體流態(tài)化鋅冶煉焙燒爐，采用高溫氧化焙燒、脫硫的生產(chǎn)工藝，單臺爐能夠配套濕法鋅冶煉能力為150-170kt/a，設(shè)計處理鋅精礦300-340kt/a[5]。相比42m2、109 m2流態(tài)化焙燒爐，152m2流態(tài)化焙燒爐的爐床面積和爐身尺寸都大大提高，以往的操作經(jīng)驗很難直接移植到新爐子上來，這給焙燒過程的操作技術(shù)控制和工藝管理帶來更大的挑戰(zhàn)。為避免152m2流態(tài)化焙燒爐在運行過程中出現(xiàn)沸騰層溫度、壓力不均勻、爐料燒結(jié)、床層沉積等事故的發(fā)生，同時也為探索大型流態(tài)化焙燒爐的操作管理提供經(jīng)驗，投產(chǎn)之前對熱平衡和布風(fēng)均勻性進行了研究。

3.1.1 大型流態(tài)化焙燒爐熱平衡研究

鋅精礦流態(tài)化焙燒爐的物料、能量平衡研究。研究流態(tài)化焙燒爐的熱平衡，可以了解焙燒爐物料分布和能量分布。尤其是當爐子的某些操作參數(shù)（投料量、鼓風(fēng)量、精礦含水率等）或環(huán)境因素（環(huán)境溫度、濕度等）發(fā)生變化時，為維持焙燒爐的穩(wěn)定運行，以往需要依靠經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員來調(diào)整生產(chǎn)，大型流態(tài)化焙燒爐則需要進一步智能化和標準化，通過對流態(tài)化焙燒爐進行變工況的熱平衡研究，建立起操作參數(shù)與爐況之間的關(guān)聯(lián)。而智能化設(shè)計，能夠讓普通技術(shù)人員更好的進行現(xiàn)場操作。

前期主要研究內(nèi)容包括：（1）根據(jù)鋅精礦成分、產(chǎn)能等數(shù)據(jù)，對不同運行狀態(tài)下鋅精礦焙燒爐的物料與能量平衡進行計算，提供指導(dǎo)生產(chǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；（2）制定鋅精礦焙燒爐的熱工綜合測試方案，對運行的鋅精礦焙燒爐進行熱工綜合測試，分析運行時間對埋管傳熱性能的影響；（3）根據(jù)鋅精礦流態(tài)化焙燒爐的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及設(shè)計運行參數(shù)，對流態(tài)化焙燒爐的冷態(tài)流場進行數(shù)值仿真，掌握氣流分布情況；（4）根據(jù)鋅精礦焙燒爐的結(jié)構(gòu)尺寸、工作條件與操作參數(shù)等，建立鋅精礦焙燒爐的物理模型并進行網(wǎng)格劃分，構(gòu)建描述鋅精礦流態(tài)化焙燒過程的數(shù)學(xué)模型；（5）對鋅精礦焙燒爐內(nèi)流態(tài)化焙燒過程進行仿真模擬研究，分析爐內(nèi)氣體流場、溫度場及顆粒的沸騰狀況等信息的分布特征與規(guī)律；（6）模擬研究鋅精礦顆粒粒徑分布對焙燒爐內(nèi)的溫度、速度、濃度等參數(shù)的影響規(guī)律，提出操作參數(shù)的優(yōu)化方案。如圖1就是我們所做研究的等效換熱系數(shù)隨鼓風(fēng)量與流態(tài)化層溫度的變化。

