佐賀關(guān)冶煉廠閃速熔煉爐改進(jìn)措施

鄭 寧 摘譯

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

國(guó)外工程技術(shù)

佐賀關(guān)冶煉廠閃速熔煉爐改進(jìn)措施

鄭 寧 摘譯

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

佐賀關(guān)(Saganoseki)冶煉廠是日本最大的冶煉廠之一，目前采用單臺(tái)閃速熔煉爐，年產(chǎn)新銅45萬(wàn)t。該冶煉廠曾運(yùn)行過兩臺(tái)閃速爐，1996年將兩臺(tái)爐子合二為一。從1996年至今，該冶煉廠對(duì)閃速爐進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)升級(jí)改造，提高了年產(chǎn)量。為提高效率，保證穩(wěn)定運(yùn)行作為首要考慮因素，為提高運(yùn)行和設(shè)備的可靠性而采取了措施。目前，閃速爐給料率為215DMT/h，設(shè)備利用率控制在97%。本文概括介紹了近一段時(shí)間為提高爐子的生產(chǎn)率和效率所采取的改造措施。

銅； 冶煉廠； 閃速熔煉爐； 運(yùn)行

為提高生產(chǎn)效率，1996年佐賀關(guān)冶煉廠將兩臺(tái)閃速熔煉爐(FSF)合二為一，同時(shí)維持同樣的生產(chǎn)水平。1999年，該冶煉廠進(jìn)行技改，將閃速熔煉爐給料量增加至170 DMT/h，年產(chǎn)銅增加至450 000 t/年。進(jìn)入21世紀(jì), 該廠進(jìn)行了工藝改造工程，目的在于提升主要設(shè)備的生產(chǎn)率及閃速熔煉爐的精礦處理量。因此，冶煉廠、酸廠以及電解車間都進(jìn)行了多項(xiàng)改造以提升競(jìng)爭(zhēng)力。 本報(bào)告概括了為提高生產(chǎn)率及操作穩(wěn)定性,對(duì)閃速熔煉爐進(jìn)行的各項(xiàng)改造措施。

1 提升閃速熔煉爐生產(chǎn)規(guī)模的改造措施

圖1中顯示了銅產(chǎn)量，閃速熔煉爐給料量以及精礦銅硫比的變化。1999年佐賀關(guān)冶煉廠銅產(chǎn)量曾達(dá)到450 000 t/年。然而，由于精礦中含銅量減少，21世紀(jì)初期銅產(chǎn)量開始逐年下降。因此，為了解決閃速熔煉爐和硫酸生產(chǎn)中的瓶頸問題， 佐賀關(guān)冶煉廠進(jìn)行了工藝改造工程，其中包括保持銅產(chǎn)量的計(jì)劃。

圖1 改造后銅產(chǎn)量、閃速熔煉爐給料量以及 精礦銅硫比的變化

1.1 提高熔劑和精礦給料量

圖2 提高閃速熔煉爐給料量方案

圖3 熔劑破碎及給料系統(tǒng)的工藝流程變化

圖2為提高閃速熔煉爐給料量的操作方案。銅精礦中含銅量下降導(dǎo)致含鐵量上升。因此為實(shí)現(xiàn)設(shè)定的給料量目標(biāo)值，精礦給料量提升了25 DMT/h，同時(shí)有必要將二氧化硅熔劑給料量增加10 DMT/h。 為克服上述所有問題，佐賀關(guān)冶煉廠在閃速熔煉爐附近新增一臺(tái)大型熔劑球磨機(jī)。這樣二氧化硅熔劑就可以在新球磨機(jī)中破碎干燥后，由氣動(dòng)裝置獨(dú)立輸送至閃速熔煉爐車間頂部，在閃速熔煉爐給料系統(tǒng)中與精礦混合后再送入爐中。新增球磨機(jī)、熔劑給料系統(tǒng)以及氣動(dòng)輸送系統(tǒng)的能力設(shè)計(jì)為35 DMT/h。改造后，在配料場(chǎng)無(wú)需混合熔劑，現(xiàn)有精礦的配料、輸送以及干燥系統(tǒng)僅用于處理精礦和原料。該系統(tǒng)示意圖見圖3。

