鋅焙燒爐爐結(jié)坍塌的研究分析

張富兵， 李 飛， 翟愛萍， 尹榮花

(河南豫光鋅業(yè)有限公司， 河南 濟(jì)源 459000)

0 前言

某公司是一家采用常規(guī)濕法煉鋅工藝的企業(yè)，自投產(chǎn)以來，經(jīng)過十多年的發(fā)展，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量均有大幅度提高。但隨著鋅精礦資源的匱乏，原料成分越來越復(fù)雜，且雜質(zhì)含量越來越高，特別是在焙燒過程中易形成低熔點鹽類物質(zhì)的鉛、硅等雜質(zhì)含量升高，加之系統(tǒng)設(shè)備老化，故障率高，鋅沸騰焙燒爐爐結(jié)更容易形成，當(dāng)爐結(jié)厚度達(dá)到一定程度時將導(dǎo)致爐結(jié)坍塌生產(chǎn)事故發(fā)生。本文分析了爐結(jié)形成的原因，通過合理搭配鋅精礦、調(diào)整焙燒工藝控制參數(shù)和生產(chǎn)計劃等措施，爐結(jié)的形成和坍塌得到有效控制，保證了鋅焙燒爐的平穩(wěn)運行，降低了生產(chǎn)成本。

1 鋅精礦焙燒工藝流程

硫化鋅精礦沸騰焙燒過程，實質(zhì)上是在高溫下借助空氣中的氧進(jìn)行硫化物氧化的過程。即硫化鋅轉(zhuǎn)化成氧化鋅 ，硫以SO2形態(tài)進(jìn)入煙氣系統(tǒng)制酸，少部分硫以硫酸鹽的形態(tài)存在于鋅精礦焙砂中。硫化鋅精礦的焙燒在沸騰焙燒爐中進(jìn)行，焙燒產(chǎn)物為鋅精礦溢流焙砂和高溫含塵較高的煙氣，煙氣經(jīng)余熱鍋爐降溫除塵后再經(jīng)過旋風(fēng)除塵器、電除塵器除塵凈化后送制酸，溢流焙砂和鍋爐塵經(jīng)球磨后與旋風(fēng)煙塵和電收煙塵混合后送浸出。鋅精礦沸騰焙燒工藝流程如圖1。

圖1 鋅精礦沸騰焙燒工藝流程圖

主要反應(yīng)[1]如下：

MeS+O2→MeO+SO2↑

(1)

MeS+O2→MeSO4

(2)

SO2+O2→SO3↑

(3)

MeSO4+ MeS→MeO+SO2↑

(4)

MeO+SO3→MeSO4

(5)

MeO+SiO2→MeO·SiO2

(6)

2 鋅沸騰焙燒爐爐結(jié)形成的機(jī)理

2.1 爐結(jié)形成的機(jī)理

鋅沸騰焙燒爐在生產(chǎn)過程中氣體的線速度較大，部分物料細(xì)顆粒隨著煙氣流被帶入焙燒爐上部擴(kuò)大段爐膛中，由于空間擴(kuò)大，氣流速度降低，再加上煙塵顆粒自重原因，部分粘度大、熔點低的顆粒物質(zhì)沉落于焙燒爐傾斜爐壁上，在高溫作用下經(jīng)過長期積累便形成了爐結(jié)。

2.2 爐結(jié)的主要成分

近幾年對鋅沸騰焙燒爐爐結(jié)觀察發(fā)現(xiàn)，每次清理出來的爐結(jié)色差較大，有黃色、黑色及紅色等不同的顏色，化學(xué)成分差別也較大，對爐結(jié)抽樣化驗分析，其主要成分如表1。

