降低大型揮發(fā)窯煤焦消耗的生產(chǎn)實(shí)踐

〔摘 要〕對(duì)某新建鋅項(xiàng)目生產(chǎn)基地2臺(tái)大型揮發(fā)窯（■4 500 mm×68 000 mm）生產(chǎn)運(yùn)行成本的影響因素進(jìn)行了分析，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐從原料、配料、穩(wěn)定運(yùn)行等方面提出了管控煤焦質(zhì)量、降低浸出渣水分、精細(xì)司窯操作、優(yōu)化燃料使用等改進(jìn)措施。實(shí)踐證明，改進(jìn)措施降低了揮發(fā)窯的運(yùn)行成本，提高了浸出渣中有價(jià)金屬的回收利用，為系統(tǒng)的降本增效、穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

〔關(guān)鍵詞〕揮發(fā)窯；煤焦消耗；浸出渣；煤焦質(zhì)量；預(yù)配料

中圖分類號(hào)：TF813" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號(hào)：1004-4345（2024）04-0016-04

Production Practice of Reducing Coal Coke Consumption in Large Volatile Kilns

LIU Xiao

（Hunan Zhuye Nonferrous Metals Co.， Ltd.， Hengyang， Hunan 421500， China）

Abstract" This paper analyzes the factors affecting the production and operating cost of two large volatile kilns（■4 500 mm×

68 000mm） in a newly built zinc project production base. According to the production practice， some improvement measures were proposed to control coal coke quality， reduce water content in leaching residue， refine kiln operation， and optimize the use of fuels from the perspectives of raw materials， blending， and stable operation. It has been proved that the improvement measures have reduced the operating cost of the volatile kiln， increased the recovery and utilization of valuable metals in the leaching residue， and provided a guarantee for the system's cost reduction， efficiency improvement， and stable operation.

Keywords" volatile kiln; coal-coke consumption; leaching residue; coke quality; primary blending

鋅浸出渣中含有約20%的金屬鋅，另有少量鉛、銀、銦等有價(jià)金屬，對(duì)渣中的有價(jià)金屬進(jìn)行綜合回收可為鋅冶煉項(xiàng)目帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。某鋅項(xiàng)目生產(chǎn)基地?fù)碛?臺(tái)窯體參數(shù)為■4 500 mm×68 000 mm的大型揮發(fā)窯，每年能處理浸出渣30萬t。但在試生產(chǎn)期間，窯內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)多焦現(xiàn)象，窯渣內(nèi)含碳也較高，表明反應(yīng)不充分，煤焦燃料的利用率低。按照30萬t/a浸出渣處理量計(jì)算，煤焦單耗（處理１ t浸出渣所消耗的煤焦質(zhì)量）每降低1 kg，年煤焦消耗可節(jié)約300 t。按照煤焦單價(jià)1 500元/t計(jì)，可節(jié)約生產(chǎn)成本45萬元/t。為此，本文擬從影響揮發(fā)窯生產(chǎn)成本的因素著手進(jìn)行分析，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，提出對(duì)應(yīng)的節(jié)能降耗措施，為成本管控提供保障。

1" "揮發(fā)窯處理鋅浸出渣工藝原理

利用金屬單質(zhì)鋅沸點(diǎn)較低（907 ℃），氧化鋅沸點(diǎn)較高（2 360 ℃）的特點(diǎn)，將鋅浸出渣與焦炭混合后送往揮發(fā)窯進(jìn)行處理[1]。在窯內(nèi)，焦炭與氧氣反應(yīng)形成一氧化碳。在1 100～1 300 ℃的高溫下，浸出渣中的鋅、鉛、銀、銦、鍺等有價(jià)金屬 （主要呈氧化物狀態(tài)，部份呈硫化物狀態(tài)存在）被一氧化碳還原為金屬單質(zhì)進(jìn)入到煙氣中，并隨煙氣離開揮發(fā)窯[2-3]。在煙氣中，金屬單質(zhì)被再次氧化成氧化物后，收集進(jìn)入收塵系統(tǒng)，尾氣則經(jīng)脫硫達(dá)標(biāo)后排放到大氣中。整個(gè)過程的主要化學(xué)反應(yīng)如式（1）～式（9）所示。工藝流程圖如圖1所示。

