淺談銅冶煉廠白煙塵自燃危害及預(yù)防

蘇江峰,方項(xiàng)林,陳儒稼,申 健,呂鑫寬

(國(guó)投金城冶金有限責(zé)任公司,河南 靈寶 472500)

0 前言

國(guó)投金城冶金有限責(zé)任公司年處理綜合礦粉70 萬(wàn)t,年產(chǎn)陰極銅10 萬(wàn)t,采用三聯(lián)爐先進(jìn)工藝,其中熔煉爐采用富氧底吹造锍熔煉自熱爐,其熔煉過程中,產(chǎn)生的熱量絕大部分來自于各種原料之間相互反應(yīng)所釋放的熱量。熔煉爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)熔煉余熱鍋爐降溫,進(jìn)入電除塵器設(shè)備進(jìn)行煙氣凈化,經(jīng)電場(chǎng)收集后的白煙塵,經(jīng)過溢流螺旋、刮板機(jī)輸送后,使用編織噸包袋在接灰口進(jìn)行人工包裝或經(jīng)過倉(cāng)式泵氣力輸送設(shè)備輸送至打包站進(jìn)行集中包裝。包裝后的白煙塵,臨時(shí)存放于白煙塵打包站內(nèi)。碼放整齊的白煙塵由于成分的復(fù)雜性會(huì)發(fā)生自燃現(xiàn)象,部分白煙塵存放1～2 天內(nèi)會(huì)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象,部分白煙塵在放置10～20 天后,仍會(huì)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。白煙塵自燃后,不斷放熱及引燃,引燃包裝袋及周邊存放的白煙塵,易發(fā)生火災(zāi)等安全事故,存在較大安全隱患。白煙塵自燃會(huì)產(chǎn)生大量含有二氧化硫及三氧化二砷蒸氣的有毒氣體,對(duì)儲(chǔ)存場(chǎng)地周邊環(huán)境存在污染,影響作業(yè)人員的身體健康,造成極大危害。處理白煙塵自燃事故增加了包裝袋消耗,增加了人員勞動(dòng)強(qiáng)度,由于包裝袋的破損及高溫環(huán)境,其作業(yè)環(huán)境較差、工作量繁重、作業(yè)難度較大。

1 白煙塵的產(chǎn)生

白煙塵是銅火法冶煉過程中熔煉或吹煉過程中熔煉電除塵器或吹煉電除塵器收集產(chǎn)出的冶煉副產(chǎn)品,其成分含銅5%～15%,含鉛30%～50%,含鋅2%～10%,含砷1%～10% 并富含金銀等有價(jià)元素。

2 白煙塵的自燃

2.1 燃燒的三要素

燃燒的基本條件:有可燃物、有助燃物、有著火源。

2.2 自燃的概念

根據(jù)熱源的不同,物質(zhì)自燃分為自熱自燃和受熱自燃兩種。在一般條件下,可燃物質(zhì)和空氣接觸都會(huì)發(fā)生緩慢氧化,因速度較慢,析出的熱量也較少,且不斷向環(huán)境中散熱,不會(huì)像燃燒那樣發(fā)出光。若溫度升高或其他條件改變,氧化過程就會(huì)加快,析出的熱量增多,不能全部散發(fā)就積累起來,隨之溫度逐步上升。當(dāng)?shù)竭_(dá)該物質(zhì)燃燒的最低溫度即該物質(zhì)著火點(diǎn)時(shí),就會(huì)自行燃燒。

3 白煙塵自燃的原因分析

白煙塵是含有銅鉛鋅等多種元素復(fù)雜原料高溫熔煉的產(chǎn)物,由于生產(chǎn)工況的不穩(wěn)定性,白煙塵中含有物質(zhì)及其化學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性較大,同時(shí)白煙塵產(chǎn)出的溫度較高。白煙塵的自燃指白煙塵在自然環(huán)境存放過程中,白煙塵中某種可燃物質(zhì)與空氣接觸導(dǎo)致自熱自燃,由于熱量積累及環(huán)境溫度高于其燃點(diǎn)溫度后,白煙塵產(chǎn)生燃燒現(xiàn)象,到達(dá)較高溫度后,引燃白煙塵中其他可燃成分。白煙塵自燃根本原因在于其中存在易氧化自熱、低燃點(diǎn)的物質(zhì),白煙塵即產(chǎn)即包,集中堆存,其自身的溫度無法得到有效散發(fā)及降低,導(dǎo)致白煙塵接觸空氣后發(fā)生燃燒現(xiàn)象。具體原因如下:

