側吹爐煙道結構分析及設計要點

〔摘 要〕側吹爐生產(chǎn)中若原料所含雜質成分過多、工藝控制不當?shù)?，易導致側吹爐煙道內黏接嚴重，從而影響側吹爐的作業(yè)率，甚至對安全生產(chǎn)會有影響。通過分析側吹爐煙道內黏結形成的原因，對比了目前國內冶煉廠均有實際應用的3種側吹爐煙道結構形式，分析其各自的結構特點和優(yōu)缺點。對側吹爐磚砌煙道的方案設計提出需要認真考慮的設計要點。

〔關鍵詞〕側吹爐；磚砌煙道；膜式壁煙道；澆注料煙道；黏結

中圖分類號：TN92 ;TF08" " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）04-0020-04

Structural Analysis and Design Points of Side-blown Furnace Flue

DING Peng

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract" In the production of side-blown furnaces，if there are too many impurities in the raw materials and improper process control during the production ， it is easy to cause serious adhesion in the flue of the side blowing furnace， which can affect the operating rate of the side blowing furnace and even have an impact on safety production. By analyzing the reasons for the formation of adhesion in the side blowing furnace flue， three types of side blowing furnace flue structures that have been practically applied in domestic smelters were compared， and their respective structural characteristics， advantages， and disadvantages were analyzed. Design points that need to be carefully considered in the scheme design of brick flue for side blowing furnace.

Keywords" side-blown furnace;brick flue; membrane wall flue; castable flue; adhesion

瓦紐科夫熔煉法，指向熔渣層鼓入高濃度富氧空氣，將加到熔池表面的含銅物料迅速煉成銅锍的銅熔煉方法。該技術屬于熔池熔煉，其工藝核心是瓦紐科夫爐[1]。瓦紐科夫爐引入我國后，經(jīng)過我國相關技術人員的不斷努力，在瓦紐科夫爐爐型和工藝參數(shù)的基礎上，通過增加富氧濃度、增設水套、調整爐體結構等改進措施，最終形成了側吹爐及其煉銅工藝。側吹爐及其煉銅工藝投資省、綜合能耗低、環(huán)保效果好、原料適應性強、勞動強度低、自動化程度高，在我國銅冶煉行業(yè)中得到了廣泛的關注與應用。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國已實施和正在建設用于銅精礦冶煉的側吹爐有近20臺。由于熔池熔煉工藝以及側吹爐的特點，若原料中雜質成分過多、工藝控制不當?shù)?，易導致側吹爐煙道內黏結嚴重，從而影響側吹爐的作業(yè)率，甚至會對安全生產(chǎn)造成不利影響。因此，除優(yōu)化原料質量和工藝控制參數(shù)外，側吹爐的煙道采用哪種結構形式更有利于生產(chǎn)，也引起了相關銅冶煉企業(yè)的重視。本文結合生產(chǎn)實踐，通過分析側吹爐煙道黏結形成的原因，對目前均在實際使用的3種側吹爐煙道結構形式進行分析與對比，以期為新建或改造側吹爐項目提供參考。

1" "側吹爐煙道黏結形成的原因分析

1）原料雜質含量高。當入爐原料中的雜質含量較高，特別是Zn、Pb等低熔點雜質元素含量高時，極易在煙道和余熱鍋爐內黏結成塊[2]。

2）下料口負壓低。下料口處負壓值偏低，爐內壓力在-30 Pa以下，易導致部分粉狀原料在還未落入熔池進行反應前便同爐內噴濺物一起隨煙氣進入煙道，并在煙道內遇冷黏結在其內壁。

3）爐內殘氧濃度低。入爐原料中的高階硫化物，在高溫下不穩(wěn)定，在熔池中受熱后離解為穩(wěn)定的低價硫化物，并放出氣態(tài)硫（即單體硫）[3]。在試生產(chǎn)或者正常生產(chǎn)過程中，當由于工藝物料配比或操作原因導致爐內出現(xiàn)總供氧量不足時，將導致爐內殘氧濃度偏低，部分單體硫在熔池渣層析出后不能充分氧化從而在隨煙氣排出的過程中使其黏結在煙道上。

