大型流態(tài)化焙燒爐的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

李若貴

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

鋅冶煉工藝技術(shù)繁多,大部分工藝技術(shù)均需要焙燒工序,但凡采用焙燒工藝,焙燒爐就是最關(guān)鍵的核心設(shè)備之一。 早期焙燒爐形式分為道爾式與魯奇式,魯奇式焙燒爐相比于道爾式焙燒爐具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化、床能力大、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)[1]。 1991年,西北冶煉廠引進(jìn)第一臺(tái)109 m2焙燒爐,也是亞洲單系列最大的鋅冶煉配置爐體,帶動(dòng)了我國(guó)整體鋅冶煉技術(shù)水平的快速發(fā)展。 該焙燒爐在運(yùn)行至二十多年時(shí),已經(jīng)屬于超期服役,設(shè)備運(yùn)行故障率逐年增加,安全隱患加大,產(chǎn)品質(zhì)量在不斷下降,系統(tǒng)小修小改無(wú)法從根本上解決問(wèn)題。 中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)恩菲”)在消化吸收該技術(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)優(yōu)化,為西北冶煉廠開(kāi)發(fā)了1 臺(tái)新型152 m2流態(tài)化焙燒爐,用以替換原109 m2老焙燒爐。 此后,又先后在國(guó)內(nèi)建成投產(chǎn)多套焙燒系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了大型焙燒爐技術(shù)的推廣和普及[2-4]。

152 m2流態(tài)化焙燒爐是目前世界上最大的焙燒爐,該成果打破魯奇公司(現(xiàn)為OT 公司)123 m2焙燒爐的長(zhǎng)期技術(shù)壟斷,形成中國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代冶金爐技術(shù)。 該焙燒爐制定了安全可靠的爐頂設(shè)計(jì)方案,完成了152 m2焙燒爐爐型的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)建模,優(yōu)化完善了工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 因此152 m2流態(tài)化焙燒爐不僅僅是焙燒爐截面積加大和簡(jiǎn)單的體量放大,而是整體焙燒爐設(shè)計(jì)技術(shù)的革新。 本文對(duì)焙燒爐發(fā)展概況進(jìn)行介紹,并對(duì)152 m2焙燒爐的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)闡述,以期為同行業(yè)技術(shù)改造提供參考。

1 焙燒爐發(fā)展概況

自從我國(guó)自主開(kāi)發(fā)焙燒爐設(shè)計(jì)后,不再稱道爾式焙燒爐、魯奇式焙燒爐等外來(lái)名稱,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2002年規(guī)定統(tǒng)一稱國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的這類(lèi)焙燒爐為流態(tài)化焙燒爐,或簡(jiǎn)稱焙燒爐。

流態(tài)化焙燒技術(shù)發(fā)展很快,種類(lèi)繁多,也非常成熟,根據(jù)工藝特點(diǎn)要求及適用范圍,可以大致歸納為表1中的幾種類(lèi)型[5]。

表1 焙燒技術(shù)類(lèi)型

在鋅冶煉領(lǐng)域,適用的焙燒技術(shù)包括氧化焙燒技術(shù)和硫酸化焙燒技術(shù)。 目前,流態(tài)化焙燒已不再嚴(yán)格區(qū)分硫酸化焙燒與氧化焙燒界限,僅把1 000 ℃以上的焙燒稱高溫焙燒;原料含鉛高時(shí)采用制粒焙燒技術(shù);另外,焙燒爐的加料方式有干式加料和濕式加料之分。

流態(tài)化焙燒技術(shù)也在不斷地更新?lián)Q代,國(guó)外在這方面的研究成果主要包括雙爐串聯(lián)二次焙燒(小規(guī)模)、鋅再生(焙燒脫硫)冶煉等,許多研發(fā)成果還處于試驗(yàn)階段,尚不成熟,但這些成果都為我國(guó)流態(tài)化焙燒技術(shù)的發(fā)展起到了良好的推動(dòng)作用。