C + O2=CO2" " " " " " " " " " " " "（1）

CO2 + C=2CO" " " " " " " " " " " " " "（2）

ZnO + CO=Zn↑+CO2" " " " " （3）

ZnO + C=Zn↑+ CO" " " " " "（4）

Fe2O3 + CO=2FeO + CO2" " " " " " " （5）

FeO + CO=Fe + CO2" " " " " " " （6）

ZnO + Fe=Zn↑+ FeO" " " " " （7）

2Zn（氣）+ O2=2ZnO" " " " " " " " （8）

2CO + O2=2CO2" " " " " " " " "（9）

2" "系統(tǒng)組成

揮發(fā)窯由配料系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)、余熱鍋爐及收塵系統(tǒng)和輔助生產(chǎn)系統(tǒng)組成，其中回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)為主體部分。

1）配料系統(tǒng)。為避免浸出渣的轉(zhuǎn)運(yùn)，壓濾車間與浸出渣倉比鄰配置。鋅浸出渣經(jīng)壓濾后直接通過皮帶卸入浸出渣倉堆存，待浸出渣自然風(fēng)干后，再由抓斗橋式起重機(jī)和前裝機(jī)將其與焦炭混合配料，確?；旌显鶆?。本項(xiàng)目配料系統(tǒng)采用3套圓盤給料機(jī)和定量給料機(jī)計(jì)量，通過皮帶送至回轉(zhuǎn)窯的窯尾加料倉。因混合渣含水較高，為解決下料問題，倉內(nèi)襯材料設(shè)計(jì)為超高分子聚乙烯板。

2）回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)。回轉(zhuǎn)窯筒體內(nèi)徑為4.5 m，長68 m，斜度為5%?；剞D(zhuǎn)窯系統(tǒng)采用單驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)，變頻調(diào)速電機(jī)功率為220 kW，窯主傳動(dòng)轉(zhuǎn)速為0.3～1.0 r/min。由于鋅浸出渣揮發(fā)時(shí)易產(chǎn)生窯結(jié)，增加窯本體的轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)荷，從而引起窯體變形，因此設(shè)計(jì)時(shí)整個(gè)筒體采用4擋支撐，并適當(dāng)加厚鋼板，以減少筒體變形。系統(tǒng)還設(shè)置了雙液壓擋輪裝置，以防止揮發(fā)窯上下竄動(dòng)。窯尾設(shè)置有冷卻水不銹鋼加料溜管；窯尾罩采用雙層鱗片式密封，并設(shè)置通風(fēng)收塵裝置，以減少筒體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的煙塵逃逸。筒體高溫區(qū)設(shè)置淋水冷卻裝置，包含噴淋管、給水槽、集水槽，以及給水槽和集水槽的骨架檢修平臺(tái)等。考慮到要進(jìn)行烘爐，在窯頭罩內(nèi)設(shè)置了2個(gè)高效天然氣燒嘴；窯頭沖渣使用簡單、易更換的耐磨鑄鐵板溜槽。揮發(fā)窯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件如圖2所示。

圖2" 揮發(fā)窯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3）余熱利用及收塵系統(tǒng)。揮發(fā)窯煙氣從窯尾沉塵室水平進(jìn)入余熱鍋爐。該余熱鍋爐采用水平直通結(jié)構(gòu)，由輻射冷卻室和對(duì)流區(qū)兩部分組成；設(shè)計(jì)單臺(tái)煙氣處理量為70 769 m3/h，產(chǎn)汽量為17.5 t/h；采用強(qiáng)制水循環(huán)模式，露天布置。爐墻均采用膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，由鍋爐鋼管和扁鋼焊制而成。為保證余熱鍋爐的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)采用彈性振打清灰裝置和爆破清灰裝置，以便及時(shí)有效地清除受熱面的積灰。煙氣通過對(duì)流區(qū)后溫度降到360 ℃以下排出余熱鍋爐進(jìn)入收塵系統(tǒng)。收塵選用有效截面積為120 m2單通道五電場電收塵器，煙氣經(jīng)多電場電收塵器凈化后送脫硫處理。余熱鍋爐和電收塵器灰斗下部裝有埋刮板輸送機(jī)，收下的煙塵送至多膛爐車間脫氟氯，同時(shí)設(shè)煙塵打包開路用于暫存。

