銅冶煉閃速爐精礦噴嘴優(yōu)化與改造的生產(chǎn)實(shí)踐

馬永明

（紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 龍巖 364200）

閃速爐煉銅中，干燥的銅精礦與溶劑以及富氧空氣通過精礦噴嘴噴射入閃速爐反應(yīng)塔中進(jìn)行混合并產(chǎn)生激烈反應(yīng)，從而生成冰銅和爐渣。精礦噴嘴的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)銅精礦的著火點(diǎn)、反應(yīng)塔內(nèi)回流量、爐內(nèi)Fe3O4的生成與結(jié)瘤及煙灰發(fā)生率產(chǎn)生顯著影響[1，2]。紫金銅業(yè)閃速爐于2011年12月投產(chǎn)，初始設(shè)計(jì)采用中央擴(kuò)散型噴嘴（CJD），設(shè)計(jì)產(chǎn)量20萬噸。近年來隨著產(chǎn)能的提升，原設(shè)計(jì)精礦噴嘴難以滿足銅閃速爐生產(chǎn)的要求，嚴(yán)重影響閃速爐各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)的提升。

1 閃速爐工藝及精礦噴嘴簡(jiǎn)介

1.1 閃速爐工藝簡(jiǎn)介

閃速熔煉將富氧空氣隨干燥的精礦、石英溶劑通過反應(yīng)塔頂部的精礦噴嘴噴入閃速爐的反應(yīng)塔空間，使原料在高溫氧化性氣流的作用下迅速熔化、分解和氧化，生成冰銅、爐渣和煙塵的反應(yīng)過程。其原理主要為：

1.2 精礦噴嘴簡(jiǎn)介

精礦噴嘴是閃速爐的核心設(shè)備，干精礦、溶劑、煙塵及富氧空氣通過精礦噴嘴噴射入爐內(nèi)，精礦噴嘴的結(jié)構(gòu)與性能直接影響著閃速爐整體運(yùn)行。因此，閃速熔煉自50年代發(fā)展至今，精礦噴嘴也在不斷的發(fā)展完善。20世紀(jì)70年代以前精礦噴嘴主要是文丘里噴嘴，1971年閃速爐開始實(shí)行富氧熔煉后，由芬蘭奧托昆普公司研制成功的中央擴(kuò)散型精礦噴嘴，成為大部分閃速熔煉工藝采用的噴嘴。中央擴(kuò)散型精礦噴嘴由殼體、調(diào)風(fēng)錐、分配器、分散錐、中央氧槍及內(nèi)部冷卻水管等組成。

圖1 精礦噴嘴結(jié)構(gòu)圖

2 原精礦噴嘴存在的問題及影響

通過對(duì)原中央擴(kuò)散型噴嘴（CJD）進(jìn)行分析，原精礦噴嘴分配器為直齒翅片，分配風(fēng)環(huán)為單排直孔型。當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致精礦在反應(yīng)塔中停留時(shí)間不足，精礦分散不均勻，物料偏析嚴(yán)重。對(duì)于部分著火點(diǎn)高的國內(nèi)礦，爐內(nèi)甚至出現(xiàn)“下生料”現(xiàn)象，造成爐內(nèi)渣銅不分，排放困難，熔池變小。少部分未完全反應(yīng)銅精礦被爐內(nèi)氣流帶至后方煙灰處理工序，導(dǎo)致閃速爐鍋爐、鵝頸煙道、沉塵室及電收塵積灰嚴(yán)重[3]。國內(nèi)各冶煉廠紛紛著手對(duì)精礦噴嘴進(jìn)行改造，取得了一定的成果[4-7]。

3 精礦噴嘴分配器的優(yōu)化改造

3.1 對(duì)分配器翅片的改造

為提高銅精礦在閃速爐反應(yīng)塔中停留時(shí)間，加長反應(yīng)物料的反應(yīng)時(shí)間，將原中央擴(kuò)散型噴嘴直翅片更改為螺旋翅片。通過不斷調(diào)整螺旋起點(diǎn)，螺旋長度，螺旋角度等參數(shù)并試驗(yàn)，最終確定螺旋翅片分配器下方1000mm處開始螺旋，螺旋角度90°時(shí)，對(duì)爐內(nèi)反應(yīng)效果較好。同時(shí)，螺旋型翅片可改變來料落點(diǎn)，使得來料方向中部集中的物料隨著螺旋的軌跡分散落于側(cè)方及后方，增強(qiáng)了反應(yīng)塔物料的均勻性。

改造圖如圖2所示：

圖2 原精礦噴嘴中央分配器（左一）及其精礦在反應(yīng)塔中的布料情況（右上）。與改造后的精礦噴嘴中央分配器（左二）及其精礦在反應(yīng)塔中的布料情況（右下）對(duì)比圖

圖3 原精礦噴嘴分配器（左）與改造后噴嘴分配器（右）實(shí)物對(duì)比圖

3.2 對(duì)分配器分配風(fēng)環(huán)的改造

圖4 分配風(fēng)環(huán)實(shí)物圖及分配風(fēng)改造前后對(duì)比圖，中圖為改造前分配風(fēng)風(fēng)向示意圖，右圖為改造后分配風(fēng)風(fēng)向示意圖