2 流態(tài)化焙燒技術(shù)及工藝流程

2.1 流態(tài)化焙燒技術(shù)

鋅精礦流態(tài)化焙燒利用具有一定氣壓的空氣,自下而上通過(guò)爐內(nèi)原料層,經(jīng)由風(fēng)帽的高速氣流對(duì)固體顆粒進(jìn)行噴吹,使焙燒爐內(nèi)沸騰層呈懸浮狀態(tài),達(dá)到固體顆粒(鋅精礦)與氣體氧化劑(空氣)的充分接觸,以利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。 焙燒爐內(nèi)主要的化學(xué)反應(yīng)見(jiàn)式(1) ～(6)[5]。

濕法煉鋅采用的原料是經(jīng)焙燒后的硫化鋅精礦,在焙燒過(guò)程中,可形成少量硫酸鹽以補(bǔ)償電積與浸出循環(huán)系統(tǒng)中硫酸的缺失,但焙燒礦中的可溶硫還不能平衡系統(tǒng)所需酸量,須在浸出系統(tǒng)中補(bǔ)酸。為了減少補(bǔ)酸量、提高鋅浸出率,應(yīng)減低焙燒礦中的不溶硫,選擇合理的焙燒工藝和焙燒爐可以達(dá)到這一目的[5,7]。

2.2 工藝流程

焙燒工藝發(fā)展到目前已經(jīng)非常成熟,比較完整的焙燒工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 流態(tài)化焙燒工藝流程簡(jiǎn)圖

3 大型流態(tài)化焙燒爐設(shè)計(jì)特點(diǎn)及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

早期,硫化鋅精礦平均粒度在200 目①200 目=0.074 mm;400 目=0.035 mm。左右,現(xiàn)在各選礦廠為了提高金屬回收率,硫化鋅精礦平均粒度普遍低于200 目,進(jìn)口硫化鋅精礦原料更細(xì),平均粒度達(dá)到400 目①左右,因此對(duì)焙燒爐的設(shè)計(jì)提出新的要求。 盡量考慮延遲細(xì)顆粒粉塵在爐膛停留時(shí)間,促使焙燒反應(yīng)更徹底。

1)優(yōu)化爐頂設(shè)計(jì)。 152 m2流態(tài)化焙燒爐是在109 m2焙燒爐的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)的,設(shè)計(jì)之初,構(gòu)建了溫度場(chǎng)模型和應(yīng)力場(chǎng)模型,并根據(jù)模型數(shù)據(jù),對(duì)爐子采用不同的磚體、爐殼、拱頂中心角、爐頂厚度各種組合方案的力學(xué)性能進(jìn)行了比較分析,最終確定了較為安全、可靠、合理的爐頂設(shè)計(jì)方案。

2)采用爐頂整體搗打?qū)＠夹g(shù)。 大型焙燒爐的爐頂跨度大,重量也大,設(shè)計(jì)與建造大型焙燒爐的爐頂是關(guān)鍵難點(diǎn)與核心技術(shù)所在。 以往小爐子(包括早期大部分109 m2焙燒爐)均采用拱形磚砌筑,但大爐子采用砌筑在技術(shù)上就更難。 中國(guó)恩菲與洛陽(yáng)市洛華粉體工程特種耐火材料有限公司共同開(kāi)發(fā)了焙燒爐爐頂整體搗打?qū)＠夹g(shù),該技術(shù)使得焙燒爐的整體穩(wěn)定性與安全性問(wèn)題得以有效解決,消除了爐頂?shù)舸u的危險(xiǎn)現(xiàn)象,而且爐頂整體重量減輕,施工進(jìn)度快,造價(jià)比砌筑更低。 現(xiàn)有運(yùn)行的3 臺(tái)152 m2焙燒爐,包括后期建設(shè)的109 m2焙燒都采用爐頂整體搗打技術(shù)。