圖1 等效換熱系數(shù)隨鼓風(fēng)量與沸騰層溫度的變化

3.1.2 大型流態(tài)化焙燒爐布風(fēng)均勻性改進研究

由于152m2流態(tài)化焙燒爐爐床面積增大、風(fēng)帽數(shù)目增多，這就要求從風(fēng)帽噴出的氣體速度和風(fēng)箱內(nèi)部壓力分布均勻，才可以為顆粒流態(tài)化創(chuàng)造良好的初始條件。通過鋅精礦流態(tài)化焙燒爐冷態(tài)布風(fēng)均勻性的數(shù)值仿真，布風(fēng)板風(fēng)帽排布方式及爐體尺寸對流化過程影響的數(shù)值仿真，探究不同的風(fēng)帽排布方式及爐體尺寸結(jié)構(gòu)對于流化過程的影響，氣體分布板的設(shè)計應(yīng)使進入床層的氣體分布均勻，創(chuàng)造良好的初始流態(tài)化條件，具體考慮下列條件：有一定的孔眼噴出速度，使物料顆粒特別是使大顆粒受到激發(fā)湍動起來；具有一定的阻力，以減少流態(tài)化層各處的料層阻力的波動；此外還應(yīng)不漏料、不堵塞、耐摩擦、耐沖擊、耐腐蝕、不變形；結(jié)構(gòu)簡單，便于加工、制作、安裝和檢修。參照表2、表3，152m2流態(tài)化焙燒爐設(shè)計采用的單孔直流式風(fēng)帽、合金鋼制作、風(fēng)帽密度100個／m2、中心距100mm、排布方式為正方形排列，布風(fēng)板設(shè)計15034個直流式風(fēng)帽，氣體以一定的速度從風(fēng)帽孔眼噴出，帶動爐床上的顆粒進行流化[6][7]。

表2 焙燒爐風(fēng)帽的幾種主要形式

表3 不同入口風(fēng)速下分布板壓降的計算值

3.2 改進實施

結(jié)合理論研究的結(jié)果和多年生產(chǎn)積累的數(shù)據(jù)，為確保流態(tài)化焙燒爐一次開爐成功，針對152m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐實際生產(chǎn)中暴露的問題，在鋅精礦流態(tài)化焙燒爐建設(shè)中和投產(chǎn)時進行了改進優(yōu)化，主要內(nèi)容如下：

3.2.1 優(yōu)化砌筑方案

砌筑的方案選擇對以后鋅精礦流態(tài)化焙燒爐是否能正常運行至關(guān)重要，目標是解決流態(tài)化焙燒爐密封性問題，確保不漏風(fēng)不跑風(fēng)[8]。主要針對爐墻四周與分布板密封方式、分布板安裝方式、爐氣出口澆筑方式、爐床澆筑進行優(yōu)化，改變原來的設(shè)計方案，重點解決焙燒爐的密封性問題。在施工過程中，對最為關(guān)鍵的焙燒爐墻體砌筑和爐床澆筑實行24h跟蹤監(jiān)理，嚴格按照確定的施工方案執(zhí)行，出現(xiàn)異常時及時調(diào)整。

（1）焙燒爐供風(fēng)、布風(fēng)系統(tǒng)：靜態(tài)模擬風(fēng)箱氣流分布和箱體壓力測算，采用3個進風(fēng)口小角度切入方式供風(fēng)，風(fēng)帽設(shè)計采用直筒式順排方式，實現(xiàn)入爐風(fēng)壓分布均勻。

（2）爐床設(shè)計安裝：解決爐床變形、不平整、漏風(fēng)等問題，改進分布板滿焊的施工方式，并適當填充物密封。

（3）爐床與爐墻密封：解決爐墻四周漏風(fēng)，作業(yè)效率低，保溫性能差等問題，密封采用磚體+澆筑組合替代磚體方式，解決同類型焙燒爐流態(tài)化床層不能長周期穩(wěn)定的問題。

（4）爐體、爐頂設(shè)計優(yōu)化：解決原有沸騰爐爐體串風(fēng)、漏風(fēng)腐蝕、爐體大型化后安全性問題，在垂直段和擴大端一定距離采用設(shè)置隔斷，合理選擇擴大比、圈梁設(shè)計、爐頂整體澆筑等，實現(xiàn)停留時間的延長和煙塵率降低，優(yōu)化煙塵和煙氣成分指標。

（5）爐氣出口與鍋爐連接、煙氣入口方式：解決系統(tǒng)從冷態(tài)到熱態(tài)情況下爐體與鍋爐位移變化帶來的問題，同時考慮連接處的密封帶來的環(huán)保問題。煙氣水平進入鍋爐，空間加大有利于煙塵沉降分離，減少清理難度，提高原料適應(yīng)能力。

3.2.2 優(yōu)化烘爐方案

組織技術(shù)力量對烘爐方案進行全面評估，并根據(jù)以往的經(jīng)驗，已多點、勻火、慢烤為原則，制定烘爐方案，延遲低溫烤爐時間，制定嚴密的升溫曲線，在烤爐過程中嚴格執(zhí)行，將爐體、爐床應(yīng)力裂紋控制在最小范圍。

3.2.3 優(yōu)化關(guān)鍵工藝控制參數(shù)

