冶煉廠動力波系統(tǒng)長周期運行的優(yōu)化實踐研究

蘇鳳來，王國標，黃兆驅，趙 永

（紫金礦業(yè)集團穆索諾伊礦業(yè)簡易股份有限公司，剛果（金） 盧瓦拉巴）

銅是一種金屬元素，密度為8.92 g/cm3，熔點可達1 083 ℃，沸點可達2 567 ℃，以上性質使得銅具有較高的熱導率、電導率以及較強的化學穩(wěn)定性。另外，銅的抗拉強度最高可達50 kg/mm2，因此它在延展性、可塑性以及耐蝕性方面具有較強的優(yōu)越性。銅可與鉛、鋅、錳、錫、鋁、鎳、鈷、鐵等金屬形成合金，有利于熔接。銅具有優(yōu)越的物理化學性能，被廣泛應用于電氣、輕工、機械制造、建筑工業(yè)、國防工業(yè)等領域，是中國有色金屬材料中消費量僅次于鋁的金屬。

剛果（金）蘊藏多種有色金屬、稀有金屬和非金屬礦，重要有色金屬超過20 種，包括鈷、銅、錳、鈾、鉭、鋅、錫、鉻、鍺、鎘等，其中銅儲量約為7 500 萬t，占全球的15%，鈷礦儲量為450 萬t，占全球儲量的一半，其在世界上占有重要地位，被稱為世界原料倉庫。某礦業(yè)集團積極響應國家“走出去”發(fā)展戰(zhàn)略，于2014年12月收購剛果（金）某礦業(yè)公司，成為其控股股東。該礦業(yè)公司擁有的礦山以氧化銅為主，采用浮選-熔煉后得到粗銅和冰銅[1]，該工藝浮選后得到的氧化銅品位可達23%，氧化銅經兩臺風口區(qū)斷面面積11.6 m2的密閉鼓風爐熔煉得到產品，同時回收熔煉過程產生的煙塵。

銅精礦和生產輔料焦炭含有0.6%～1.0%的硫，還原熔煉過程不可避免地會生成SO2，故鼓風爐煙氣經重力和離心力初步收塵后，還需經過動力波酸堿中和收塵，經過脫硫后達到排放要求。投產初期，該套動力波系統(tǒng)在長周期運行時經常出現(xiàn)噴嘴堵塞、填料塔格柵壓差上升等問題，嚴重影響鼓風爐的安全平穩(wěn)運行。動力波系統(tǒng)為冶煉廠濕式收塵除硫系統(tǒng)，承擔著收塵和除硫的雙重任務，即經濟效益+環(huán)境效益，它是收塵的最后一道工序，也是環(huán)境保護的核心工序，因此該系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運行至關重要。

1 動力波洗滌技術

1.1 動力波原理

20世紀70年代，美國首先研發(fā)出動力波煙氣洗滌技術，但該技術當時僅應用于小范圍內的工業(yè)煙塵處理，應用范圍窄，應用量小。后來，美國認識到該技術的價值，對其進行可行性研究，率先建成并成功運行世界上第一臺動力波煙氣洗滌工業(yè)裝置[2]。動力波煙氣洗滌技術原理[3]是運用流體力學理論，氣體能量流和液體能量流在動力波反應器的逆噴管中相遇，在氣液兩相的相互作用下，氣體通道中建立巨大的泡沫層，利用泡沫層氣液接觸面積大、更新速度快的特點，進行高效的傳熱傳質，另外，逆噴管內形成的泡沫層可以隨氣液動量的變化在逆噴管內上下運動，以適應不同煙氣量的變化[4]。

