銅富氧底吹爐系統(tǒng)熱工診斷與節(jié)能措施

吳 克 邊瑞民 閆紅杰 崔志祥 王 智

(1.中南大學能源科學與工程學院, 湖南 長沙 410083；2.東營方圓有色金屬有限公司, 山東 東營 257091)

銅富氧底吹爐系統(tǒng)熱工診斷與節(jié)能措施

吳 克1邊瑞民2閆紅杰1崔志祥2王 智2

(1.中南大學能源科學與工程學院, 湖南 長沙 410083；2.東營方圓有色金屬有限公司, 山東 東營 257091)

通過對銅富氧底吹爐系統(tǒng)進行熱工測試，對其能量利用狀況、熱效率及其它相關測試結果進行了分析診斷。結果表明：銅富氧底吹爐的熱效率為54.17%，余熱鍋爐的熱效率為58.53%，整個系統(tǒng)的熱效率為77.46%。根據(jù)測試分析結果提出了系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)配料、節(jié)能降耗、提高熱效率等方面的措施。

銅富氧底吹爐； 熱工診斷； 熱效率； 節(jié)能措施

0 前言

氧氣底吹熔煉技術是我國自主開發(fā)的新一代熔池強化熔煉技術。某公司于2005年應用該技術進行產業(yè)化試驗工程，新建的年產10萬t規(guī)模的粗銅冶煉廠于2008年投入生產[1]。生產實踐表明：該技術具有對原料適應性強、生產效率高、可實現(xiàn)完全自熱熔煉、氧槍壽命長、能耗低、有害元素砷的揮發(fā)率高、有價元素(尤其是锍)對貴金屬的捕集率非常高等多種優(yōu)勢[1-4]。因此，自投產以來，氧氣底吹煉銅技術在國內取得了快速的發(fā)展。目前，在建和設計的工程還有東營方圓二期年處理100 萬～150萬t多金屬礦工程、包頭華鼎富氧熔池熔煉技術改造工程、垣曲冶煉廠處理50 萬t/a 多金屬礦綜合捕集回收改造工程等[5]。

目前，對銅富氧底吹爐(以下簡稱底吹爐)的研究為數(shù)不多。閆紅杰等[6]運用FLUENT 軟件對底吹爐內的高溫熔體氣液兩相流進行數(shù)值模擬，并通過水模型實驗對數(shù)值模擬結果進行了驗證。結果發(fā)現(xiàn)：適當增大氧槍傾角有利于底吹熔池熔煉過程的進行；適當減小氧槍直徑可以有效提高熔池氣含率。劉柳等[7]對氧氣底吹熔煉過程氣體噴吹行為、造锍熔煉化學反應機理及熔煉爐內熱工作狀態(tài)進行理論分析及水模型實驗，并對渣、銅锍和蘑菇頭進行了物相分析。張振揚[8]運用田口方法，對底吹爐的氧槍尺寸、氧槍間距和氧槍傾角進行了多目標優(yōu)化研究，得出三個因素的最優(yōu)組合為：氧槍直徑0.06 m、氧槍間距0.98 m、氧槍角度17°。曲勝利等[9]通過試驗研究了塊煤對冰銅成分和渣性的影響、氧化鈣對冰銅成分的影響、銅渣Fe/SiO2對爐渣性質和冰銅成分影響。

國外，Zhao Baojun[10]依據(jù)某公司的底吹爐，建立了一個1∶12底吹爐模型來研究底吹爐的動力學特性。作者將Ar氣從模型底部注入水中，研究氣體的流速和熔池深度對混合時間的影響。用KCl作為示蹤劑來確定混合時間。研究發(fā)現(xiàn)，混合時間隨氣體流速和熔池深度的增加而減小。

