側(cè)吹爐煙氣處理系統(tǒng)的技術(shù)改造*

周亮亮，楊衛(wèi)嚴(yán)，連明磊

（1.中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031；2.六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004）

1 引言

富氧側(cè)吹熔煉工藝具有投資小、物料處理能力強(qiáng)、操作簡單、環(huán)保效果好等特點，充分適應(yīng)我國產(chǎn)能分散、精礦雜質(zhì)高、成分復(fù)雜等狀況［1-2］。目前側(cè)吹爐工藝已非常成熟并廣泛應(yīng)用于高鉛渣還原、銅精礦冶煉和其他一些原料的處理領(lǐng)域，同時還逐漸擴(kuò)展到錫冶煉、銻冶煉、垃圾焚燒、固廢處理及尾渣提鐵等領(lǐng)域［3］。富氧側(cè)吹熔煉工藝原型來源于前蘇聯(lián)瓦紐科夫教授的一項技術(shù)發(fā)明［4］。

華東某銅冶煉廠是一家具有近40 年歷史，專業(yè)從事銅冶煉生產(chǎn)的企業(yè)。為了滿足企業(yè)多元化的發(fā)展需求，該企業(yè)計劃拆除1 臺現(xiàn)有的反射爐，并在充分利用反射爐現(xiàn)有煙氣處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新建1 臺富氧側(cè)吹爐?，F(xiàn)有煙氣處理系統(tǒng)的工藝流程為：反射爐出口煙氣→余熱鍋爐→空氣冷卻器→布袋收塵器→排風(fēng)機(jī)→煙囪。

新建的側(cè)吹爐投產(chǎn)運行后，現(xiàn)有的煙氣處理系統(tǒng)出現(xiàn)一系列的問題：（1）布袋收塵器入口溫度高達(dá)250℃，導(dǎo)致濾袋溫度超過了200℃的耐溫極限；（2）排風(fēng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，側(cè)吹爐爐膛仍處于正壓狀態(tài)，逸出的含SO2煙氣和含PbO 煙塵造成了廠房內(nèi)的環(huán)境污染；（3）側(cè)吹爐出口管段和余熱鍋爐輻射部積塵較嚴(yán)重，需要采用彈簧振打錘裝置清除受熱面的積塵［5］。根據(jù)現(xiàn)場實測，側(cè)吹爐出口煙氣波動達(dá)到38.5%，煙氣溫度高達(dá)1800 ℃，煙氣含水率10.15%，含塵濃度163.62 g/Nm3。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)并進(jìn)行單因素實驗，找到了適宜新建側(cè)吹爐和現(xiàn)有煙氣處理系統(tǒng)的最佳運行條件，為同類型工藝避免出現(xiàn)或處置解決類似問題提供了參考和借鑒。

2 煙氣處理系統(tǒng)

2.1 側(cè)吹爐出口煙氣狀況

華東某銅冶煉廠新建的側(cè)吹爐爐床面積約4.8 m2，用于回收含銅物料中的有價金屬，側(cè)吹爐出口煙氣狀況如表1 所示。

表1 側(cè)吹爐出口煙氣狀況

2.2 現(xiàn)有煙氣處理設(shè)備技術(shù)規(guī)格

現(xiàn)有煙氣處理系統(tǒng)的主要設(shè)備有余熱鍋爐、空氣冷卻器、布袋收塵器和排風(fēng)機(jī)，各設(shè)備技術(shù)規(guī)格如表2 所示。

表2 煙氣處理系統(tǒng)主要設(shè)備規(guī)格

由表1、表2 可知，新建側(cè)吹爐出口煙氣量（10827～15000 Nm3/h，煙氣波動達(dá)到38.5%）和煙氣溫度（1800 ℃），均超過了余熱鍋爐的額定入口煙氣處理量（14000 Nm3/h）和煙氣溫度（1300 ℃）。

2.3 側(cè)吹爐煙氣處理工藝流程

為了解決側(cè)吹爐出口最大煙氣量、煙氣溫度均超過了余熱鍋爐原有的額定處理能力的問題，在側(cè)吹爐出口、余熱鍋爐入口之間的煙管上增加了冷卻水噴頭，使煙氣溫度從1800 ℃驟冷降到1200 ℃，并進(jìn)入余熱鍋爐冷卻降溫，然后再進(jìn)入空氣冷卻器強(qiáng)制降溫；同時在空氣冷卻器出口煙管上設(shè)置調(diào)節(jié)閥吸入冷空氣，以此確保通過空氣冷卻器出口的煙氣溫度降到150 ℃以內(nèi)后，再進(jìn)入到布袋收塵器中凈化，最后由排風(fēng)機(jī)排入煙囪。