4）輔助生產(chǎn)系統(tǒng)。鋅浸出渣處理產(chǎn)生的煙氣成分中含SO2，因此本項(xiàng)目對(duì)含硫煙氣處理工藝比選后，結(jié)合當(dāng)?shù)厥袌?，最終采用離子液煙氣脫硫技術(shù)生產(chǎn)高純度氣體二氧化硫（體積分?jǐn)?shù)為99%），再將其送到焙燒制酸系統(tǒng)用于生產(chǎn)硫酸[4]。本項(xiàng)目2臺(tái)揮發(fā)窯煙氣各設(shè)1套離子液法吸收系統(tǒng)，吸收劑離子液循環(huán)使用，定期補(bǔ)充。脫硫系統(tǒng)解吸所需蒸汽主要來源于全廠冶煉余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽。

3" "影響揮發(fā)窯生產(chǎn)運(yùn)行成本因素分析

揮發(fā)窯目前主要原料為鋅浸出渣、含鋅雜渣與煤焦的混合料。為了確保反應(yīng)溫度適宜、物料反應(yīng)良好、結(jié)窯情況減少等，篩下焦與粉煤的質(zhì)量、用量必須得到保障。同時(shí)，原料的水分含量、配料混合均勻程度，以及崗位操作等也會(huì)影響揮發(fā)窯生產(chǎn)運(yùn)行成本。

1）煤焦質(zhì)量。煤焦質(zhì)量是提供熱量的基礎(chǔ)，篩下焦與粉煤的質(zhì)量沒有達(dá)到要求，水分含量、熱值、粒度超出控制標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)加大揮發(fā)窯生產(chǎn)運(yùn)行成本。

2）浸出渣水分。浸出渣原料水分設(shè)計(jì)要求按22%的比例控制，但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于系統(tǒng)體積管控要求，浸出渣水分普遍偏高，很難滿足22%的控制要求。水分的升溫與蒸發(fā)需要消耗大量的熱量，因此若進(jìn)入爐窯內(nèi)的水分含量超標(biāo)，會(huì)導(dǎo)致煤焦的消耗也隨之增加，從而加大了揮發(fā)窯生產(chǎn)運(yùn)行成本。

3）配料不均勻。將浸出渣與煤焦充分混合均勻后再送入回轉(zhuǎn)窯，能夠增大浸出渣與煤焦的接觸面積增大，提高煤焦利用率，確保爐窯反應(yīng)帶各處溫度的均勻分布。該廠2021年前的預(yù)配料采用現(xiàn)場一次預(yù)配，預(yù)配方式為利用鏟車一爪浸出渣、一爪煤焦混合后呈山峰狀均勻堆放。但由于操作人員抓料時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)抓取錯(cuò)誤的情況，導(dǎo)致配比波動(dòng)；另外，山峰狀混料堆放過高也容易造成物料混合不均勻。2021年2月，該廠通過監(jiān)控預(yù)配料的熱值發(fā)現(xiàn)，混合料熱值維持在1 000 ～3 000 kCal/kg，波動(dòng)范圍較大。這是由于窯內(nèi)煤焦比例不穩(wěn)定造成。窯內(nèi)缺焦會(huì)導(dǎo)致窯內(nèi)溫度達(dá)不到要求，一方面使渣含鋅升高，影響回收率；另一方面，造成起窯頭黏結(jié)，惡化操作。窯內(nèi)焦粉過多，會(huì)使窯內(nèi)反應(yīng)帶溫度升高，物料與內(nèi)襯磨擦損耗增大，從而縮短窯的內(nèi)襯壽命，加大揮發(fā)窯的生產(chǎn)運(yùn)行成本。同時(shí)，焦粉過多，焦耗也會(huì)隨之增大，導(dǎo)致成本升高。

