轉(zhuǎn)爐車間的環(huán)集煙氣治理探析
2024-07-11 07:23:02付紅春
有色冶金設(shè)計(jì)與研究 2024年3期
〔摘 要〕以某轉(zhuǎn)爐銅冶煉車間為例，分析了轉(zhuǎn)爐車間環(huán)集煙氣的發(fā)生源及煙氣治理的難點(diǎn)，通過實(shí)際現(xiàn)場調(diào)研，提出了轉(zhuǎn)爐車間環(huán)集煙氣系統(tǒng)的工藝流程、系統(tǒng)設(shè)置、風(fēng)量計(jì)算、設(shè)備選型，以及工藝管道碰撞問題的解決等角度詳細(xì)論述了銅冶煉項(xiàng)目環(huán)境集煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)該項(xiàng)目環(huán)境集煙系統(tǒng)的運(yùn)行效果，提出了環(huán)集系統(tǒng)未來改進(jìn)優(yōu)化的建議。
〔關(guān)鍵詞〕銅冶煉;轉(zhuǎn)爐車間;環(huán)境集煙系統(tǒng);風(fēng)量計(jì)算
中圖分類號(hào)：X758 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? 文章編號(hào)：1004-4345（2024）03-0021-05
Discussion and Analysis of Fugitive Gas Handling in the PSC Plant
FU Hongchun
（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）
Abstract? The handling of fugitive gas generated during the PSC production period is an important factor affecting the promotion and application of the PSC converting technology. Taking a PSC copper smelting plant as an example， this paper analyzes the sources of fugitive gas in the PSC plant and the difficulties in the gas handling. The paper discusses the process flow， system settings， gas volume calculation， and equipment selection of the fugitive gas handling system in the PSC plant in detail through actual on-site investigation， and puts forward a new type of PSC fugitive gas hood and crane-through type building fugitive gas hood proposal. According to the operation effect of the fugitive gas handling system in this project， the paper proposes the optimization suggestions for the automation level and gas volume distribution issues of the fugitive gas handling system.
Keywords? copper smelting; PSC plant; fugitive gas handling system; gas volume calculation
收稿日期：2023-09-26
基金項(xiàng)目：廣西科技計(jì)劃項(xiàng)目（科技重大專項(xiàng)）（項(xiàng)目編號(hào)：2020AA17001AA）
作者簡介：付紅春（1981—），男，高級(jí)工程師，主要從事暖通專業(yè)的設(shè)計(jì)工作。