煙氣處理工藝流程簡圖如圖1 所示。

圖1 煙氣處理工藝流程簡圖

3 煙氣參數(shù)的確定

3.1 側(cè)吹爐出口適宜的煙氣量

側(cè)吹爐出口煙氣量為10827～15000 Nm3/h?，F(xiàn)有余熱鍋爐的額定處理能力為Q=14000 Nm3/h，溫度T=1300℃；現(xiàn)有空氣冷卻器冷卻面積F=300 m2，溫度T=350℃。分別對以下三種類型的煙氣參數(shù)進(jìn)行計算，煙氣處理設(shè)備處理能力對比情況如表3 所示。

（1）側(cè)吹爐出口煙氣量為10827 Nm3/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度為350 ℃；

（2）側(cè)吹爐出口煙氣量為12000 Nm3/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度為350 ℃；

（3）側(cè)吹爐出口煙氣量為13000 Nm3/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度為350 ℃。

由表3 得到的結(jié)論：

表3 煙氣處理設(shè)備處理能力對比

（1）側(cè)吹爐出口適宜的煙氣量范圍為10827～12000 Nm3/h，當(dāng)煙氣量繼續(xù)增加時，現(xiàn)有煙氣處理設(shè)備的處理能力不足；

（2）因現(xiàn)有余熱鍋爐出口設(shè)計溫度為350 ℃，在該溫度下需要摻入的冷空氣量相對最少，整個煙氣處理系統(tǒng)的總煙氣量明顯是最少的，后續(xù)煙氣處理設(shè)備的負(fù)荷也最小。

3.2 余熱鍋爐出口適宜的煙氣溫度

確定了側(cè)吹爐出口適宜的煙氣量范圍（10827～12000 Nm3/h）后，再分別對以下三種類型的煙氣溫度進(jìn)行計算，煙氣處理設(shè)備處理能力對比情況如表4 所示。

表4 煙氣處理設(shè)備能力對比

（1）側(cè)吹爐出口煙氣量為10827 Nm3/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度為400 ℃；

（2）側(cè)吹爐出口煙氣量為10827 Nm3/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度為450 ℃；

（3）側(cè)吹爐出口煙氣量為12000 Nm3/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度為400 ℃。

由表4 得出結(jié)論：余熱鍋爐出口適宜的煙氣溫度范圍為350～400 ℃，當(dāng)溫度繼續(xù)增加時，現(xiàn)有煙氣處理設(shè)備的處理能力不足。

3.3 適宜的噴水量及冷空氣摻入量

（1）適宜的噴水量。

噴霧冷卻是將水霧化噴入熱態(tài)煙氣中，利用煙氣的熱量蒸發(fā)水分而降低煙氣溫度的方法。常用的裝置有噴霧煙道、噴霧塔、噴霧冷卻器等，其中噴霧煙道常用于高溫出爐煙氣［6］。

側(cè)吹爐出口適宜的煙氣量范圍為10827～12000 Nm3/h，煙氣溫度為1800 ℃；余熱鍋爐出口適宜的煙氣溫度范圍為350～400 ℃。由于現(xiàn)有余熱鍋爐技術(shù)規(guī)格為Q=14000 Nm3/h，T=1300 ℃，將導(dǎo)致余熱鍋爐冷卻元件和后續(xù)的煙氣處理設(shè)備因煙氣溫度過高而損壞，因此需要在側(cè)吹爐出口、余熱鍋爐入口之間的煙管上增加冷卻水噴頭，使煙氣溫度從1800 ℃驟冷降到1200 ℃，耗用冷卻水及壓縮空氣情況如表5 所示。

表5 耗用冷卻水及壓縮空氣情況

（2）適宜的冷空氣摻入量。

吸風(fēng)冷卻主要用于布袋收塵器入口前的煙氣冷卻，就是在煙道系統(tǒng)中裝設(shè)一個帶有調(diào)節(jié)閥的支管，支管一端與大氣相通，吸收自然風(fēng)來輔助冷卻煙氣。調(diào)節(jié)閥的控制可利用溫度控制器進(jìn)行自動操作或人工操作，從而控制吸入煙道系統(tǒng)的空氣量，以降低煙氣溫度。吸風(fēng)冷卻僅適用于降溫幅度小，且煙氣量不太大的情況，對于因增加含氧量易引起燃燒爆炸的氣體不能使用［6］。