1.2 動力波系統(tǒng)結構

該冶煉廠采用的動力波系統(tǒng)主要由一級動力波和二級動力波組成，整套系統(tǒng)由耐腐蝕的304 不銹鋼制造而成，布置于排煙系統(tǒng)的最末端。一級動力波設置有逆向噴射洗滌塔，內部安裝有向上的噴嘴，堿性循環(huán)液通過噴淋泵從噴嘴噴出在上方形成氣液傳質區(qū)域，堿液與進入動力波系統(tǒng)的煙氣形成逆流噴射。在一級動力波區(qū)域，煙氣得到降溫并能脫除大部分的SO2與粉塵。堿性循環(huán)液自流至循環(huán)槽內，通過循環(huán)泵進入二級動力波內，通過填料逐層下落與經一級動力波凈化后的煙氣再次形成逆流交互傳質，最終煙氣通過二級動力波頂部的捕沫器除去水霧，然后經引風機達標排放。該套動力波系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 動力波系統(tǒng)結構

1.3 動力波系統(tǒng)的優(yōu)點

動力波系統(tǒng)是一種氣-液直接接觸傳質設備，同時能達到煙氣降溫效果，具有突出優(yōu)點[5-6]。一是煙氣處理量大。利用泡沫洗滌技術接觸面積大的優(yōu)勢，凈化除塵效率高（大于99%），相對于高塔等傳統(tǒng)設備，能以較低能量獲得較高的除塵率。二是氣量波動范圍大。洗滌塔面積大，泡沫可隨氣體量上下浮動，以適應不同的氣體流量，處理的氣體量可在50%～100%范圍內變化，而不降低除塵率。該氣體除塵設備具有造價低、易安裝、占地面積小等優(yōu)勢。氣體入口為噴嘴設計，可使得動力波反應器的逆噴管氣體流速大，氣液暢通，設備可靠性好，運行周期長?？烧{節(jié)循環(huán)液，以滿足不同條件的尾氣達標排放要求，滿足各種環(huán)保要求。

2 動力波系統(tǒng)長周期運行的影響因素

鼓風爐所產生的煙氣在進入動力波系統(tǒng)凈化之前只進行簡單的重力收塵和旋風收塵，進入動力波系統(tǒng)的含塵量經常超過200 mg/Nm3。動力波系統(tǒng)配置1 臺過濾面積60 m2的板框壓濾機，循環(huán)液在沉降池沉淀后底流開路能力不足，經常造成循環(huán)堿液含固量超標。這導致動力波填料塔噴頭及各支管堵塞，造成堿液循環(huán)總量下降，進一步造成填料堵塞、透氣性變差，最終使得填料塔氣液接觸面積和停留時間不夠，影響填料塔脫硫除塵效果[7]。經重力收塵和旋風收塵后，未凈化的細小粉塵隨煙氣進入動力波系統(tǒng)，通過氣液傳質交互后進入循環(huán)堿液，粉塵顆粒不斷碰撞并聚集變大，形成細泥狀物質堵塞噴頭。當排煙系統(tǒng)的引風機頻率提高較大時，鼓風爐內負壓過大，造成排煙系統(tǒng)煙塵后移，大量粉塵進入動力波系統(tǒng)，循環(huán)堿液含固量迅速提高。

冶煉廠動力波系統(tǒng)采用堿中和法進行脫硫，通過添加碳酸鈉控制循環(huán)堿液pH 在7.2～7.4，但隨著礦山原礦性質的變化，氧化精礦的含硫量逐年提高，入爐精礦含硫量最高可達1%，超出鼓風爐含硫控制要求。原料含硫量增加勢必造成煙氣中SO2濃度上升，在酸堿中和過程中，亞硫酸鈉生成量同步增加，長周期運行會造成循環(huán)液內亞硫酸鈉過飽和，并在循環(huán)液內與懸浮物生成結晶，亞硫酸鈉結晶除少部分經循環(huán)液壓濾開路被去除外，其余均在系統(tǒng)內，時間一長便會在動力波填料和噴頭上析出，造成堵塞。部分外界雜質進入循環(huán)堿液，也會造成噴頭堵塞，動力波系統(tǒng)的雜質來源主要是人工補堿。動力波系統(tǒng)采用碳酸鈉維持循環(huán)液的pH，需要人工添加固體碳酸鈉（袋裝）配制堿液，其間或多或少會帶入編織袋纖維和固體碳酸鈉中的不溶性雜質。進入動力波系統(tǒng)循環(huán)堿液后，這些外界帶入的不溶性雜質極易與循環(huán)液內的懸浮物造成噴頭堵塞。