3.1 白煙塵中存在易氧化自熱、低燃點(diǎn)的物質(zhì)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際發(fā)現(xiàn),在熔煉電除塵器產(chǎn)出的白煙塵顏色發(fā)黑時(shí),化驗(yàn)硫含量升高時(shí)容易出現(xiàn)白煙塵二次自燃的現(xiàn)象。經(jīng)對(duì)比化驗(yàn)其成分,黑色白煙塵與入爐的原料成分較為接近。

由于熔煉爐在冶煉過程中,在原料燃燒不充分或系統(tǒng)負(fù)壓較高,會(huì)導(dǎo)致一部分未經(jīng)燃燒的原料進(jìn)入熔煉電除塵器設(shè)備被收集下來,與白煙塵摻雜在一起,進(jìn)行包裝。

因原料中含有硫化亞鐵、二氧化硅等造渣放熱原料,同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生單質(zhì)硫等成分,其氧化亞鐵及鐵的其他硫化物在空氣中受熱或光照時(shí),會(huì)發(fā)生如下氧化自熱自燃反應(yīng):

硫化亞鐵的著火點(diǎn)很低,通常約在50 ℃,硫化亞鐵的形成伴隨一定量的單質(zhì)硫產(chǎn)生,硫化亞鐵與單質(zhì)硫彼此之間具有協(xié)同作用,即硫化亞鐵的自熱氧化釋放的熱量使其內(nèi)部的單質(zhì)硫發(fā)生自熱自燃,從而放出大量熱量進(jìn)而促使硫化亞鐵自燃。在350～400 ℃情況下,單質(zhì)硫很容易與鐵直接化合生成FeS。在這個(gè)溫度下,H2S 可以發(fā)生分解:H2S→S+H2分解出的活性硫和鐵的作用極強(qiáng)烈。硫化亞鐵在潮濕空氣中氧化時(shí),二價(jià)鐵離子被氧化成三價(jià)鐵離子,負(fù)二價(jià)硫氧化成四價(jià)硫,放出大量的熱量。由于局部溫度升高,加速周圍硫化亞鐵的氧化,形成連鎖反應(yīng)。

3.2 白煙塵即產(chǎn)即包,煙塵自帶熱量無法有效散失

國(guó)投金城冶金有限責(zé)任公司由于其熔煉系統(tǒng)處理多金屬?gòu)?fù)雜金銅精礦的復(fù)雜性,電除塵器出口煙氣溫度在360～370 ℃,其產(chǎn)出的白煙塵經(jīng)過溢流螺旋絞龍及刮板機(jī)輸送使用下灰口進(jìn)行包裝,或由倉(cāng)式泵氣力輸送設(shè)備輸送至白煙塵打包站進(jìn)行包裝,由于即產(chǎn)即包,白煙塵自身的熱量無法有效散失,包裝后,其內(nèi)部溫度散熱過慢,最高可達(dá)130 ℃,在打包站包裝的白煙塵其內(nèi)部溫度維持在30～50 ℃,給白煙塵中含有的硫化亞鐵自熱自燃及單質(zhì)硫等自燃提供了反應(yīng)條件,在接觸空氣后會(huì)發(fā)生氧化自燃現(xiàn)象。在下灰口包裝的白煙塵發(fā)生自燃現(xiàn)象的概率遠(yuǎn)高于在白煙塵打包站包裝的白煙塵。

3.3 白煙塵包裝期間伴隨的空氣,為自燃提供了反應(yīng)條件

電除塵器收集的白煙塵煙灰粒徑較小,其含有的硫化亞鐵、單質(zhì)硫等易氧化物質(zhì)粒徑也比較小,灰粒的比表面積增大,在包裝期間進(jìn)入的空氣能均勻吸附到硫化亞鐵、單質(zhì)硫等易氧化物質(zhì)顆粒的表面上,倉(cāng)式泵輸送使用的氣源是壓縮空氣,在輸送過程中,壓縮空氣與白煙塵充分接觸,擴(kuò)散至灰粒之間,白煙塵中硫化亞鐵、單質(zhì)硫等易燃物質(zhì)與壓縮空氣中的氧氣充分接觸,氧氣能均勻吸附到硫化亞鐵顆粒的表面上,導(dǎo)致硫化亞鐵的自燃的溫度降低,為其氧化、自燃提供了條件。

4 白煙塵自燃的危害

白煙塵中未充分燃燒的硫化物或單質(zhì)硫進(jìn)行二次燃燒,會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化硫氣體,污染環(huán)境,對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)損害較大,易引發(fā)支氣管炎、哮喘、肺氣腫等現(xiàn)象。在處理過程中由于白煙塵具有質(zhì)量輕、密度小,易漂浮在空中、易吸附的特點(diǎn),當(dāng)皮膚沾滿煙灰時(shí),可引發(fā)起皮炎,尤其夏季人體出汗多,煙灰容易堵塞毛孔,引起毛囊炎;還通過呼吸進(jìn)入肺部,引起肺部病變,長(zhǎng)期大量吸入可引起塵肺。