4）生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定。生產(chǎn)過程中，因相關(guān)設(shè)備故障、無計(jì)劃性的短期檢修等情況，需要頻繁地開停窯，導(dǎo)致煤焦的消耗量增加、窯的內(nèi)襯壽命變短，生產(chǎn)運(yùn)行成本增加。

5）司爐操作不到位。崗位司爐操作不當(dāng)，導(dǎo)致進(jìn)料量不穩(wěn)定，引起尾溫的波動(dòng)。尾溫控制過低，會(huì)造成物料集中在預(yù)熱帶與反應(yīng)帶交接位置發(fā)生板結(jié)，使整個(gè)窯口減小，影響窯尾的負(fù)壓及煙塵率。尾溫、窯尾負(fù)壓的波動(dòng)，以及排風(fēng)機(jī)開度的控制都會(huì)影響窯的運(yùn)行狀況和煤焦的耗用量。

4" "降低揮發(fā)窯生產(chǎn)成本的措施

4.1" 煤焦質(zhì)量的管控

該廠自2021年10月開始，持續(xù)對(duì)煤焦水分、粒度、熱值等參數(shù)的變化進(jìn)行跟蹤，對(duì)煤焦進(jìn)廠卸車、化驗(yàn)情況進(jìn)行管控。結(jié)合生產(chǎn)情況及成本管控要求，該廠對(duì)煤焦質(zhì)量重要指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整：粉煤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤8%，熱值≥6 400 kCal/kg；篩下焦水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤14%，熱值≥6 700 kCal/kg，粒度為5～15 mm的顆粒比例≥85%；不合格的煤焦不予卸貨。對(duì)煤焦質(zhì)量的嚴(yán)格把控，為控制煤焦消耗量創(chuàng)造了有利條件。表1為2021—2023年每年第四季度篩下焦和粉煤的質(zhì)量情況。

表1" 2021—2023年每年第四季度煤焦質(zhì)量情況

由表1可以看出，開始管控煤焦質(zhì)量后，篩下焦的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降到13%以下，其中部分批次的篩下焦水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%。對(duì)比2021年第四季度，2023年篩下焦水分下降了2.89%，篩下焦的固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了1.19%，粉煤的固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高0.44%。同樣質(zhì)量的煤焦，隨著水分降低、干量增加、熱值提高，灰分含量隨之減少，煤焦的利用率得到提高，從而能很大程度上減少煤焦的消耗量。

4.2" 浸出渣的管控

若浸出渣進(jìn)一步控制水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的范圍到20%～22%，減少水分蒸發(fā)帶走的熱量，則煤焦的消耗量將進(jìn)一步降低。混合料的水分可以通過將當(dāng)期濕渣與倉內(nèi)堆放的干渣進(jìn)行合理搭配來減少。此外，通過協(xié)調(diào)好上道工序中浸出渣的壓濾工藝，也能適當(dāng)降低浸出渣水分。

4.3" 預(yù)配料管控

由于混合料堆放過高，會(huì)影響物料混合的均勻程度，因此將原來的預(yù)配料單峰堆放，改為先進(jìn)行一次預(yù)配并雙峰堆放后，再利用鏟車進(jìn)行二次預(yù)配，以增大預(yù)配料混合的均勻性。生產(chǎn)補(bǔ)焦在二次預(yù)配的過程中進(jìn)行，且控制補(bǔ)焦量，避免直接上料補(bǔ)焦，提升混合料的均勻性。

調(diào)整預(yù)配料方式后，從2022年開始，該廠混合料熱值趨于穩(wěn)定，基本控制在1 500～2 500 kCal/kg。2023年11月開始，該廠二次預(yù)配后的混合料熱值平均值在1 700～2 000 kCal/kg。