氧氣底吹煉銅技術工業(yè)應用時間還較短，仍在研究與實踐過程中不斷改進和完善。現(xiàn)有的文獻主要是從數(shù)值模擬、水模型實驗、生產試驗這三個方面對該技術進行理論研究和工藝優(yōu)化。然而對底吹爐生產狀況和能量收支等情況缺少系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和研究分析。而熱工診斷是考察設備運行狀態(tài)、操作參數(shù)的合理性及能量構成、分布、流向和利用水平的行之有效的科學手段[11]。目前，關于底吹爐的熱工診斷研究還沒有相關的文獻報導。在對東營方圓公司的底吹爐系統(tǒng)進行熱工測試，獲得其正常生產時各項熱工參數(shù)的基礎上，本文對底吹爐系統(tǒng)的能量利用狀況、熱效率及其它相關測試結果進行分析診斷，找出底吹爐在生產中存在的問題和不足，挖掘其節(jié)能減排潛力，并提出相應的節(jié)能技術改造建議，降低熱損失，提高能源利用效率，為東營二期項目提供技術理論參考。

1 系統(tǒng)工藝介紹

底吹爐系統(tǒng)生產流程如圖1所示。底吹爐采用臥式轉動爐，混合銅精礦不需要干燥、磨細，直接與熔劑(石英)、冷料配料后由皮帶傳輸，從爐頂加料口連續(xù)加入爐內。氧氣和空氣通過底部氧槍連續(xù)送入爐內的銅锍層。爐料中的Fe、S不斷被迅速氧化、造渣。銅锍從底吹爐側面的放锍口定期放出，由銅锍包吊運至P- S轉爐進行吹煉。爐渣從底吹爐端部定期放出，由渣包吊運至緩冷場，緩冷后進行渣選礦。煙氣進入余熱鍋爐，經電收塵后進入制酸廠處理。

圖1 底吹爐系統(tǒng)工藝流程示意圖

2 測試范圍和標準

熱工測試的范圍：以底吹爐為熱平衡體系，物料平衡和熱平衡從爐料、熔劑、入爐富氧空氣至銅锍口、渣口、余熱鍋爐煙氣出口為止，爐門及爐體冷卻介質從冷卻部件入口至出口。

測試和計算參照以下標準執(zhí)行：

(1)GB/T 2586—1991 《熱量單位、符號與換算》；

(2)GB/T 2587—2009 《用能設備能量平衡通則》；

(3)GB/T 2588—2000 《設備熱效率計算通則》；

(4)GB/T 17357—2008 《設備及管道絕熱層表面熱損失現(xiàn)場測定熱流計法和表面溫度法》；

(5)GB/T 2589—2008 《綜合能耗計算通則》。

3 測試結果與分析

3.1 測試結果

3.1.1 物料平衡

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，結合廠方生產統(tǒng)計數(shù)據(jù)，按照國家相關標準進行計算處理。所得底吹爐系統(tǒng)的物料平衡見表1、表2。

3.1.2 熱平衡

根據(jù)能量守恒原理，單位時間內供入爐內的熱量之和應等于從爐子排出各種熱量之和，即：

Qin=Qout

(1)

其中熱收入項包括：入爐物料帶入物理熱、礦物氧化放熱、造渣放熱；熱支出項包括：出爐物料帶走物理熱、化學離解吸熱、水分蒸發(fā)吸熱、爐體表面散熱、冷卻水帶走熱等。各項計算方法如下：

(1)入爐物料帶入物理熱：

Qrl=mrlcrl(trl-te)

(2)

其中：mrl為入爐物料質量，包括爐料、富氧空氣、漏風，kg/h；crl為入爐物料比熱，kJ/(kg·℃)；trl為入爐物料入爐溫度，℃；te為環(huán)境溫度，℃。

(2)礦物氧化放熱：爐料中的礦物會分解出硫和FeS，兩者與氧氣反應放熱：

表1 底吹爐物料平衡表

表2 余熱鍋爐物料平衡表

Qkw=mkwΔHkw

(3)

其中：mkw為硫或FeS的質量，kg/h；ΔHkw為硫或FeS的氧化反應熱，kJ/kg。

(3)造渣放熱：

Qzz=mzzΔHzz

(4)