白煙塵包裝后在打包站內(nèi)集中存放,是引發(fā)重大火災(zāi)的安全隱患。同時(shí)車輛在長(zhǎng)途運(yùn)輸過程中,易造成車輛著火,導(dǎo)致交通事故。

白煙塵的自燃導(dǎo)致作業(yè)人員的工作量大幅度增加,在處置過程中,白煙塵飛揚(yáng)、高溫等作業(yè)環(huán)境惡劣、工作強(qiáng)度大、作業(yè)量大、人工成本極大增加,進(jìn)行二次包裝,包裝成本增加。

在生產(chǎn)中,電除塵器進(jìn)口氧濃瞬間升高的情況下,黑色白煙塵易在電除塵器內(nèi)部進(jìn)行二次燃燒,造成電除塵器陽(yáng)極板局部變形,走道積灰,對(duì)電除塵器設(shè)備的使用壽命造成極大的損害。黑色煙塵比重較大,易造成掛壁現(xiàn)象,設(shè)備漏風(fēng)現(xiàn)象也會(huì)引起白煙塵二次燃燒,其燒結(jié)后極易造成灰斗堵塞,由于白煙塵中各種金屬的存在,燒結(jié)冷卻后,在灰斗內(nèi)部形成高硬度結(jié)焦,人工清理時(shí)難度較大,嚴(yán)重影響設(shè)備安全運(yùn)行。

5 預(yù)防措施

(1)消除白煙塵中自熱自燃物質(zhì)

白煙塵中硫化亞鐵、單質(zhì)硫等自熱自燃物質(zhì)的存在,是導(dǎo)致白煙塵自燃的最主要因素。針對(duì)原料配礦進(jìn)行調(diào)整,同時(shí)加強(qiáng)熔煉系統(tǒng)對(duì)爐內(nèi)原料燃燒的控制,在上升煙道處采取適量補(bǔ)氧措施,使可燃物質(zhì)在進(jìn)入余熱鍋爐之前充分燃燒及氧化,同時(shí)檢查處理鍋爐漏風(fēng)現(xiàn)象,控制電除塵器進(jìn)口氧濃大于3%,最佳控制區(qū)間在3%～8%,白煙塵顏色控制為灰白色,避免硫化亞鐵、單質(zhì)硫等自熱自燃物質(zhì)進(jìn)入電除塵器,消除白煙塵中自熱自燃物質(zhì)的存在。

(2)降低包裝白煙塵溫度

電除塵器產(chǎn)出白煙塵減少下灰口直接包裝,盡量使用倉(cāng)式泵輸送至白煙塵至打包站灰倉(cāng),并儲(chǔ)存在灰倉(cāng)內(nèi),禁止即產(chǎn)即包,讓白煙塵冷卻1～3 h 后,采取儲(chǔ)存集中包裝方案,使白煙塵通過低溫輸送氣體及灰倉(cāng)除塵系統(tǒng)的抽風(fēng),達(dá)到熱量的有效散失,從而降低白煙塵包裝溫度。同時(shí)減少工作人員在粉塵環(huán)境的停留時(shí)間,改善了其工作環(huán)境,提升了人員的工作效率。

(3)倉(cāng)式泵輸送氣源由壓縮空氣改為氮?dú)?/p>

氮?dú)鉃槎栊詺怏w,國(guó)投金城冶金公司有效利用制氧站多余氮?dú)鈿庠?氮?dú)庵械暮趿繋缀鯙榱?在輸送過程中與白煙塵充分接觸,對(duì)白煙塵起到保護(hù)作用,使其不易氧化,從而降低了白煙塵自燃的機(jī)率。壓縮空氣中氧含量及水分含量均高于氮?dú)?在輸送過程中,易造成白煙塵在倉(cāng)式泵倉(cāng)室內(nèi)自燃結(jié)塊兒或發(fā)潮發(fā)粘,導(dǎo)致輸灰管道粘壁,管徑縮小甚至堵塞,氮?dú)庵醒鹾考八趾烤^低,改用氮?dú)夂笳彻芎投氯F(xiàn)象有效消除,倉(cāng)式泵運(yùn)轉(zhuǎn)率由65%提升至99%。

6 結(jié)論

經(jīng)過上述方案的實(shí)施,目前國(guó)投金城冶金公司復(fù)雜多金屬金銅精礦熔煉吹煉系統(tǒng)電除塵器白煙塵自燃等問題得到有效解決,在同行業(yè)相關(guān)企業(yè)中具有較高的推廣意義。