新增熔劑球磨機(jī)和氣動(dòng)輸送系統(tǒng)總體上提高了閃速熔煉爐的干燥能力及給料量，建設(shè)投資卻不高。另外，改造后，佐賀關(guān)冶煉廠也可以采用更便宜的粗粒熔劑，這樣也降低了物料成本。

1.2 閃速熔煉爐余熱鍋爐擴(kuò)建

閃速熔煉爐余熱鍋爐原有設(shè)計(jì)采用自然循環(huán)系統(tǒng)。1996年，增加了一套強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，在輻射區(qū)增加了管屏和擋板。為對(duì)應(yīng)閃速熔煉爐給料量的增加，計(jì)劃將余熱鍋爐蒸氣產(chǎn)量由42 t/h提升至53 t/h， 因此蒸氣分離系統(tǒng)的能力就無(wú)法滿足擴(kuò)建工程的需求。

佐賀關(guān)冶煉廠曾審核了一份更換氣包的計(jì)劃，但可能導(dǎo)致高額的投資和較長(zhǎng)的停爐時(shí)間。因此，增加了一個(gè)小型的氣包，僅用于強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，而原有氣包僅用于自然循環(huán)系統(tǒng)。 通過增加新氣包和分流蒸氣循環(huán)系統(tǒng)的措施，余熱鍋爐的能力從47 t/h增加至60 t/h，已滿足閃速熔煉爐給料量提升的需求。蒸氣回收率的提升也相應(yīng)增加了發(fā)電量。

1.3 改進(jìn)反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)

由于給料量提升帶來(lái)更大的熱負(fù)荷，現(xiàn)有閃速熔煉爐冷卻系統(tǒng)不能滿足需求。為解決熱負(fù)荷增加的問題，采取了以下改造措施，詳見圖4。

圖4 閃速熔煉爐改造措施

(1)反應(yīng)塔下部：水冷銅管更換為銅水套。

(2)反應(yīng)塔和沉淀池之間的結(jié)合部：用銅水套代替水冷銅管后，銅水套的外形依然保持銅管的彎曲形狀。

(3)沉淀池頂部的反應(yīng)塔外角：吊掛耐火材料更換為銅水套。

(4)排锍孔：排锍孔周圍也增加了銅水套，以增強(qiáng)耐火材料的冷卻效率。

圖5展示了為反應(yīng)塔下部區(qū)域以及結(jié)合部安裝銅水套的過程。由于改造過的銅水套比之前采用的銅管要重，在安裝和校準(zhǔn)時(shí)遇到不少困難。然而，新的銅水套表面生成了一層穩(wěn)定的自包層，這樣就可以保證不漏水，至少使用6年以上。

圖5 反應(yīng)塔下部區(qū)域改造后的銅水套

1.4 改造余熱鍋爐，提升閃速熔煉爐作業(yè)率

圖6按照年代順序展示了佐賀關(guān)冶煉廠閃速熔煉爐作業(yè)率的變化趨勢(shì)。閃速熔煉爐的作業(yè)率極易受到余熱鍋爐管磨損以及爐內(nèi)積塵的影響。為解決這些問題，采取了以下措施。

圖6 按照年代順序閃速熔煉爐作業(yè)率及 給料量的變化趨勢(shì)

1.4.1 改進(jìn)鍋爐管材料

為采取有效措施控制鍋爐管的磨損率，進(jìn)行了各種材料的強(qiáng)制腐蝕試驗(yàn)。結(jié)果顯示，在高溫和二氧化硫/三氧化硫高濃度條件下，有一種多層復(fù)合管具備極強(qiáng)的耐腐蝕性，外部為特殊不銹鋼，內(nèi)部為碳鋼。盡管在輻射區(qū)的某些部位已經(jīng)采用這種鍋爐管，依然決定將整個(gè)輻射區(qū)的管道都更換為這種復(fù)合管。這是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工程，從2007年開始執(zhí)行。 自從為降低鍋爐管的磨損率更換管子后，自2008年起鍋爐管的磨損率大幅下降，閃速熔煉爐作業(yè)率也大幅提高。