當(dāng)側(cè)吹爐出口煙氣量為10827 Nm3/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度為350 ℃時，計算得到的空氣冷卻器冷卻面積F=488 m2，而現(xiàn)有的空氣冷卻器冷卻面積F=300 m2，處理能力不夠，換熱效果差［7］，需要在冷卻器出口設(shè)置調(diào)節(jié)閥輔助摻入冷空氣使煙氣降溫，確保布袋收塵器入口煙氣溫度控制在150℃以內(nèi)，摻入的冷空氣量及調(diào)節(jié)閥數(shù)量如表6 所示。

表6 摻入的冷空氣量

（3）布袋收塵器入口煙氣露點。

布袋收塵器主要通過棉織物、毛氈物等濾料對煙氣中的粉塵進(jìn)行過濾，促使煙氣得到有效凈化。

在煙氣的凈化流程中分為兩個環(huán)節(jié)：

①通過干凈的濾料對煙氣進(jìn)行處理，使煙氣中的粉塵滯留在濾料纖維中；

②隨著濾料表面截留的粉塵不斷增多，形成的粉塵層對煙氣中的粉塵進(jìn)行有效過濾［8］。

布袋收塵器入口布置的空氣冷卻器，在壓力和溫度降低的工況下有利于除塵。

隨著溫度的降低必須考慮腐蝕對設(shè)備的影響。布置在高含塵段的空氣冷卻器會存在積塵的問題［9］。

在一定壓力下，含有可凝組分的氣體混合物在被冷卻到一定溫度時達(dá)到氣液相平衡的臨界狀態(tài)，可凝組分在氣相中達(dá)到飽和而凝結(jié)成液體，即達(dá)到煙氣露點，此時的溫度即為露點溫度［10-11］。煙氣的露點可通過查詢空氣的飽和含水氣量表得到。布袋收塵器入口煙氣露點情況如表7 所示。

表7 布袋收塵器入口煙氣狀況

布袋收塵器入口的煙氣露點為55.7～60.2 ℃，遠(yuǎn)小于布袋收塵器的操作溫度150 ℃，布袋收塵器入口煙氣不會結(jié)露。

（4）排入煙囪的煙氣狀況。排入煙囪的煙氣狀況如表8 所示。

表8 排入煙囪的煙氣狀況

4 結(jié)論和建議

（1）本次技術(shù)改造得到的結(jié)論：側(cè)吹爐出口的適宜煙氣量范圍為10827～12000 Nm3/h，余熱鍋爐出口的適宜煙氣溫度范圍為350～400 ℃。在側(cè)吹爐出口、余熱鍋爐入口之間的煙管上的適宜噴水量為3078～3411 kg/h，壓力為0.35 MPa，壓縮空氣用量為6.04～6.70 Nm3/min，壓力為0.4～0.5 MPa，噴槍數(shù)量為4 支。在空氣冷卻器出口煙管上設(shè)置帶有調(diào)節(jié)閥的支管用以吸入冷空氣來冷卻煙氣，冷空氣摻入量10860～21560 Nm3/h，帶有調(diào)節(jié)閥的支管規(guī)格為DN700，調(diào)節(jié)閥數(shù)量為1 套。

（2）本次技術(shù)改造采取的主要技術(shù)措施：在側(cè)吹爐出口、余熱鍋爐入口之間的煙管上增加冷卻水噴頭，使煙氣溫度從1800 ℃驟冷降到1200 ℃。在空氣冷卻器出口煙管上設(shè)置調(diào)節(jié)閥吸入冷空氣，以確?？諝饫鋮s器出口溫度降到150 ℃以內(nèi)，滿足布袋收塵器入口溫度的要求。

（3）側(cè)吹爐出口、余熱鍋爐入口之間的煙管長度約8 m，煙氣停留時間僅為0.4 s，難以保證將煙氣溫度從1800 ℃驟冷降到1200 ℃。

（4）現(xiàn)有余熱鍋爐入口煙氣量為14657～16245 Nm3/h，煙氣溫度為1200 ℃，超過了余熱鍋爐設(shè)計處理能力Q=14000 Nm3/h，T=1300 ℃，而且該設(shè)備已使用了多年，難以保證將出口溫度降到350～400 ℃范圍內(nèi)。

（5）排風(fēng)機(jī)計算規(guī)格的壓頭為4800 Pa，與現(xiàn)有煙氣處理設(shè)備規(guī)格（Q=96000 m3/h，H=4800 Pa，N=200 kW）一致，建議清理現(xiàn)有設(shè)備和煙氣管道內(nèi)部的積塵，以減少煙氣處理系統(tǒng)的阻力。

（6）側(cè)吹爐出口的適宜煙氣量范圍為10827～12000 Nm3/h，余熱鍋爐出口的適宜煙氣溫度范圍為350～400 ℃，如果余熱鍋爐出口溫度過高，建議適當(dāng)增加煙管上的噴水量。