銅浮渣反射爐水冷煙道設(shè)計(jì)

郝小紅

（中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

1 概述

銅浮渣是煉鉛過(guò)程中除銅的產(chǎn)物，一般采用火法工藝處理，銅浮渣與加入的蘇打、鐵屑、氧化鉛、焦炭等在反射爐熔煉，生成冰銅與鉛液，冰銅與鉛液因比重不同而分層分別放出。

反射爐為火焰爐，爐膛溫度～1 300℃，出爐煙氣溫度很高，在1 000～1 250℃。煙氣含塵較高，其中含有PbO等有價(jià)金屬，必須回收。傳統(tǒng)的工藝配置中，煙道出口的煙氣首先進(jìn)入一人字形煙管，然后進(jìn)入表面冷卻器將溫度降至150℃以下，最后進(jìn)入布袋收塵。而表面冷卻器換熱系數(shù)低，設(shè)備龐大，占地面積大，投資大。

新設(shè)計(jì)的水冷煙道如圖1所示，其由沉塵室、第一段水冷煙道、空氣換熱器及第二段水冷煙道組成，具有結(jié)構(gòu)新穎、緊湊、冷卻效果好、部分余熱得到回收利用的特點(diǎn)。煙道出口煙氣溫度≤150℃，可直接進(jìn)布袋收塵。采用這種設(shè)計(jì)的水冷煙道系統(tǒng)已在金德鉛項(xiàng)目中投入使用，取得了令人滿意的效果。

圖1 水冷煙道結(jié)構(gòu)圖

2 水冷煙道設(shè)計(jì)

2.1 水冷煙道計(jì)算

2.1.1 水冷管結(jié)構(gòu)

水冷管是水冷煙道的單元組件，數(shù)根管組成一排，整個(gè)煙道由多排水冷管構(gòu)成，單個(gè)水冷管結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水冷管示意圖

冷卻水不斷地流入中心管，在底部進(jìn)入中心管與外管夾縫，再流到上面的溢流槽。內(nèi)外管之間的縫隙，實(shí)際上形成了一個(gè)夾層水套。外管與煙氣直接接觸，煙氣的熱量通過(guò)外管壁傳給流水，達(dá)到降低煙氣溫度的目的。這種水冷管，熱水可自動(dòng)溢流，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作、管理和維修。根據(jù)工藝條件：進(jìn)入煙道的煙氣量、煙氣溫度以及達(dá)到煙氣溫度≤150℃的要求，可以計(jì)算確定煙道的大小、煙道的長(zhǎng)度，之后進(jìn)行結(jié)構(gòu)配置設(shè)計(jì)。

2.1.2 換熱量計(jì)算

水冷煙道中，高溫?zé)煔庖暂椛浜蛯?duì)流方式將熱量傳給管壁，而管壁則以導(dǎo)熱、對(duì)流的方式將熱量傳給管內(nèi)的冷卻水，其換熱量為：

F——傳熱面積，m2；

ΔtLM—對(duì)數(shù)平均溫差。

其中：

式中：αi——煙氣與管壁的換熱系數(shù)

αc——管壁與冷卻水的換熱系數(shù)

Δt1——煙道進(jìn)口處管內(nèi)外流體溫差，°C；

Δt2——煙道出口處管內(nèi)外流體溫差，°C；

αci、αri——分別為對(duì)流換熱系數(shù)及輻射換熱系

d——管內(nèi)徑，m；

u——煙氣平均流速，m/s；

V——煙氣的運(yùn)動(dòng)粘度，m/s；

Pr——普蘭特準(zhǔn)數(shù)；

tg——煙氣絕對(duì)溫度，K；

tw——煙道壁絕對(duì)溫度，K；

εg——煙氣黑度；

εg'——煙氣在壁溫下的黑度；

εw——煙道壁黑度。

2.1.3 總管長(zhǎng)計(jì)算

總管長(zhǎng)按下式計(jì)算：

式中：F——傳熱面積，m2；

L——換熱管長(zhǎng)度，m；

d——換熱管外管直徑，m。

2.1.4 冷卻水量計(jì)算

冷卻水量按下式計(jì)算：

式中：Q——煙氣換熱量，W；

C——水的比熱，kJ/（kg·K）；

t1——水的進(jìn)口溫度，℃；

t2——水的出口溫度，℃。

2.2 水冷煙道設(shè)計(jì)

煙道的主體包括：沉塵室、第一段水冷煙道、換熱器及第二段水冷煙道。浮渣反射爐出爐的高溫?zé)煔鉁囟葹椤? 200℃，帶有大量煙塵的高溫?zé)煔鈴臓t尾進(jìn)入沉塵室，突然降速使得大顆粒煙塵沉降，然后進(jìn)入一段水冷煙道。煙氣經(jīng)過(guò)第一段水冷煙道后，要求溫度降至～700℃。～700℃的煙氣進(jìn)入空氣換熱器，將助燃風(fēng)預(yù)熱到～300℃，熱風(fēng)助燃可提高燃燒溫度，提高熔化速度，降低能耗。出換熱器的煙氣經(jīng)過(guò)二段水冷煙道溫度降至150℃以下，直接進(jìn)布袋收塵。