火法煉銅原料適應(yīng)性強(qiáng)、能耗低、效率高、金屬回收率高，是目前世界范圍內(nèi)生產(chǎn)銅的主要方法。該工藝主要處理的是硫化礦，主要工藝過程包括造锍熔煉、銅锍（冰銅）吹煉、粗銅火法精煉和陽極銅電解精煉4個(gè)步驟。其中，轉(zhuǎn)爐用于冰銅吹煉工序，將冰銅進(jìn)一步氧化、造渣，脫除冰銅中的鐵和硫，生產(chǎn)得到粗銅。
轉(zhuǎn)爐吹煉為間斷作業(yè)，分造渣期和造銅期。造渣完成后，停止鼓入空氣，傾斜爐體，將表層熔渣倒入渣包內(nèi)。造銅期轉(zhuǎn)爐產(chǎn)出的粗銅倒入粗銅包內(nèi)，再經(jīng)包子吊車送往陽極爐精煉工序進(jìn)行精煉。
轉(zhuǎn)爐的初期投資相對較低，操作相對簡單，在物料的轉(zhuǎn)運(yùn)、出銅、出渣過程中，含有大量SO2和有害煙塵的煙氣逸散出來，造成嚴(yán)重的低空污染，影響人體健康，惡化車間環(huán)境。能否對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的環(huán)集煙氣進(jìn)行有效治理，已經(jīng)成為影響轉(zhuǎn)爐吹煉工藝應(yīng)用推廣的重要因素。本文擬以國內(nèi)某30 kt銅冶煉項(xiàng)目轉(zhuǎn)爐車間為例，分析轉(zhuǎn)爐車間環(huán)集煙氣的發(fā)生源及煙氣治理難點(diǎn)，并對該項(xiàng)目轉(zhuǎn)爐車間環(huán)境集煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。
1?? 環(huán)集煙氣發(fā)生源及治理難點(diǎn)
在轉(zhuǎn)爐的整個(gè)生產(chǎn)過程中，會(huì)發(fā)生煙塵逸散的主要節(jié)點(diǎn)有以下幾處：1）轉(zhuǎn)爐水冷煙罩處。正常造渣期和造銅期，由于爐內(nèi)壓力的波動(dòng)，有大量的工藝煙氣外逸出轉(zhuǎn)爐水冷煙罩。為防止此部分煙氣逸散至廠房內(nèi)造成低空污染，設(shè)置轉(zhuǎn)爐爐體環(huán)集煙罩對煙氣進(jìn)行捕集。2）轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的冰銅包。在行車轉(zhuǎn)運(yùn)冰銅包的過程中，會(huì)有大量的煙氣從包子中逸散至車間，聚集在車間上部，造成低空污染。3）傾轉(zhuǎn)爐體時(shí)的爐口。在轉(zhuǎn)爐加料、出銅、出渣的過程中，轉(zhuǎn)爐爐體需要傾轉(zhuǎn)，此時(shí)有大量的煙氣從爐口脫離轉(zhuǎn)爐爐體環(huán)集煙罩的控制范圍，逸散至車間內(nèi)部。
這些逸散至車間的環(huán)集煙氣聚集在車間頂部，如果不進(jìn)行有效處理，會(huì)嚴(yán)重影響行車操作人員的視線，存在重大安全隱患。同時(shí)，環(huán)集煙氣通過屋頂逸散至室外，會(huì)污染廠房周邊環(huán)境，腐蝕周邊建筑的結(jié)構(gòu)，縮短建筑的使用壽命。因此，必須在環(huán)集煙氣產(chǎn)生的點(diǎn)設(shè)置集煙罩，收集逸散的煙氣。各個(gè)環(huán)集煙氣點(diǎn)通過管道連接組成一個(gè)大的環(huán)集系統(tǒng)，再通過環(huán)集風(fēng)機(jī)抽吸使各集煙罩內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓以防止煙氣外逸。收集到的煙氣處理達(dá)標(biāo)后由煙囪高空排放，從而改善車間內(nèi)及車間周邊的環(huán)境。
具體設(shè)置為：1）轉(zhuǎn)爐爐體上方設(shè)置爐體環(huán)集煙罩。2）在轉(zhuǎn)爐區(qū)域廠房頂部設(shè)置環(huán)集煙罩。轉(zhuǎn)爐車間環(huán)境集煙系統(tǒng)流程如圖1所示。
2?? 環(huán)集系統(tǒng)設(shè)置
2.1? 煙罩的設(shè)置