表1 爐結(jié)的主要化學(xué)成分 %

從表1可以看出：爐結(jié)中可溶硫、可溶硅、鉛等含量較高，硫酸化焙燒和雜質(zhì)元素富集明顯。

2.3 爐結(jié)形成的原因分析

2.3.1 爐體結(jié)構(gòu)的影響

該公司采用上部擴(kuò)大的魯奇式沸騰焙燒爐，爐殼由鋼板焊接而成，內(nèi)襯輕質(zhì)粘土磚和耐腐蝕高鋁磚，爐殼處理面覆蓋保溫材料以保護(hù)鋼板不受腐蝕。沸騰焙燒爐是利用固體流態(tài)化技術(shù)使?fàn)t內(nèi)的物料在空氣的作用下懸浮在整個流體場中，由于焙燒爐上部爐膛煙氣含塵量較大，在擴(kuò)大段傾斜爐壁上易于沉落形成爐結(jié)[2]。

2.3.2 物料成分的影響

鋅精礦中的Pb、SiO2對焙燒爐生產(chǎn)來說是主要的有害雜質(zhì)，因其在焙燒過程中易生成低熔點(700～800 ℃)硅酸鹽類物質(zhì)[3]，這些低熔點物質(zhì)會在沸騰焙燒爐爐床、爐壁以及煙氣通道內(nèi)壁上形成結(jié)塊，阻礙焙燒爐正常運行。鋅沸騰焙燒爐正常生產(chǎn)過程中一般控制爐溫約900 ℃，精礦Pb+SiO2控制在4%以下，當(dāng)Pb+SiO2大于4.5%時，爐床或爐壁上生長爐結(jié)的幾率會大幅增加。該公司2013年～2017年入爐混合鋅精礦成分和爐結(jié)生長狀況如表2。

從表2中可以看出，入爐混合鋅精礦含鉛硅較高時，爐結(jié)生長較快，爐結(jié)量較多。并且2015年還出現(xiàn)過爐結(jié)坍塌生產(chǎn)事故。

表2 焙燒爐入爐混合鋅精礦成分及爐結(jié)情況

2.3.3 工藝條件的影響

鋅沸騰焙燒爐采用固體流態(tài)化沸騰焙燒技術(shù)，爐床上空氣線速度高，煙氣含塵量大，并且正常生產(chǎn)條件下需控制煙氣出口為微負(fù)壓，再加之焙燒爐自身有一定高度和拋料口物料的高速投入，在拋料口上方容易形成一個較大的負(fù)壓區(qū)域，導(dǎo)致較細(xì)的鋅精礦顆粒隨著拋料口進(jìn)入的新鮮空氣急速上升，從而容易在拋料口上方形成結(jié)塊。

2.3.4 局部反應(yīng)的影響

從爐結(jié)物理狀態(tài)看，有黑色、紅色和黃色三種顏色的爐結(jié)，黑色爐結(jié)較為厚重，主要集中于拋料口上方，可判斷爐膛上部溫度分布不均勻，拋料口上方溫度較高，主要是該區(qū)域氧氣充足，物料反應(yīng)較好，放出熱量較多。

2.3.5 產(chǎn)能提升的影響

對于已建成的沸騰焙燒爐，其爐床面積和配套的排熱裝置是無法改變的，要提高系統(tǒng)產(chǎn)能，鋅冶煉企業(yè)一般都會采取提高焙燒溫度和增大焙燒鼓風(fēng)量的方法。但隨著焙燒溫度和鼓風(fēng)強(qiáng)度的提高，沸騰床升高，氣流速度增大，爐膛中煙氣溫度和含塵量隨之升高，這時就有大量煙塵沉積在爐壁上，使?fàn)t結(jié)生長加速。

3 生產(chǎn)控制措施

針對影響鋅沸騰焙燒爐爐結(jié)生長的主要因素，結(jié)合生產(chǎn)實際，2016年以來公司采取以下控制措施減緩爐結(jié)生長，避免正常生產(chǎn)過程中出現(xiàn)爐結(jié)坍塌事故。

3.1 徹底清理爐壁結(jié)塊

公司近年來在每次焙燒爐大修停爐時，對爐壁上已長爐結(jié)進(jìn)行徹底處理，不留死角，對爐壁上的漏氣點，特別是焙燒爐倒錐形擴(kuò)大段和與之銜接的直線段部位的漏風(fēng)點，進(jìn)行密封處理，減緩正常生產(chǎn)時煙塵積聚生長。