2.2.1 第一段水冷煙道

水冷煙道由水冷列管和溢流水槽組成，溢流水槽（槽鋼）支撐于兩側(cè)磚體之上。水管與槽鋼焊接，各槽鋼之間采用螺栓連接成整體，槽鋼一端開有方孔，溢流水由此進(jìn)入回水槽，見圖3。

根據(jù)熱平衡計(jì)算，確定第一段煙道冷卻水帶走的熱量。根據(jù)上述公式計(jì)算出換熱面積，而后算出換熱管根數(shù)，并確定冷卻水管的排列方式。

每個(gè)水冷管單獨(dú)供水，水來(lái)自供水總管。各水管的水量要及時(shí)調(diào)節(jié)，保持平衡，否則易引起各支路水流不均，溫升偏差過(guò)大，甚至產(chǎn)生局部過(guò)熱等現(xiàn)象。

圖3 水冷管布置圖

2.2.2 空氣換熱器

煙氣經(jīng)過(guò)第一段水冷管后溫度降至700℃左右，然后進(jìn)入換熱器，將空氣溫度預(yù)熱到～300℃。特殊設(shè)計(jì)的列管旋流式換熱器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性好、便于制造、換熱系數(shù)高、空氣阻力小、煙塵粘結(jié)少易清理等優(yōu)點(diǎn)。

換熱器產(chǎn)生的熱風(fēng)送到反射爐爐頭作為煤或油的助燃風(fēng)，熱風(fēng)助燃可提高燃燒溫度，維持火焰穩(wěn)定，降低燃料消耗。

換熱器放在煙道的中間段比較合適，因?yàn)榍岸螣煔鉁囟忍?，影響換熱器壽命；而后段煙氣溫度低，換熱系數(shù)太小，換熱面積太大，換熱器結(jié)構(gòu)龐大。

2.2.3 第二段水冷煙道

煙氣經(jīng)過(guò)換熱器溫度降到～540℃，再通過(guò)第二段水冷煙道將溫度降至150℃，直接進(jìn)布袋收塵。第二段水冷煙道結(jié)構(gòu)與第一段相同，計(jì)算與第一段煙道類似。由于煙氣溫度低，所以此段換熱系數(shù)相比較小。

3 投產(chǎn)情況及改進(jìn)

3.1 投產(chǎn)情況

第一臺(tái)水冷煙道安裝于15 m2浮渣反射爐，并已投產(chǎn)。反射爐煙氣量4 000 m3/h，煙氣溫度1 200℃，助燃風(fēng)量3 000 m3/h，助燃風(fēng)預(yù)熱溫度～250℃，按照上述條件及思路設(shè)計(jì)的煙道全長(zhǎng)12 360 mm，反射爐與煙道之間的沉塵室間距約1 500 mm，第一段水冷器長(zhǎng)2 560 mm，第二段水冷器長(zhǎng)3 830 mm。

反射爐投入運(yùn)行后，第一段水冷管粘結(jié)嚴(yán)重，嚴(yán)重時(shí)中間換熱器也出現(xiàn)粘結(jié)現(xiàn)象，致使第二段水冷器出口煙氣溫度～400℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于150℃的要求，導(dǎo)致煙氣不能直接進(jìn)布袋收塵。煙道前段煙塵粘結(jié)嚴(yán)重，需要頻繁清理才能正常操作運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況，在第二段水冷管后增加了一表面冷卻器，煙氣溫度降至150℃后再進(jìn)布袋收塵。

3.2 煙道改進(jìn)

從第一座水冷煙道的投產(chǎn)使用情況看，這種冷卻方式是可行的，但其也暴露出一些問(wèn)題，原因是對(duì)煙氣溫度、煙塵性質(zhì)認(rèn)識(shí)不足，實(shí)際中反射爐煙氣溫度比較高，含塵量大，煙塵中的鉛、鋅熔點(diǎn)低，大量低熔點(diǎn)煙塵會(huì)很快將煙道粘結(jié)、堵塞，并且缺乏有效的清理手段，給操作帶來(lái)不便。

針對(duì)反射爐及煙道投產(chǎn)后出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行了如下改進(jìn)：

（1）反射爐燒嘴與水平夾角增大，避免燃燒火焰直吹出煙口，減少煙氣夾帶的煙塵量。

（2）加高水平煙道，同時(shí)增加沉塵室長(zhǎng)度，加大沉塵室，使煙塵得以沉淀。

改進(jìn)后煙道運(yùn)行狀況良好，不需要操作工頻繁清理一段和二段水冷管以及中間換熱管，大大降低了操作工作量，保證了生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

全新設(shè)計(jì)的水冷煙道結(jié)構(gòu)新穎簡(jiǎn)單、實(shí)用可靠，實(shí)際使用效果令人滿意。針對(duì)發(fā)生的問(wèn)題又進(jìn)行了改進(jìn)，使之更加完善。已有多臺(tái)反射爐即將采用這種水冷煙道，相信會(huì)有更好的效果。

[1]《有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2004.

[2]《重有色金屬冶煉設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).重有色金屬冶煉設(shè)計(jì)手冊(cè)·鉛鋅鉍卷[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1995.