原分配器分配風(fēng)環(huán)為單環(huán)結(jié)構(gòu)，為增強(qiáng)銅精礦的分散性，加強(qiáng)銅精礦、溶劑與富氧空氣的混合效果，先后試驗(yàn)了單排孔孔徑改造，單排孔內(nèi)部方向改造，雙排孔改造，雙排孔內(nèi)部方向改造等。經(jīng)過數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。確定雙排孔，45°傾角分配風(fēng)環(huán)效果較好。改造后，分配風(fēng)風(fēng)向由原來的中心直接發(fā)散型改為傾角45度向外，配合翅片改造可以使得精礦在反應(yīng)塔中呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)分布，精礦在橫截面上分布更均勻。此外，改造后分配風(fēng)環(huán)出風(fēng)面積較改造前減少了三分之一，在同樣的風(fēng)量下可以產(chǎn)生更大的風(fēng)壓，射入爐內(nèi)的物料分散更均勻。

4 噴嘴改造使用對(duì)比

為保障投料效果，采用同樣精礦成分，相似生產(chǎn)條件對(duì)原精礦噴嘴及改造后的精礦噴嘴進(jìn)行對(duì)比分析，工藝參數(shù)如表1所示。

表1 精礦噴嘴對(duì)比分析生產(chǎn)參數(shù)

4.1 閃速爐爐況對(duì)比分析

在同等配料單的使用下，兩種分配器使用后的檢尺均正常，分離清晰，均未出現(xiàn)爐況問題。爐前銅渣排放均正常。渣含銅無明顯區(qū)別。但使用原噴嘴時(shí)上升煙道燒嘴內(nèi)部較容易結(jié)焦，容易堆積，需要點(diǎn)化石燃料維護(hù)。使用改造后的噴嘴上升煙道燒嘴內(nèi)部結(jié)焦情況較少，上升煙道燒嘴較容易維護(hù)，證明精礦噴嘴改造后，整體爐內(nèi)反應(yīng)效果有了較好的提升，煙塵較不容易在上升煙道粘結(jié)。

4.2 鍋爐結(jié)灰情況分析

使用原精礦噴嘴鍋爐擋渣屏結(jié)灰較嚴(yán)重，結(jié)灰粘性較大，最厚的結(jié)灰達(dá)到20cm左右，日常和爐內(nèi)點(diǎn)檢清理難度較大。

圖5 使用原噴嘴鍋爐區(qū)域煙灰粘結(jié)情況

使用改造后的精礦噴嘴鍋爐擋渣屏結(jié)灰較疏松，厚度3cm～4cm，較容易清理。鍋爐開口部維護(hù)較好，鍋爐、沉塵室及電收塵結(jié)灰情況及需要清理頻次明顯下降。

圖6 使用改造后的噴嘴鍋爐區(qū)域粘結(jié)情況

從熔池及煙塵系統(tǒng)狀態(tài)分析，精礦噴嘴改造后，使用期間爐內(nèi)生產(chǎn)正常，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)帶來不利影響。噸耗氧明顯增加，且閃速爐整體煙灰發(fā)生率從7.8%下降到5.8%，證明銅精礦在爐內(nèi)反應(yīng)更為充分。上升煙道、鍋爐及電收塵系統(tǒng)結(jié)灰情況有明顯改善。

5 精礦噴嘴改造效果分析

使用ANSYS軟件對(duì)改造后精礦噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬，探討使用改造后精礦噴嘴時(shí)爐內(nèi)情況。如圖7所示。

圖7 新精礦噴嘴沿爐長方向速度云圖及速度矢量圖

圖8 反應(yīng)塔不同高度橫截面氧氣濃度分布

圖9 閃速爐內(nèi)顆粒相運(yùn)動(dòng)軌跡及顆粒運(yùn)動(dòng)分布圖

從新精礦噴嘴沿爐長方向速度云圖及速度矢量圖可以看出反應(yīng)塔內(nèi)氣流集中于反應(yīng)塔中心一定范圍內(nèi)，但在反應(yīng)塔中存在明顯回流。

結(jié)合以上數(shù)值模擬結(jié)果可以分析得出：中央擴(kuò)散型噴嘴螺旋齒片分配器通過螺旋齒片使得物料外旋，形成料層內(nèi)部真空氣流反旋，進(jìn)一步縮減物料在反應(yīng)塔內(nèi)部反應(yīng)的物料偏析，以達(dá)到反應(yīng)程度的穩(wěn)步均勻。足夠的分配風(fēng)將進(jìn)一步分配器投影正下方位置的小顆粒與大顆粒物料送至反應(yīng)區(qū)域，達(dá)到反應(yīng)集中、更好完成碰撞交互反應(yīng)的效果。精礦反應(yīng)更為完全，使得煙塵發(fā)生率進(jìn)一步降低，且熔融態(tài)與半熔融態(tài)煙塵能夠在鍋爐合理分布，使得鍋爐內(nèi)部基本不結(jié)塊。

6 結(jié)論

本次改造的精礦噴嘴在提高反應(yīng)效率，減少物料在反應(yīng)塔內(nèi)偏析，降低煙灰發(fā)生率等方面具有較好的效果。改造后的精礦噴嘴對(duì)于銅精礦的適應(yīng)性有一定的提升，改善了閃速爐煙塵性質(zhì)，對(duì)于上升煙道及后部鍋爐、沉塵室、電收塵等設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行有較好的幫助。