3)采用特殊設(shè)計(jì)的爐柵風(fēng)帽。 焙燒爐的設(shè)計(jì)在不斷更新?lián)Q代,近年來(lái)設(shè)計(jì)的爐柵風(fēng)帽均采用直通型,摒棄蘑菇型,原來(lái)的蘑菇型風(fēng)帽存在清爐、清理風(fēng)帽孔困難的問(wèn)題。 有些民營(yíng)小企業(yè)采用一個(gè)直管上部焊接多個(gè)風(fēng)帽開(kāi)口的結(jié)構(gòu)替換原有的蘑菇型風(fēng)帽。 中國(guó)恩菲對(duì)風(fēng)帽進(jìn)行了特別設(shè)計(jì),使得其阻力更小,更不易堵塞。 爐柵搗打料與風(fēng)帽在同一平面,焙燒形成的顆粒在沸騰層可滾動(dòng)至底排料口排出。

4)焙燒爐下段采用新型搗打料代替砌磚。 焙燒爐下段部位開(kāi)口較多,大焙燒爐開(kāi)口接近20 個(gè)(測(cè)溫小開(kāi)口不包括在內(nèi))。 如果采用傳統(tǒng)的異型磚砌筑,存在異型磚的設(shè)計(jì)難、制造難、砌筑難等問(wèn)題,更關(guān)鍵的是沸騰層段由于長(zhǎng)期受焙砂沖刷,磚體之間的縫隙部位損壞比較快,如不及時(shí)更換,焙燒爐壽命及生產(chǎn)安全都會(huì)受到嚴(yán)重威脅。 焙燒爐下段全部采用搗打材料,不但節(jié)省工時(shí)、降低工程造價(jià),更減少了砌體縫隙被焙砂沖刷的危害。

3 種大型焙燒爐型典型設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 3 種大型焙燒爐型典型設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

焙燒過(guò)程的風(fēng)料比(鼓風(fēng)量與加料量)、溫度、熱平衡、殘硫率等是衡量焙燒運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo),如果操作不當(dāng),會(huì)造成沸騰層爐結(jié)、堆料、穿孔溝流等故障而停爐。 152 m2流態(tài)化焙燒爐及配套系統(tǒng)使焙燒單系列建設(shè)規(guī)模提高至15 萬(wàn)t 以上,這種特大型焙燒爐使得生產(chǎn)運(yùn)行更加穩(wěn)定,焙燒礦質(zhì)量更好。中國(guó)恩菲通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)相應(yīng)的配套設(shè)施,特別是余熱鍋爐、上料加料系統(tǒng)、焙砂冷卻系統(tǒng)等設(shè)備,確保152 m2流態(tài)化焙燒爐一次性投產(chǎn)成功,而且自投產(chǎn)以來(lái),生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定,焙燒礦平均不溶硫低,產(chǎn)品質(zhì)量較好。 該152 m2焙燒爐在工藝上合理、技術(shù)上可靠,而且投資、管理、運(yùn)行費(fèi)用合理,主要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下所述。

1)152m2流態(tài)化焙燒爐是目前世界上焙燒爐面積最大的爐型,年生產(chǎn)金屬鋅的能力達(dá)180 kt,焙燒床能力可達(dá)7.5 t/m2·d。

2)152m2流態(tài)化焙燒爐焙燒礦殘硫低,產(chǎn)品質(zhì)量好。 焙燒礦平均不溶硫含量為0.4% ～0.5%,提高了浸出工序鋅回收率。

3)大型焙燒爐規(guī)模大、單系列,比小焙燒爐單位噸鋅建設(shè)投資相對(duì)要低,另外還具有操作人員成本低、效益高的優(yōu)勢(shì)。 針對(duì)株洲冶煉集團(tuán)(以下簡(jiǎn)稱“株冶”)30 萬(wàn)t 鋅冶煉規(guī)模,選擇3 臺(tái)109 m2焙燒爐與2 臺(tái)152 m2焙燒爐進(jìn)行比較,可節(jié)約2 000萬(wàn)元工程建設(shè)費(fèi)。