其中：mzz為爐渣中Fe2SiO4的質量，kg/h；ΔHzz為造渣反應熱，kJ/kg。

(4)出爐物料帶走物理熱：

Qcl=mclccl(tcl-te)

(5)

其中：mcl為出爐物料的質量，包括銅锍、爐渣、煙氣、煙塵，kg/h；ccl為出爐物料比熱，kJ/(kg·℃)；tcl為出爐物料入爐溫度，℃。

(5)化學離解吸熱。爐料中黃銅礦(CuFeS2)、黃鐵礦(FeS2)、斑銅礦(Cu5FeS4)受熱離解時，會吸收熱量：

Qlj=mljΔHlj

(6)

其中：mlj為某礦物的質量，kg/h；ΔHlj為該礦物離解反應吸熱，kJ/kg。

(6)水分蒸發(fā)吸熱：

Qsf=msf(hrl-hcl)

(7)

其中：msf為入爐水分的質量，包括爐料和空氣中的水分，kg/h；hrl為入爐水分的熱焓，kJ/kg；hcl為出爐水蒸氣的熱焓，kJ/kg。

(7)爐體表面散熱：

Qlt=KA(tlt-te)

(8)

其中：K為爐體與環(huán)境空氣的綜合換熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)；A為爐體表面積，m2；tlt為爐體表面溫度，℃。

(8)冷卻水帶走熱:

Qlq=mlqclq(tin-tout)

(9)

其中：mlq冷卻水質量，kg/h；clq為冷卻水比熱，kJ/(kg·℃)；tin為冷卻水進口溫度，℃；tout為冷卻水出口溫度，℃。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)與礦物分析結果，按照以上各項計算方法，得到底吹爐和余熱鍋爐的熱平衡表如表3、表4所示。

表5為熱工測試所得的底吹爐系統(tǒng)主要能耗指標與經濟技術指標。

3.2 測試結果分析

(1)底吹爐熱收入主要來自FeS和硫的氧化放熱。爐料中黃銅礦(CuFeS2)、黃鐵礦(FeS2)、斑銅礦(Cu5FeS4)會分解出FeS和硫。根據(jù)表3，F(xiàn)eS的氧化放熱為151 526.15 MJ/h，占底吹爐熱收入的70.17%；硫的氧化放熱為56 735.30 MJ/h，占底吹爐熱收入的26.28%；二者放熱之和占底吹爐熱收入的96.47%。因此FeS和硫的氧化放熱是實現(xiàn)底吹爐自熱熔煉的關鍵。

表3 底吹爐熱平衡表

表4 余熱鍋爐熱平衡表

表5 底吹爐系統(tǒng)主要經濟技術指標

注：(1)體積床能率=干混合物料質量/底吹爐反應區(qū)體積；

(2)熱效率為有效熱支出與所有熱收入之比。有效熱為完成工藝過程所需的熱量，對于底吹爐，有效熱包括：銅锍帶走熱、爐渣帶走熱、化學離解吸熱；對于余熱鍋爐，有效熱為蒸汽帶走熱；

(3)氧料比為單位時間內入爐氧氣與爐料之比。

(2)底吹爐出口煙氣量大，帶走了大部分熱量。表6給出了底吹爐與其他常見熔煉爐煙氣帶走熱的比例[12]。在這些熔煉工藝中，底吹爐煙氣帶走熱所占的比例最小。然而就底吹爐本身而言，底吹爐出口煙氣體積流量為39 667.26 Nm3/h，質量流量為66 480.8 kg/h，占底吹爐物料收入的54.36%，其帶走熱量為62 754.69 MJ/h，占底吹爐熱收入的29.07%，為最大熱支出項。底吹爐出口煙氣量大，溫度高(達1 083 ℃)，帶走了大量顯熱，從而降低了底吹爐熱效率。因此，一方面要對煙氣余熱進行回收利用；另一方面，要減少底吹爐的漏風，如加強排煙口的密封性等，以減少煙氣量。