1）轉(zhuǎn)爐爐體環(huán)集煙罩。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐爐體環(huán)集煙罩采用的是爐前旋轉(zhuǎn)型煙罩。此煙罩兩側(cè)固定，爐前加料口可旋轉(zhuǎn)，密閉性較差。生產(chǎn)時(shí)，有較多的煙氣自縫隙處外逸;旋轉(zhuǎn)煙罩開啟后，還會(huì)遮擋行車操作人員的部分視線。
本項(xiàng)目采用了一種新型推拉型轉(zhuǎn)爐煙罩。該煙罩主要由上部固定煙罩、左右推拉門、下部擋火門、移動(dòng)小車、下部固定煙罩構(gòu)成，結(jié)構(gòu)更加精巧，工作時(shí)密閉性更高。該環(huán)集煙罩在水冷煙罩基礎(chǔ)上形成一個(gè)較為封閉的密封腔體，有利于在內(nèi)部形成負(fù)壓，增強(qiáng)抽吸效果。推拉門內(nèi)側(cè)基本為光面，且在爐口輻射區(qū)域設(shè)置有水冷結(jié)構(gòu)，爐口噴濺物可以自動(dòng)脫落或手工清除。推拉門式的二次煙罩在出銅放渣操作時(shí)效果非常好，煙氣收集率高。兩種爐體煙罩實(shí)景對比見圖2。
2）廠房環(huán)集煙罩。早期的轉(zhuǎn)爐車間均未設(shè)置廠房環(huán)集系統(tǒng)，廠房內(nèi)的環(huán)集煙氣直接通過屋頂?shù)臍鈽侵苯优畔虼髿狻ｋS著國家環(huán)保要求越來越嚴(yán)，冶煉企業(yè)對此部分環(huán)集煙氣也必須進(jìn)行收集處理，否則將面臨停產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對現(xiàn)有廠房進(jìn)行改造成為必然。
受到現(xiàn)有廠房的結(jié)構(gòu)限制，廠房改造通常采用以下兩種方式：（1）不改變現(xiàn)有廠房的結(jié)構(gòu)，將通風(fēng)氣樓整體進(jìn)行封閉，將氣樓作為廠房環(huán)集煙罩使用。（2）在不對廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行大調(diào)整的情況下，對通風(fēng)氣樓進(jìn)行改造，將氣樓延伸至轉(zhuǎn)爐廠房主立柱，將轉(zhuǎn)爐爐口覆蓋在煙罩的范圍內(nèi)。具體如圖3所示。
新建轉(zhuǎn)爐廠房則須在設(shè)計(jì)初期就考慮到廠房環(huán)集煙罩的設(shè)置，通過在爐體上方行車與廠房頂部之間設(shè)置環(huán)集煙罩，將加料和出銅過程中逸散的煙氣控制在一個(gè)較小的區(qū)域，避免其逸散至其它區(qū)域，以減少環(huán)境集煙的排煙量。
新建轉(zhuǎn)爐廠房環(huán)集煙罩主要有兩種方式：（1）采用整個(gè)屋頂做為集煙裝置。但一般屋頂離行車頂部及爐口距離相對較遠(yuǎn)，爐口逸散出的煙氣不能在第一時(shí)間通過局部排風(fēng)進(jìn)行排除。待煙氣逸散至整個(gè)車間頂部時(shí)，煙氣量已經(jīng)比較大，不利影響也已經(jīng)產(chǎn)生。且由于煙氣逸散范圍較廣，為排出屋頂?shù)臒煔?，系統(tǒng)所需的風(fēng)量大。（2）行車通過式廠房環(huán)集煙罩，在爐體正上方設(shè)置一個(gè)局部排煙罩，將煙罩盡量靠近逸散的煙氣，使煙氣限制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，并通過局部排風(fēng)第一時(shí)間將逸散的煙氣排出廠房，最大限度地減少對行車操作人員的視線影響，并且保證操作人員所在的駕駛室不在煙氣籠罩的范圍內(nèi)，保證人員的身體健康。新建轉(zhuǎn)爐廠房環(huán)集煙罩見圖4。
結(jié)合本項(xiàng)目轉(zhuǎn)爐設(shè)備配置及廠房結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計(jì)采用行車通過式廠房環(huán)集煙罩。設(shè)計(jì)時(shí)要求該煙罩須滿足以下條件：（1）能將爐口逸散的煙氣全部覆蓋，并且具有一定的儲(chǔ)煙能力;（2）不能影響行車的通行及操作;（3）需要和廠房的結(jié)構(gòu)良好地結(jié)合，同時(shí)不影響建筑的外立面布置。