4.4" 提高揮發(fā)窯穩(wěn)定運(yùn)行率

為提高揮發(fā)窯穩(wěn)定運(yùn)行率，該廠主要從以下幾個(gè)方面采取了措施。1）加強(qiáng)司窯人員的操作精細(xì)程度，將2021年排風(fēng)機(jī)開度參數(shù)（≥42%）調(diào)整為≥38%，以提高窯內(nèi)熱反應(yīng)氛圍。排風(fēng)機(jī)開度調(diào)整后，窯內(nèi)結(jié)窯次數(shù)明顯減少，爐窯內(nèi)穩(wěn)定性得到優(yōu)化，技術(shù)人員對(duì)尾溫的控制得到強(qiáng)化。隨著結(jié)窯、化窯次數(shù)的減少，化窯補(bǔ)焦所產(chǎn)生的浪費(fèi)也大幅降低，達(dá)到節(jié)約煤焦耗用量的目的。2）窯身溫度反饋窯況，根據(jù)窯身溫度控制淋水量，能夠更精準(zhǔn)地控制窯內(nèi)溫度，減少窯內(nèi)的熱能消耗。為此，該廠對(duì)揮發(fā)窯窯皮淋水量及窯身溫度進(jìn)行技術(shù)跟蹤和優(yōu)化。調(diào)整后，總體淋水量由300 m3/h降低到200 m3/h。3）進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)離子液的脫硫操作。通過液堿浸泡，對(duì)樹脂中的硫酸根進(jìn)行置換，降低當(dāng)前離子液樹脂中硫酸根含量，確保離子液吸收硫的能力，減少因尾氣超標(biāo)而導(dǎo)致?lián)]發(fā)窯頻繁停窯[5]。優(yōu)化前后，揮發(fā)窯運(yùn)行情況對(duì)比見表3。

表3" 揮發(fā)窯運(yùn)行情況

由表3可以看出，通過對(duì)揮發(fā)窯穩(wěn)定性的管控，兩臺(tái)揮發(fā)窯的作業(yè)率均有所提升，設(shè)備的故障及檢修頻次降低，減少了無計(jì)劃性的短期停窯檢修；同時(shí)，窯內(nèi)結(jié)形成的大塊狀物減少，揮發(fā)窯的停窯次數(shù)及時(shí)長減少，降低了因開停窯產(chǎn)生的煤焦消耗。

4.5" 燃料搭配廢焦

由于廢焦的價(jià)格、熱值均較低，按照37%的比例折算成篩下焦，代替部分粉煤搭配使用，可降低煤焦成本。優(yōu)化燃料使用。廢焦固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜70%，熱值＞6 000 kCal/kg，與粉煤相比，具有價(jià)格低、熱量高的優(yōu)勢。該廠2021年12月開始使用廢焦，要求廢焦破碎后粒度小于5 mm的顆粒達(dá)90%以上，與粉煤相似。

5" "生產(chǎn)實(shí)踐效果及結(jié)論

本文通過對(duì)影響揮發(fā)窯生產(chǎn)運(yùn)行成本的因素進(jìn)行分析，從煤焦質(zhì)量、浸出渣水分、預(yù)配料方式、廢焦的替代使用等方面提出了改進(jìn)措施。經(jīng)過持續(xù)的改進(jìn)和優(yōu)化，該廠2022年揮發(fā)窯煤焦月單耗基本穩(wěn)定在420～430 kg/t。2023年，煤焦消耗進(jìn)一步下降，月單耗均低于410 kg/t。2021—2023年，每年第四季度揮發(fā)窯燃料使用情況見表4。與2021年第四季度相比，2022年第四季度在總處理量持續(xù)上升的情況下，月平均煤焦單耗下降約22 kg/t；2023年第四季度，在浸出渣處理量上升的情況下，煤焦單耗下降到409 kg/t。

綜上，采用大型揮發(fā)窯處理鋅浸出渣的工藝技術(shù)成熟、可靠。相對(duì)其他渣處理工藝而言，具有操作簡單、建設(shè)投資低和原料適應(yīng)性較廣等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的先進(jìn)性。本文針對(duì)某廠揮發(fā)窯試生產(chǎn)期間存在的問題，對(duì)該工藝進(jìn)行了改造與優(yōu)化，使該廠揮發(fā)窯穩(wěn)定運(yùn)行率得到提高，渣中的有價(jià)金屬回收量有所增加，揮發(fā)窯的運(yùn)行成本大幅降低，為整個(gè)鋅系統(tǒng)的降本增效提供了保障。

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收稿日期：2024-01-04

作者簡介：劉驍（1983—），男，工程師，主要從事鋅冶煉過程的工藝與自動(dòng)化技術(shù)研究。