(3)爐渣帶走熱量較大。通過元素平衡計算發(fā)現(xiàn)底吹爐的爐料中有93.50%的Fe進入渣中，爐渣質量相對銅锍質量較大，且爐渣排出溫度高達1 256.8 ℃。爐渣帶走熱量為62 236.8 MJ/h，占底吹爐熱收入的28.83%，如何利用爐渣帶走的大量顯熱值得探討。

表6 常見熔煉爐煙氣帶走熱的比例

(4)混合物料中的水分蒸發(fā)吸熱大。混合物料中的水分蒸發(fā)吸熱25 081.43 MJ/h，占總熱收入的11.62%。它與煙氣帶走的熱量之和占總熱收入的40.69%，很大程度上降低了底吹爐熱效率。爐內水分主要來源于混合物料的水分蒸發(fā)，若合理降低混合物料中的水含量，可以減少水分蒸發(fā)帶走熱，提高爐子熱效率。

(5)底吹爐保溫效果較好，但局部表面溫度過高。底吹爐冷卻水帶走的熱量僅占總熱收入的1.93%，爐子表面散僅占總熱收入的1.74%，爐子保溫效果較好。

通過熱成像儀發(fā)現(xiàn)底吹爐在沒有冷卻水套的區(qū)域存在局部表面溫度過高的現(xiàn)象，溫度最高可達305 ℃。底吹爐表面溫度過高現(xiàn)象主要出現(xiàn)在靠近東端頂部的煙氣區(qū)和靠近西端底部的熔體區(qū)。經過分析，這兩個區(qū)域是煙氣循環(huán)死區(qū)和熔體循環(huán)死區(qū)。爐體局部溫度過高易導致爐墻燒損。因此，可長期對底吹爐表面溫度進行監(jiān)測，找出爐體表面局部溫度長期過高的區(qū)域，采取必要措施(如增加鼓風機散熱)來避免局部表面溫度過高，減緩此處爐墻燒損。同時可研究爐內熔體和煙氣的流動規(guī)律，尋求改善爐內流場和溫度場的途徑，盡量避免爐內出現(xiàn)流動死區(qū)的現(xiàn)象。

(6)余熱鍋爐出口煙氣及水分帶走熱大。余熱鍋爐出口煙氣帶走熱占鍋爐總熱收入的22.70%，煙氣水分帶走熱占17.51%，兩者之和占40.21%，大大降低了余熱鍋爐熱效率。

(7)測試結果合理。表1～表4中最大誤差為6.09%，在合理范圍內。表7為測試結果與測試前爐子正常生產時一個月的統(tǒng)計平均數(shù)據(jù)對比。由表7可知，測試時爐子處于正常運行狀態(tài)，部分指標有所改善。其中投料量增加了6.38%，銅锍產量增加了5.70%，銅直收率增加了4.09%，渣率降低了15.44%，煙塵率降低了62.78%。

表7 底吹爐正常生產期與測試期部分運行指標對比

3.3 節(jié)能措施

3.3.1 分析爐料的物相成分實現(xiàn)最優(yōu)配料

由前面分析可知，F(xiàn)eS和硫的氧化放熱是實現(xiàn)底吹爐自熱熔煉的關鍵。FeS和硫主要來自爐料中黃銅礦(CuFeS2)、黃鐵礦(FeS2)和斑銅礦(Cu5FeS4)這三種礦物的分解。在底吹爐的熱支出項中，這三種礦物的化學離解吸熱為33 191.60 MJ/h，占總熱收入的15.37%，其中主要是黃銅礦分解吸熱。

如果能明確銅精礦中礦物的物相和含量，計算其分解的FeS和硫的質量，便可在爐料中搭配含F(xiàn)e、S低(或熔煉需要吸收大量外部熱)的銅礦，防止FeS和硫氧化放出熱量的浪費，為入爐物料的最優(yōu)配比和入爐氧氣量的精細控制提供技術依據(jù)，從而減少生產的經濟成本。