1.4.2 優(yōu)化鍋爐內(nèi)部氣流，解決積塵問題

由于廢氣量大且含煙塵，在余熱鍋爐輻射區(qū)側(cè)墻及頂部有局部結(jié)垢現(xiàn)象。結(jié)垢不僅影響氣體和鍋爐管之間的熱傳遞，而且有時(shí)會(huì)掉落并阻塞鍋爐料斗，因此降低了閃速熔煉爐的作業(yè)率。發(fā)現(xiàn)當(dāng)閃速熔煉爐的廢氣流跑偏并直接沖向側(cè)墻或鍋爐內(nèi)頂管時(shí)，鍋爐內(nèi)煙塵結(jié)垢就開始增厚。因此，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)建模技術(shù)進(jìn)行煙氣分析，來(lái)確定二次煙氣流的最佳條件。

圖7顯示的是改造后余熱鍋爐煙氣量的變化。如果沒有進(jìn)行改造，高溫?zé)煔鈩t直接沖擊鍋爐側(cè)墻。但是改造了二次煙氣工況后，煙氣直接進(jìn)入輻射區(qū)的尾端。因?yàn)樵毣癄t二次煙氣送佐賀關(guān)冶煉廠的余熱鍋爐處理, 因此改造該了爐子的煙氣輸送系統(tǒng)。根據(jù)模擬結(jié)果，降低了煙塵堆積的頻率，并且提高了閃速熔煉爐的作業(yè)率。

圖7 鍋爐內(nèi)的煙氣流動(dòng)

1.4.3 強(qiáng)化閃速熔煉爐沉淀池冷卻系統(tǒng)

之前佐賀關(guān)冶煉廠經(jīng)常停爐維修，以便對(duì)余熱鍋爐和氧氣站進(jìn)行法定的視察。但是，視察政策比較寬松，有可能間隔兩年才視察一次。因此有望提高閃速熔煉爐作業(yè)率，同時(shí)降低運(yùn)行成本。所以嘗試將停爐間隔從一年延長(zhǎng)至兩年。

延長(zhǎng)停爐時(shí)間間隔，影響最大的就是沉淀池耐火材料的使用壽命，尤其是反應(yīng)塔下部區(qū)域。因?yàn)楝F(xiàn)有的銅水套僅冷卻耐火材料的后部，所以冷卻效果非常有限。而且爐子運(yùn)行一年之后，反應(yīng)塔下部沉淀池的耐火材料幾乎都掉光了。為延長(zhǎng)耐火材料的壽命，從2008年起做了多種類型的冷卻水套試驗(yàn)。最終發(fā)現(xiàn)了一種“之”字型的冷卻板能從五個(gè)方向冷卻耐火磚，可將耐火磚服務(wù)年限延長(zhǎng)四年以上。圖8比較了爐子運(yùn)行兩年后原有水套和改造后水套耐火磚的磨損程度。

圖8 冷卻水套改造前后耐火磚的磨損程度對(duì)比

自2009年起，改造水套工程就開始實(shí)施，并有效提高了耐火磚的使用壽命。2011年起陸續(xù)將停爐間隔時(shí)間從一年延長(zhǎng)至兩年。該停爐方案提高了閃速熔煉爐的作業(yè)率，銅產(chǎn)量也相應(yīng)提高了3%。

2 提升銅產(chǎn)量

隨著作業(yè)率的提高，采取多項(xiàng)改造措施提升產(chǎn)量。下面主要討論穩(wěn)定精礦粒在反應(yīng)塔中的反應(yīng)和節(jié)能降耗這兩方面。