4）爐內煙氣量大。當出現(xiàn)爐內殘氧值低時，為確保殘氧濃度，通過增大二次風量從而破壞爐內氣相平衡，與此同時增加了爐內煙氣量從而導致煙氣攜帶的物料、煙塵量增加[4]。

5）煙氣流速快。當側吹爐內煙氣流速過快可能會導致大量爐內飛濺物顆粒被煙氣攜帶進入煙道，從而在煙道內遇冷進行黏結。

6）煤粉性能存在差異。作為入爐物料中的粉煤，國內一般只對粉煤的灰分、熱量、粒度等制定了簡單的標準，但對影響其熱分解、黏結性、結渣性等指標沒有限定，從而導致不同產(chǎn)地、不同廠家的粉煤性能存在差異，從而導致操作方式變化較大[5]。

2" "常見側吹爐煙道結構分析與對比

目前，常用的側吹爐煙道結構形式主要有磚砌煙道、膜式壁煙道以及澆注料煙道3種，見圖1。這3種側吹爐煙道形式在不同的銅冶煉廠均有應用，以下將對這3種不同的煙道結構形式進行分析和對比。

磚砌煙道和澆注料煙道，只作為側吹爐內煙氣進入余熱鍋爐前的通道，因此可以將其理解為側吹爐設備整體的一部分。其煙道的底部入口通過軟連接與側吹爐爐頂?shù)某鰺熆谙噙B，煙道的上部出口一般水平設置，通過膨脹節(jié)與余熱鍋爐的入口相連。而膜式壁煙道還具備產(chǎn)生蒸汽的功能，因此可以將其理解為余熱鍋爐的一部分。膜式壁煙道的底部入口通過軟連接與側吹爐爐頂?shù)某鰺熆谙噙B，出口與余熱鍋爐的入口相連，側吹爐內煙氣通過膜式壁后進入余熱鍋爐。煙道作為連接側吹爐本體與余熱鍋爐的煙氣通道，其長期穩(wěn)定的運行對側吹爐的作業(yè)率有積極作用。這3種側吹爐煙道結構形式的優(yōu)缺點對比見表1。

下面將從投資、結構特點、生產(chǎn)及維護3個方面，對3種形式的煙道進行詳細地分析與比較。

2.1" 投資

磚砌煙道和澆注料煙道后面連接的余熱鍋爐，采用的是臥式鍋爐結構，整個鍋爐鋼結構高度相對于膜式壁煙道來說低很多。以某冶煉廠的兩臺側吹爐為例，這兩臺側吹爐其煙道結構形式分別為砌磚煙道和膜式壁煙道。1#側吹爐為砌磚煙道，凈空高度約15 m，其后接入臥式余熱鍋爐。2#側吹爐為膜式壁煙道，凈空高度約35 m。顯而易見，采用膜式壁煙道，其高度對廠房投資成本的增加是巨大的。因此，從廠房及其他配套的投資成本考慮，膜式壁煙道的投資高于磚砌煙道。

澆注料煙道高度和磚砌煙道的相近。從煙道材質上看，磚砌煙道采用的耐火磚是鎂鉻磚，耐火材料總的厚度約為500 mm。而澆注料煙道采用的是鎂鉻質澆注料。過厚的澆注料容易導致脫落，因此澆注料煙道的澆注料厚度一般不超過300 mm。同時，澆注料的單價也低于鎂鉻磚，所以澆注料煙道的投資成本低于磚砌煙道的。

綜合比較，三者投資成本依次為膜式壁煙道＞磚砌煙道＞澆注料煙道。

2.2" 結構特點

磚砌煙道為垂直結構，由鋼結構殼體和耐火材料組成，煙道的橫截面為矩形，立截面在靠近余熱鍋爐接口區(qū)域一般設計有一定的傾斜角度，煙道整體采用吊掛結構，利用煙道鋼殼上的吊掛梁將煙道整體吊掛在廠房內單獨設置的支撐橫梁上。煙道內一般分層設有觀察口和燒嘴口。