3 動力波長周期運行的優(yōu)化技改措施

經過多年生產實踐，針對影響動力波系統(tǒng)長周期運行的因素，冶煉廠管理團隊不斷地進行改進和優(yōu)化。

做好精細爐況控制，減少鼓風爐內料面捅打次數，僅捅打上火嚴重和棚料區(qū)域，降低煙氣粉塵濃度，同時通過技改將鼓風爐出口負壓和引風機頻率連鎖自動控制，及時調節(jié)引風機頻率，保持鼓風爐內微負壓環(huán)境，避免人工調整不及時而出現(xiàn)爐內負壓過大，導致煙塵后移，減少動力波系統(tǒng)的煙塵量。將動力波系統(tǒng)的循環(huán)泵吸入口由原來的罐底上移至距罐底1 m 位置，避免循環(huán)槽底部含固量高的堿液進入系統(tǒng)循環(huán)，通過自然沉降將循環(huán)液內的懸浮物控制在循環(huán)槽底部，并在其底部增加6 個大型排泥口，通過每天定期排放循環(huán)液底流對含固量高的循環(huán)液進行開路，開路含固量高的底流流入新建的三級沉降池進行固液分離，上清液返回循環(huán)系統(tǒng)，高濃度分離液打回壓濾系統(tǒng)回收含銅物料，含高濃度亞硫酸鈉的濾液開路至沖渣水池。動力波系統(tǒng)格柵壓差存在上漲趨勢時，加大循環(huán)底流的開路量，增加循環(huán)液中懸浮物的開路，開路大量的循環(huán)液后，要重新補充循環(huán)液，以降低動力波系統(tǒng)循環(huán)液內亞硫酸鈉濃度，減少過飽和結晶析出。

利用鼓風爐定期檢修停風的契機，定期用高壓水沖洗二級動力波塔內的填料，減少填料表面的黏結物，增加填料透氣性。通過二級動力波循環(huán)液的噴淋壓力判斷噴頭堵塞情況，在噴淋壓力上漲至0.15 MPa以上時，利用停風檢修間隔進入二級動力波塔內對堵塞的噴頭進行清理或更換，以確保堿液循環(huán)噴淋效果。在碳酸鈉溶堿池固體加堿口和沉降槽溢流堰出口等位置安裝鋼絲網，在系統(tǒng)外部對循環(huán)堿液進行有效過濾，杜絕碳酸鈉包裝袋和其他雜質進入系統(tǒng)內部循環(huán)液，減少編織袋纖維堵塞填料塔噴嘴的概率。將循環(huán)液pH 調節(jié)和補充堿液泵啟停建立自控連鎖，及時補加堿液，準確調節(jié)循環(huán)液pH，確保循環(huán)液pH 的穩(wěn)定性，以免堿液過量造成系統(tǒng)結晶堵塞噴頭。

4 優(yōu)化后實際運行效果

2022年，在冶煉廠鼓風爐的全生命周期運行中，動力波系統(tǒng)運行平穩(wěn)，其間沒有因噴頭堵塞或二級動力波內格柵壓差過大而被迫停風對動力波系統(tǒng)進行檢修。按冶煉廠歷史生產實踐，當格柵壓差增大時，每三個月需要停風重新更換填料，每次作業(yè)時間為6 h，對作業(yè)率的影響不大。通過優(yōu)化，減少鼓風爐停機檢修時間，提升單臺鼓風爐氧化精礦處理量和冶煉廠的經濟效益。

5 結語

經過多年的生產實踐，該冶煉廠動力波系統(tǒng)得到持續(xù)優(yōu)化和改進，動力波噴頭堵塞明顯減少，填料透氣性得到保持，在保證鼓風爐作業(yè)環(huán)境安全的前提下，避免生產中被迫停機更換噴頭和填料。整個動力波系統(tǒng)在鼓風爐一個生產周期內無須停風大修，提高設備年度運轉率，提高單臺設備年度氧化精礦處理量，降低噸銅成本。