本項(xiàng)目煙罩形式設(shè)計(jì)為傘型頂吸式煙罩。該煙罩由4面?zhèn)劝?、頂板、下部圈梁及排風(fēng)口組成，各個(gè)部件之間通過焊接連接，整個(gè)煙罩的荷載通過設(shè)置圈梁進(jìn)行支撐。排風(fēng)口盡量靠近煙罩的頂部，煙罩的底部與行車最高點(diǎn)之間保證300～500 mm的安全距離。各個(gè)側(cè)板與車間廠房密切結(jié)合，充分利用建筑的屋面板及檁條，減少罩體的鋼材耗量及整體荷載。其中，后側(cè)板直接與廠房墻體結(jié)合，做成一體式結(jié)構(gòu)，向下沿伸至行車軌道梁下沿。這種結(jié)構(gòu)不僅可以減少橫向風(fēng)對上升煙氣的干擾，還可以避免集煙罩吸入爐體后部的空氣。在煙罩的下部設(shè)一圈圈梁，以減少從煙罩外邊沿上部吸入大量的冷空氣，從而降低整個(gè)集煙罩的排氣量。具體形式詳見圖5。
2.2? 閥門設(shè)置
整個(gè)環(huán)集系統(tǒng)各排煙點(diǎn)均設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)型通風(fēng)蝶閥，可根據(jù)排煙需要控制電動(dòng)閥門的啟閉。同時(shí)，通過調(diào)節(jié)閥門的開度還可以進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，使煙罩內(nèi)保持穩(wěn)定的負(fù)壓狀態(tài)。閥門的運(yùn)行狀態(tài)可在控制室顯示，并進(jìn)行調(diào)整。
2.3? 系統(tǒng)管路設(shè)置
整個(gè)環(huán)集系統(tǒng)排煙點(diǎn)較多，為保證各排煙點(diǎn)的排煙效果，保持各環(huán)路的壓力平衡非常關(guān)鍵。系統(tǒng)風(fēng)管呈枝狀布置，環(huán)集管道按不低于規(guī)范要求的最低風(fēng)速確定管徑，并根據(jù)系統(tǒng)最大排煙量確定最不利環(huán)路，計(jì)算系統(tǒng)的管路壓力損失。其他各環(huán)路通常是利用管徑的變化來平衡壓力損失，但管段煙氣的流速只能控制在一定的范圍之內(nèi)，調(diào)節(jié)管道阻力的能力有限，故還需要通過調(diào)節(jié)各個(gè)抽風(fēng)點(diǎn)的閥門開度來平衡系統(tǒng)各環(huán)路的壓力損失，盡量減少系統(tǒng)的總排煙量，以達(dá)到降低能耗、節(jié)省費(fèi)用的目的。
系統(tǒng)管道的壓力損失包括沿程阻力損失和局部阻力損失。通常在運(yùn)行情況下，系統(tǒng)最終的排煙溫度大于80 ℃，煙囪的熱抬升力大于煙囪本體的阻力損失，故在計(jì)算系統(tǒng)壓力損失的時(shí)候，煙囪的壓損不予計(jì)算。沿程壓力損失、局部壓力損失、總壓力損失計(jì)算公式分別見下式：
Pm=;
PZ=ξ ;
P= Pm+ PZ 。
式中：Pm 為沿程壓力損失，Pa;PZ 為局部壓力損失，Pa;P為系統(tǒng)的總壓力損失，Pa;λ為沿程阻力系數(shù); L 為管段長度，m;d為管徑，m;v 為管道內(nèi)煙氣流速，m/s;ρ為煙氣密度，kg/m3;ξ為局部阻力系數(shù)。
經(jīng)計(jì)算，最大排風(fēng)量時(shí)，系統(tǒng)的最不利環(huán)路的壓力損失為3 500 Pa（不含除塵器的壓損），系統(tǒng)總壓力損失為5 000 Pa。
3?? 主要設(shè)備的選型
轉(zhuǎn)爐車間內(nèi)爐體及廠房環(huán)集煙罩系統(tǒng)的布置如圖6、圖7所示，各點(diǎn)排煙量及排煙溫度見表1。
通過表1計(jì)算得到，環(huán)集系統(tǒng)的最大排煙量為404 800 m3/h，折算到工況為513 752 m3/h，溫度73.5 ℃。
3.1? 除塵器的選型