澆注料煙道由鋼殼和澆注料組成，與磚砌煙道相比，其外形結構較靈活，可以為垂直結構，也可以設計成帶一定角度的傾斜煙道。煙道下部一般采用方變圓結構與側吹爐爐頂矩形出煙口連接，中上部橫截面為圓形。上部區(qū)域設置的側面矩形出煙口與余熱鍋爐連接。一般采用分段支撐的方式放置在廠房結構梁上。

膜式壁煙道主要是用扁鋼和管子拼排焊成的氣密管屏，這些氣密管屏組成了水冷壁。煙道橫截面和縱截面均為矩形，膜式壁底部與側吹爐爐頂出煙口連接，頂部設有水平的矩形連接段出口與余熱鍋爐連接。由于膜式壁煙道很高，一般采用分段拼裝的結構形式，頂部吊掛固定在廠房結構梁上。除此外膜式壁上通常設有振打裝置用于清灰。由于膜式壁煙道高度相對較高，對降低煙塵率有一定好處。

2.3" 生產(chǎn)及維護

側吹爐煙道處于反應區(qū)上部，在一次風的攪拌下，反應區(qū)內熔體劇烈翻騰，形成鼓泡區(qū)。在負壓的狀態(tài)下，部分物料和噴濺的熔體小液滴會隨著煙氣進入煙道，從而在煙道內壁黏結。砌磚煙道和澆注料煙道的保溫性能較好，煙道內壁溫度較高，黏結物的黏結速度不及膜式壁煙道。磚砌煙道一般還會在易黏接的部位設置燒嘴，在生產(chǎn)過程中通過開啟燒嘴將煙道內壁的黏結物熔化，以減少煙道黏結，保證正常生產(chǎn)。大修時，可通過人工、機械或者爆破的方式，將煙道內壁的黏結物清理干凈。

澆注料煙道也可以在易黏結的部位設置燒嘴熔化黏結物，但是相比磚砌煙道，澆注料煙道存在以下不足：1）澆注料的穩(wěn)定性不如耐火磚，烘爐效果不好。在試生產(chǎn)階段，由于各種因素導致其存在工藝穩(wěn)定性差、煙氣溫度變化大、鉚釘與鋼板固定不牢等問題，均可能導致澆注料在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)嚴重脫落，并造成局部燒穿的問題；2）沒有保溫及隔熱材料，澆注料煙道的鋼殼外部溫度較磚砌煙道高，操作環(huán)境較差；3）大修時清理內壁黏結物時可能導致澆注料隨黏結物一起大量脫落。

膜式壁煙道內當黏結達到一定厚度時，會影響膜式壁的換熱效果，需定期通過振打的方式來清理黏結物，有時甚至還需要停爐進行人工清理。人工清理作業(yè)屬于高空、受限作業(yè)，工作量大且清理難度也大[6]。膜式壁煙道生產(chǎn)時還存在大塊結渣掉落熔池引起噴爐的風險。同時，當膜式壁管壁出現(xiàn)漏水，在無法及時發(fā)現(xiàn)和處理時，可能會導致爐內熔體遇水爆炸。大量水入爐后還會導致爐缸、爐底磚的粉化，從而影響爐體安全運行。

通過以上分析可知，磚砌煙道相對于膜式壁煙道和澆注料煙道更具有優(yōu)勢，尤其是在保證側吹爐長期的安全穩(wěn)定運行以及清理黏結物方面。因此，目前越來越多的新建銅冶煉項目側吹爐都選擇采用磚砌煙道結構。