3.3.2 回收爐渣顯熱

目前，世界上對爐渣大部分使用濕法處理工藝。該技術簡便，但容易產生大量污水、腐蝕性蒸汽和粉塵，且污水后期處理困難并浪費了大量優(yōu)質的爐渣顯熱。

自20世紀70年代，國外就開始針對高溫爐渣開展能夠回收顯熱的干式處理技術的研究，其中主要技術有機械碎渣法、風淬法和離心?；╗13]。而風淬法和離心?；ㄗ罹叽硇裕P于這兩種技術的研究也最多。

俄羅斯Ural 鋼鐵研究院開發(fā)了一套如圖2所示的風淬余熱回收系統(tǒng)，并已投入了工業(yè)化階段的使用。這套裝置主要由一個振動床和一個氣- 固流化床構成。液態(tài)鋼渣由渣罐倒入中間漏斗，通過其底部噴嘴的高速氣流淬散，并送入余熱回收室，在回收室內形成顆粒，并收集輻射熱。然后通過振動床沿著斜面抖入流化床繼續(xù)進行余熱收集。振動床的作用主要是防止高溫渣粒在傾入流化床之前再次粘結而影響?；Ч?。最終經過流化床的渣粒由鏈板運輸機運至儲料斗。這套系統(tǒng)回收到的高爐爐渣可以被冷卻至160～200 ℃[14-15]。

圖2 風淬余熱回收系統(tǒng)

澳大利亞CSIRO的研究組成員研發(fā)了一套轉碟法余熱回收系統(tǒng)[16-20]。該系統(tǒng)分為兩個階段：首先，通過轉盤甩出的熔渣被上升氣流擊碎、粒化，溫度下降到約900 ℃，并形成玻璃體結構。破碎的渣粒落入位于其下的填充床，進行余熱回收。整個流程過后，渣?？杀焕鋮s到約50 ℃，而熱空氣溫度超過600 ℃。該系統(tǒng)余熱回收效率可達58.5%。截至2010年，該系統(tǒng)已經完成試驗并進入工業(yè)應用階段。

目前國內外對爐渣熱量的有效利用還處于研究階段，尚未實現(xiàn)工業(yè)化，且研究大多針對鋼鐵行業(yè)。因此可在了解底吹爐銅渣物化特性的基礎上，研究其降溫凝固特性、粒化特性等，并參考已有研究進行銅渣余熱回收試驗和余熱回收裝置的研發(fā)。

3.3.3 合理降低混合物料含水率

測試的混合物料含水率為6.78%，在其他量(入爐和出爐物料量、出口煙氣溫度等)不變的情況下，含水率每降低0.5%，混合物料水分蒸發(fā)吸熱量就減少1 851.03 MJ/h。這部分水分在余熱鍋爐被回收的熱量為616.07 MJ/h，因而整個底吹爐系統(tǒng)熱支出減少1 234.96 MJ/h，折標煤42.14 kg/h。若將節(jié)省的熱量轉換為有效熱，底吹爐熱效率會相應提高，同時余熱鍋爐熱效率也隨之提高。當混合物料含水率降低到2.78%時，整個底吹爐系統(tǒng)熱支出節(jié)省熱量9 879.66 MJ/h，折標煤337.09 kg/h(未考慮烘干經濟成本)。若將節(jié)省的熱量轉換為有效熱，則底吹爐熱效率可提高到61.01%，同時余熱鍋爐熱效率可提高到69%。但混合物料含水率過低會導致烘干經濟成本過高，且在物料運輸過程中易產生揚塵問題。因此要綜合考慮生產實際和經濟成本等因素，經濟合理的降低物料含水率。