根據(jù)轉(zhuǎn)爐環(huán)集煙氣中粉塵的特點(diǎn)，選用1臺(tái)離線脈沖袋式除塵器，除塵器的處理風(fēng)量按環(huán)集系統(tǒng)最大排煙量選取，濾袋材質(zhì)為PTFE基材+PTFE覆膜，規(guī)格為
3.2? 環(huán)集風(fēng)機(jī)的選型
環(huán)境集煙系統(tǒng)的總排煙量會(huì)在工藝生產(chǎn)過程不斷發(fā)生變化。在選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，既要滿足各排煙點(diǎn)最大同時(shí)排煙量的要求，又要確保風(fēng)機(jī)在正常工況下環(huán)保節(jié)能。因此，優(yōu)先選用變頻風(fēng)機(jī)。
根據(jù)所需風(fēng)量、風(fēng)壓，選定環(huán)集風(fēng)機(jī)的型號(hào)。在確定環(huán)集風(fēng)機(jī)的型號(hào)時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓應(yīng)附加一定的安全系數(shù)[3]。風(fēng)量、風(fēng)壓計(jì)算公式分別見下式：
Q'=KQ×Q;
P'=Kp×P 。
式中：Q為系統(tǒng)的風(fēng)量，m3/h;P 為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)風(fēng)壓， Pa;KQ為風(fēng)量附加安全系數(shù)，KQ=1.05～1.15（本文取1.05）;Kp為風(fēng)壓附加安全系數(shù)，取Kp=1.15～1.30。
經(jīng)計(jì)算，環(huán)集風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量為539 440 m3/h，所需風(fēng)壓為5 500 Pa。本項(xiàng)目選用1臺(tái)雙吸雙支撐離心風(fēng)機(jī)，Q =539 440 m3/h，全壓P=5 500 Pa。另外，由于風(fēng)機(jī)全壓未計(jì)算環(huán)集脫硫裝置的壓損，環(huán)集脫硫系統(tǒng)需配置脫硫風(fēng)機(jī)，以克服環(huán)集脫硫裝置的壓損。
4?? 改進(jìn)及優(yōu)化措施
綜上所述，該項(xiàng)目轉(zhuǎn)爐車間采用了新型的轉(zhuǎn)爐爐體環(huán)集煙罩和行車通過式廠房環(huán)集煙罩，較好地解決了車間環(huán)集煙氣低空污染的問題。但整個(gè)環(huán)集系統(tǒng)的自動(dòng)化水平相對較低，后續(xù)該企業(yè)可提升系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，增加各環(huán)集排風(fēng)點(diǎn)電動(dòng)閥門與爐體運(yùn)行的連鎖關(guān)系，同時(shí)在各個(gè)抽風(fēng)點(diǎn)設(shè)置壓力檢測裝置，通過調(diào)節(jié)閥門的開度以及環(huán)集風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制各個(gè)排風(fēng)點(diǎn)的負(fù)壓，以保證各個(gè)環(huán)集抽風(fēng)點(diǎn)的抽風(fēng)效果。
另外，廠房環(huán)集系統(tǒng)的風(fēng)量分配方面還可以進(jìn)一步優(yōu)化。1）加大爐體上方的行車通過式環(huán)集煙罩的抽風(fēng)量，以保證加料、出銅過程中爐口逸散的煙氣及時(shí)排出;適當(dāng)減小屋頂另外的抽風(fēng)口風(fēng)量則。2）屋頂抽風(fēng)點(diǎn)的閥門應(yīng)該與行車的位置進(jìn)行聯(lián)鎖控制，根據(jù)行車運(yùn)行的位置，適時(shí)開啟/調(diào)節(jié)相應(yīng)的電動(dòng)閥門，確保需要抽風(fēng)的點(diǎn)有足夠的抽風(fēng)量，避免環(huán)集煙氣逸散至車間。
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