3.2 入爐物料精細(xì)化管理

為降低入爐混合鋅精礦對爐結(jié)生長速度的影響，在鋅精礦入廠時，利用現(xiàn)有的場地和儲倉，根據(jù)來料成分分類堆放，并將高鉛、高硅鋅精礦單獨堆放，合理搭配使用，使入爐混合鋅精礦中Zn、S、Pb、SiO2、Fe等的含量達(dá)到工藝要求。生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，入爐混合鋅精礦含Pb≥1.5%、SiO2≥3.5%時，不僅爐內(nèi)沸騰狀態(tài)不好，且煙塵粘度增大，容易在焙燒爐擴(kuò)大段傾斜爐壁上沉落積聚，再經(jīng)過長期的高溫反應(yīng)而形成爐結(jié)。因此在日常生產(chǎn)中嚴(yán)格物料管理，實行精細(xì)化配料，入爐混合鋅精礦中Pb、SiO2等雜質(zhì)成分控制范圍如表3。

表3 入爐混合鋅精礦中Pb、SiO2雜質(zhì)成分控制范圍 %

另外，不同產(chǎn)地的鋅精礦，比如粒度較細(xì)的進(jìn)口礦，也單獨堆存，在粒度較細(xì)的鋅精礦配入比例超過30%時，適當(dāng)提高入爐混合鋅精礦含水在8%～10%，以降低煙氣含塵率，減少煙塵在爐壁上的沉落積聚，降低爐結(jié)的生長速度。

3.3 對拋料口進(jìn)行密封

入爐混合鋅精礦通過高速運轉(zhuǎn)拋料機(jī)帶入焙燒爐內(nèi)，同時會在拋料口產(chǎn)生一個較大的負(fù)壓區(qū)域，將爐體外部的新鮮空氣帶入爐內(nèi)，這樣會在拋料口上方形成激烈的沸騰湍流反應(yīng)空間，使高溫的沸騰煙塵沉積在爐壁上形成爐結(jié)。為防止該部位爐結(jié)的生長，正常生產(chǎn)過程中將拋料口四周密封，杜絕局部反應(yīng)區(qū)域的形成，使焙燒爐內(nèi)形成均勻的沸騰空間，減緩爐結(jié)的生長。

3.4 穩(wěn)定焙燒爐運行

焙燒爐正常運行過程中，爐結(jié)的生長速度較慢，但焙燒爐開爐過程中使用燃油輔助升溫時，爐頂溫度往往難以控制而出現(xiàn)高溫情況，極易造成爐壁上沉積的煙塵軟化而形成爐結(jié)。而在停爐時焙燒爐降溫又是必有的操作過程，特別是時長超過4 h停爐，期間必須進(jìn)行焙砂松動操作以防止?fàn)t床燒結(jié)，從而使大量冷空氣進(jìn)入爐內(nèi)，造成爐結(jié)溫度波動大，發(fā)生熱脹冷縮使?fàn)t結(jié)松動，導(dǎo)致爐結(jié)坍塌。因此公司每次臨時停車，都會針對不同情況制訂合理方案，盡可能將停車時間控制在4 h之內(nèi)，避免爐內(nèi)降溫幅度過大。

4 結(jié)束語

通過加強(qiáng)爐壁爐結(jié)清理，入爐鋅精礦和焙燒爐穩(wěn)定運行的精細(xì)化管理，以及對焙燒爐拋料口密封改進(jìn)等措施的實施，近兩年雖然入爐混合鋅精礦鉛硅含量提高，但未再發(fā)生過爐結(jié)坍塌的生產(chǎn)事故。因此，建議焙燒爐入爐鋅精礦合理搭配，控制Pb+SiO2含量在4.8%以下，穩(wěn)定焙燒爐運行，降低生產(chǎn)成本。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 梅光貴.濕法煉鋅學(xué)[M]．長沙：中南大學(xué)出版社，2001．

[2] 《有色冶金爐設(shè)計手冊》編委會．有色冶金爐設(shè)計手冊[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2000．

[3] 王利君．鋅精礦沸騰焙燒過程中SiO2的行為[J]．礦冶工程，1995(1)：48-52．