3.3.4 回收低溫煙氣余熱

在回收低溫煙氣余熱之前，應定期檢修鍋爐管道，減少鍋爐漏風，從而減少鍋爐出口煙氣量，減少煙氣和水分帶走熱，提高余熱鍋爐熱效率。而在回收利用這部分熱損失方面，在考慮與電收塵、制酸系統(tǒng)配套和經濟成本的前提下，可優(yōu)先考慮將煙氣的余熱回收利用于生產工藝過程本身，如加熱烘干混合物料、預熱鍋爐給水、入爐空氣和氧氣。這樣，將煙氣中的余熱直接帶回生產工藝過程中，直接降低了生產工藝過程的能耗，比通過轉換裝置來回收煙溫的余熱更為經濟和有效。如得不到以上利用時，再考慮通過熱泵或溴化鋰制冷機進行冬季采暖，夏季制冷等其他利用方式。此外，有機郎肯循環(huán)發(fā)電技術(ORC)也是一條具有應用價值的節(jié)能途徑。

3.3.5 進一步提高數(shù)字化程度

底吹爐控制系統(tǒng)能對進出固體物料(混合物料、銅锍、渣)的質量、空氣和氧氣的流量、蒸汽質量和溫度等進行實時監(jiān)測和控制。生產過程中的加料量、送氧量控制均通過DCS系統(tǒng)完成。此外，底吹爐的爐料、銅锍、爐渣等物料都采用X熒光進行快速分析，用于指導生產。但不足的地方是，對某些與生產相關的參數(shù)(如加入爐內的三種銅精礦的質量、銅锍溫度、煙氣成分和溫度等)未能進行監(jiān)測計量，且對爐料的元素分析不包括氧元素，不能獲得礦料中用于氧化放熱的物相成分和Cu、Fe氧化物等的物相成分，這些關系到底吹爐內熔煉過程的熱平衡和耗氧量。因此底吹爐的數(shù)字化程度還可以進一步提高。

4 結論

(1)通過熱平衡測試和計算，銅氧氣底吹爐的熱效率為54.17%，底吹余熱鍋爐的熱效率為58.53%，整個系統(tǒng)的熱效率為77.46%。系統(tǒng)的熱效率較高，但可通過采取相關措施進一步提高熱效率。

(2)銅氧氣底吹爐系統(tǒng)的實時監(jiān)測和控制系統(tǒng)可進一步加強完善：增加對三種入爐銅精礦質量的分別計量；實時監(jiān)測氧氣、空氣、銅锍、爐渣等的溫度；實時監(jiān)測出口煙氣流量、溫度和成分；建立空氣和氧氣的實時調控系統(tǒng)。

(3)可進一步對銅氧氣底吹爐進行研究和優(yōu)化，如研究其內部熔池的物理場分布以及不同層次的氧勢及熔體成分，進而研究熔池反應機理和流場流動規(guī)律，以求更好地控制熔池溫度、爐體表面溫度、銅锍品位、渣含銅、爐渣Fe/SiO2等參數(shù)。開發(fā)不同銅礦種類、氧料比、爐溫等條件下銅锍品位和產量、渣量、爐渣Fe/SiO2的預測系統(tǒng)。在上述基礎上，結合歷史生產數(shù)據(jù)和經驗，開發(fā)設計底吹爐專家控制系統(tǒng)。

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Thermal Diagnosis and Energy-saving Measures on Copper Oxygen-enriched Bottom-blown Furnace System

WU Ke，BIAN Rui-min，YAN Hong-jie，CUI Zhi-xiang，WANG Zhi

By conducting thermal testing for copper oxygen-enriched bottom-blown furnace system, the situation of energy utilization，thermal efficiency and other related test results of the system are analyzed and diagnosed in the paper. It shows that the thermal efficiency of copper oxygen-enriched bottom-blown furnace is 54.17%, the thermal efficiency of waste heat boiler is 58.53%, and the thermal efficiency of whole system is 77.46% respectively. Then, the specific measures for copper oxygen-enriched bottom-blown furnace system, such as achieving the optimal way of mixing mineral aggregate, saving energy, improving thermal efficiency, and others are raised finally in the paper based on the analyzed result of thermal testing.

copper oxygen-enriched bottom-blown furnace； thermal diagnosis； thermal efficiency； energy-saving measures

2015-03-28

吳克(1989—)，男，湖南長沙人，碩士在讀，研究方向：有色金屬冶煉工藝設備。

TF811

A

1008-5122(2015)04-0021-07