2.1 穩(wěn)定精礦顆粒的反應(yīng)

采用CFD建模技術(shù)優(yōu)化精礦噴嘴的設(shè)計(jì)及精礦入爐條件來(lái)穩(wěn)定精礦的反應(yīng)。 圖9展示了用軟件FLUENT做的CFD模擬成果。CFD模擬中驗(yàn)證了多項(xiàng)不同的噴嘴配置和流量條件，某些還在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行了試驗(yàn)。圖9對(duì)驗(yàn)證案例的氧氣分布和溫度曲線進(jìn)行對(duì)比。在案例1中，主框架的長(zhǎng)度太長(zhǎng)了，導(dǎo)致反應(yīng)塔底部的氧氣濃度依然很高。這就意味著精礦在反應(yīng)塔中滯留結(jié)束時(shí)，精礦發(fā)生的是不完全氧化反應(yīng)。 在案例2中，框架長(zhǎng)度較短，由于二次煙氣輸送的風(fēng)速、方向和富氧濃度發(fā)生變化，反應(yīng)塔底部的溫度曲線較高。很明顯，案例2中的配置比案例1提供了更好的精礦反應(yīng)條件.這樣就能夠創(chuàng)造出更好的混合條件，保證在最大給料量條件下進(jìn)行一致的反應(yīng)。但是，為獲得更好的技術(shù)性能，將繼續(xù)研發(fā)性能更佳的精礦噴嘴和配置。

圖9 精礦噴嘴CDF建模范例

2.2 減少化石燃料的使用

為節(jié)能降耗，主要關(guān)注精礦干燥爐使用的重油，這也是佐賀關(guān)閃速爐所用的唯一化石能源。采用從硫酸廠回收的熱風(fēng)鼓吹技術(shù)大幅度降低了能耗。圖10展示了精礦干燥爐單位重油消耗按照年代順序的變化。2014年硫酸廠引進(jìn)了一種煙氣冷卻裝置，設(shè)置在催化劑層的第二層出口處，用于冷卻三氧化硫氣體，也因此回收了400 ℃的熱空氣。為減少重油的使用，熱空氣鼓入閃速爐干燥爐的燃燒室中，降低了20%的油耗。下一步則是2008年安裝的蒸汽換熱器將干燥爐的二次空氣加熱至200 ℃。閃速爐

圖10 精礦干燥爐重油消耗的變化

和酸廠余熱鍋爐的蒸汽都送到換熱器，這樣油耗又減少了16%。

3 結(jié)論

為適應(yīng)銅精礦中銅品位的變化，佐賀關(guān)冶煉廠將閃速爐給料量提升至原來(lái)的三倍。通過對(duì)運(yùn)行方案的多項(xiàng)改造和升級(jí)，爐子的作業(yè)率和產(chǎn)量也提高了。然而，近幾年下游冶煉廠的經(jīng)營(yíng)情況不太樂觀。為此，佐賀關(guān)冶煉廠也將為提高技術(shù)性能付諸不懈努力。

略)

蘇 平 校對(duì)

Improvements to the operation of the Saganoseki flash smelting furnace

Translated selectively by ZHENG Ning

Saganoseki Smelter, one of the largest copper producers in Japan, currently operates a single flash smelting furnace to produce 450000 tons of new copper annually. The smelter used to employ two flash furnaces, and integrated the tow into one in 1996. Since then, various improvements to its facilities and technologies have been made to increase productivity. To upgrade the operation efficiency, “stability” was considered a key issue, and the measures were taken to increase the operation and facility reliability. Currently, the furnace is running at a feet rate of 215 DMT/h. While the furnace utilization has been maintained at 97%. This paper outlines recent improvements that have made to increase furnace productivity and efficiency.

copper; smelter; flash smelting furnace; operation

鄭 寧(1980—)，女，福建福州人，碩士，中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司海外業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)人及英文翻譯。

2016-12-16

TF811

B

1672-6103(2017)01-0001-04