152m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐在兄弟企業(yè)使用時存在風(fēng)量、壓力等關(guān)鍵參數(shù)波動大的現(xiàn)象，項目實施單位通過投產(chǎn)初期的摸索，確定了鼓風(fēng)機各風(fēng)門的最佳同步操作模式，從根本上解決了鼓風(fēng)量、鼓風(fēng)壓波動大，鼓風(fēng)量計量虛假的難題。

合適的風(fēng)料比是鋅精礦流態(tài)化焙燒爐長周期穩(wěn)定運行及產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的關(guān)鍵。項目實施單位根據(jù)以往的經(jīng)驗并結(jié)合理論計算，為152m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐制定1600-1800m3/t的風(fēng)料比。

根據(jù)項目實施單位以往的經(jīng)驗增設(shè)了原設(shè)計沒有的標溫，使152m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐有了操作標準和依據(jù)，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。

3.2.4 優(yōu)化操作機制

根據(jù)項目實施單位以往的經(jīng)驗，建立崗位、班組、工序、廠部四級預(yù)警操作機制，實時監(jiān)控焙燒爐各項參數(shù)變化，使鋅精礦流態(tài)化焙燒爐的出現(xiàn)的異常狀況有發(fā)現(xiàn)、有分析、有處理、有歸納總結(jié)、有改進推廣。

此外，對供料、排料系統(tǒng)、安全環(huán)保系統(tǒng)進行了數(shù)十項改進，確保了鋅精礦流態(tài)化焙燒爐運行的穩(wěn)定。

4 152m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐運行實踐

4.1 運行實踐情況

本項目1#、2#鋅精礦流態(tài)化焙燒爐投產(chǎn)后，實現(xiàn)了一次性投產(chǎn)成功，產(chǎn)能達到并超過了設(shè)計值。投產(chǎn)至今未因鋅精礦流態(tài)化焙燒爐本體原因造成停爐，作業(yè)率：2019年1#焙燒爐平均達到91.3%，其中8月份作業(yè)率達到100%；2#焙燒爐平均達到89.12%，其中8月份作業(yè)率達到99.73%。煙塵不溶硫1#爐0.41%，2#爐0.5%；焙砂可溶鋅率1#爐91.94%，2#爐92.05%；床能力1#爐6.19t/m2.d、2#爐6.49t/m2.d。2020年基本上達到了設(shè)計目標，2021年1-4月超過了設(shè)計指標。具體數(shù)據(jù)見表4、表5。

表4 152m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐產(chǎn)量完成表

表5 152m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐焙燒爐作業(yè)率情況

兩臺焙燒爐從2019年至2021年處理量逐步增加，由1932t/d逐步上漲至2096t/d，達到1824t/d的設(shè)計目標。2019年度焙燒爐共處理鋅精礦約465054t，因投產(chǎn)時間及前期項目改造等原因，焙燒爐作業(yè)效率偏低，該年度未完成初設(shè)目標。2020年隨著生產(chǎn)優(yōu)化，全年處理鋅精礦589518萬噸（干量），完成公司目標,系統(tǒng)在2020年基本實現(xiàn)了穩(wěn)定運行。2021年度以來，焙燒爐系統(tǒng)實現(xiàn)高效穩(wěn)定運行，1-4月處理量完成2096t/d，已經(jīng)超過設(shè)計目標。

4.2 改進后的效果

通過改進后，152m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐系統(tǒng)運行取得以下效果[5]：

(1)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，運行率高，作業(yè)率可達98%以上；

(2)熱穩(wěn)定性好，床能力高，能夠達7-8t/m2.d；

(3)智能化水平高，操作人員精減，較109m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐系統(tǒng)減員30%以上；

(4)系統(tǒng)密閉生產(chǎn)，環(huán)境友好；

(5)適應(yīng)能力強，能夠處理含鋅、硫、鉛等成分波動范圍較大的鋅精礦；

(6)綜合利用水平高，熱能的回收利用水平高，鋅的回收率達99.9%以上。

5 小結(jié)

通過一系列的技術(shù)改進和生產(chǎn)控制優(yōu)化，系統(tǒng)自動化程度高、原料適應(yīng)性強、運行穩(wěn)定高效，并且實現(xiàn)環(huán)境友好。鋅精礦流態(tài)化焙燒爐實現(xiàn)了順利投產(chǎn)，并在投產(chǎn)當年基本實現(xiàn)了達產(chǎn)目標，焙燒爐的處理能力和產(chǎn)品質(zhì)量均達到了預(yù)期目標。