3" "側吹爐磚砌煙道設計要點

根據(jù)側吹爐及其冶煉工藝的特點可知，側吹爐煙道黏結物很難完全避免，但是可以通過優(yōu)化原料配比，減少雜質成分含量；合理控制操作負壓，避免長期高負壓操作；優(yōu)化側吹爐煙道的設計等措施，將側吹爐煙道的黏結情況控制在合理范圍之內。根據(jù)筆者多年的側吹爐設計經(jīng)驗，在做側吹爐磚砌煙道的設計方案時，以下幾點需要設計人員認真考慮。

3.1" 適宜的煙氣流速和煙道凈空高度

在煙氣量一定的情況下，側吹爐煙道內煙氣流速（最大煙氣量時）以6.5～7.5 m/s為宜，煙氣流速越低，需要的煙氣流通截面積就越大，對應的側吹爐面積、側吹爐煙道橫截面積、煙道質量等都要增加；煙氣流速過高，又將加劇煙氣對側吹爐煙道的沖刷，同時還導致大量爐內飛濺物顆粒被煙氣攜帶進入煙道并進行黏結。煙道凈空高度為10～15 m為宜。煙道凈空高度過低，可能導致大量煙塵及飛濺物直接進入余熱鍋爐，從而造成余熱鍋爐結焦嚴重。凈空高度也不宜過高。因為磚砌煙道是通過廠房內單獨的立柱和橫梁組成的結構體系對其進行承重，凈空高度越高，煙道質量也越大，所需的承重結構高度也就越高，這對承重結構的設計也是一個不小的挑戰(zhàn)。

3.2" 耐火材料配置

為滿足磚砌煙道的保溫性能，減少煙道鋼殼的外部溫度，煙道耐火材料從內到外可選用20 mm硅酸鋁耐火纖維板+114 mm黏土磚+380 mm鎂鉻磚進行配置。為保證鋼板的力學性能要求以及滿足現(xiàn)場操作環(huán)境的要求，煙道鋼殼外壁溫度不宜超過200 ℃。由于煙道高度較高，耐火磚可采用鎖磚及側吊結構，以保證煙道內耐火磚的使用穩(wěn)定性。

3.3" 水套布置

為滿足磚砌煙道的保溫性能，在煙道中不宜設置過多的銅水套，但在煙氣沖刷劇烈的迎風面局部區(qū)域，為保護耐火材料的使用壽命，可設置二至三層水平水套，各層間水套間間距至少大于500 mm。同時在煙道頂部靠近余熱鍋爐接口處，可設置部分BIC銅水套以保護煙道頂部，或者在煙道頂部采用鋼水套內襯澆注料的形式。

3.4" 燒嘴、觀察口設置

為了能在正常生產(chǎn)時觀察煙道內的黏結情況并能采取手段對其進行有效處理，可在煙道入口區(qū)域上部以及煙道與余熱鍋爐的接口區(qū)域附近兩側，設置部分觀察口及燒嘴口。觀察口可以幫助生產(chǎn)人員及時了解煙道內的黏結情況，并及時進行處理；燒嘴口的設置則可以減少由于煙道內存在大量黏結導致排煙不暢，被迫停爐清理的情況，從而提高側吹爐的作業(yè)率。

4" "結語

側吹爐作為銅冶煉的關鍵設備，近年來得到了銅冶煉行業(yè)的廣泛關注與運用。為解決側吹爐煙道黏結問題，提高側吹爐的作業(yè)率，本文對側吹爐煙道內黏結形成的原因進行了分析，同時結合目前銅冶煉廠實際使用情況，對常見的3種側吹爐煙道結構形式進行了分析與對比，并對各自的優(yōu)缺點進行了總結，分析認為磚砌煙道相對于膜式壁煙道和澆注料煙道更有優(yōu)勢。針對側吹爐磚砌煙道方案提出了設計過程中需要考慮的設計要點，希望能為國內新建或改造側吹爐項目的煙道方案設計提供一定的幫助和指導。

參考文獻

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收稿日期：2023-12-09

作者簡介：丁鵬（1986—），男，高級工程師，主要從事有色冶金爐的設計與研究工作。