4)大型焙燒爐廠房配置面積相對(duì)較小,規(guī)模大的焙燒爐在廠房配置方面優(yōu)勢(shì)更大。 設(shè)計(jì)30 萬(wàn)t規(guī)模廠房選擇152 m2焙燒爐比109 m2焙燒爐,焙燒廠占地面積可減少40%以上,節(jié)省大約10 000 m2占地。

5)大型焙燒爐生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定,且安全、環(huán)保,產(chǎn)品質(zhì)量較好。

6)使用大型焙燒爐處理相同規(guī)模原料,被控能源及物料等參與自動(dòng)控制的工藝參數(shù)數(shù)量降低,減少了人為因素影響,為冶煉生產(chǎn)的進(jìn)一步工藝優(yōu)化創(chuàng)造了條件,便于集中智能控制與信息化管理。

4 大型流態(tài)化焙燒爐的應(yīng)用情況

152 m2流態(tài)化焙燒爐及配套系統(tǒng)使焙燒單系列建設(shè)規(guī)模提高至15 萬(wàn)t 以上,這種特大型焙燒爐使得生產(chǎn)運(yùn)行更加穩(wěn)定,焙燒礦質(zhì)量更好。 由于單系列焙燒系統(tǒng)變大,相應(yīng)的配套設(shè)施,特別是余熱鍋爐、上料加料系統(tǒng)、焙砂冷卻系統(tǒng)等設(shè)備均需要借鑒其他工程的經(jīng)驗(yàn),確保新流態(tài)化焙燒車(chē)間一次投產(chǎn)成功。

西北冶煉廠152 m2流態(tài)化焙燒爐建成后于2017年11月初試運(yùn)行,2018年1月13日正式投料生產(chǎn)。 經(jīng)過(guò)近半年的生產(chǎn)運(yùn)行,并不斷改進(jìn),才使該焙燒爐逐漸正常運(yùn)行,各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)也不斷得到優(yōu)化。 株冶搬遷30 萬(wàn)t 鋅冶煉工程也采用2 臺(tái)152 m2流態(tài)化焙燒爐,由于吸取西北冶煉廠的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),所以設(shè)計(jì)、施工、投產(chǎn)都比較順利,2019年2月投產(chǎn),實(shí)現(xiàn)一次投料成功,并迅速達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。 152 m2流態(tài)化焙燒爐的主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 152 m2 流態(tài)化焙燒爐的主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)語(yǔ)

152 m2流態(tài)化焙燒爐是我國(guó)自主研發(fā)且目前世界上最大的鋅冶煉焙燒爐,其在工藝上合理、技術(shù)上先進(jìn)、運(yùn)行更加穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量更好,在投資、管理、運(yùn)行費(fèi)用等方面更具優(yōu)勢(shì),而且在節(jié)能與環(huán)保方面,單臺(tái)焙燒爐比多臺(tái)運(yùn)行優(yōu)勢(shì)更加明顯。 152 m2焙燒爐或更大的焙燒爐將會(huì)是鋅冶煉工藝裝備技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

中國(guó)恩菲近期正在開(kāi)發(fā)186 m2流態(tài)化焙燒爐,確保單系列焙燒系統(tǒng)生產(chǎn)能力可達(dá)200 kt/a,還開(kāi)發(fā)了包括焙燒余熱鍋爐、拋料機(jī)、流態(tài)化冷卻器、高效冷卻圓筒等專利設(shè)備,保障焙燒系統(tǒng)各項(xiàng)配套設(shè)備的更新?lián)Q代,確保特大型焙燒系統(tǒng)的整體穩(wěn)定運(yùn)行。