150 m2大型沸騰焙燒爐設(shè)計(jì)回顧與展望

袁精華

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌330031）

青海某公司硫鐵礦制酸裝置位于高海拔地區(qū)，海拔高度為 2 708 m，年平均氣壓 74 kPa，極端最低氣溫-31.7 ℃。浮選硫鐵精礦總硫(S)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47.30%，w(H2O)為10%~12%，粒度分布為：粒徑小于75 μm（200目）質(zhì)量占比約80%，38~75 μm（200~400目）質(zhì)量占比約 22%，小于 38 μm（400目）質(zhì)量占比約58%；焙砂質(zhì)量要求為w(Fe)＞62%，w(S)＜0.3%。要設(shè)計(jì)符合以上操作條件，單套硫酸生產(chǎn)能力400 kt/a的沸騰焙燒爐具有很大的挑戰(zhàn)性。在2008年制酸裝置建設(shè)之初，150 m2為世界上最大規(guī)模的沸騰焙燒爐，筆者對(duì)150 m2沸騰焙燒爐的主要參數(shù)、爐體安全、運(yùn)行操作等方面進(jìn)行了較為深入的研究，該沸騰焙燒爐自投產(chǎn)以來(lái)已連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行了10年以上，達(dá)到甚至超過(guò)了預(yù)期效果，充分證明當(dāng)初的設(shè)計(jì)思路是科學(xué)合理的。

1 設(shè)計(jì)回顧

1.1 主要參數(shù)的確定

1.1.1 焙燒強(qiáng)度

沸騰焙燒爐焙燒強(qiáng)度的確定本質(zhì)上是沸騰床層線速度的確定。沸騰床層線速度小，焙燒強(qiáng)度也??；線速度大，焙燒強(qiáng)度也大。線速度不宜過(guò)小或過(guò)大。線速度過(guò)小易產(chǎn)生穿孔、溝流等不正常的流態(tài)化現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致大顆粒難以沸騰而沉積于底部形成冷渣，進(jìn)一步發(fā)展為結(jié)疤會(huì)影響正常操作，甚至死爐。線速度過(guò)大，小顆粒的精礦被吹出，不能形成穩(wěn)定的流化床。根據(jù)上述原則，結(jié)合青海某公司的海拔高度及硫鐵礦的具體情況，最終確定焙燒強(qiáng)度為 5.3~6.3 t/(m2·d)。

1.1.2 沸騰床層高度

對(duì)于粒度小于38 μm、質(zhì)量占比約58%的硫精砂，提高沸騰床層高度有助于穩(wěn)定床層。另外，對(duì)于直徑為13.8 m的特大沸騰焙燒爐，為了使礦料分布、混合均勻，保證流化均勻性，需要較高的沸騰床層高度，以延長(zhǎng)爐料在爐內(nèi)的停留時(shí)間，有助于提高硫的燒出率。但沸騰床越高，沸騰焙燒爐鼓風(fēng)機(jī)需要的壓力就越大，消耗的功率也越大，運(yùn)行費(fèi)用增加，因此沸騰床層高度也不能過(guò)大。綜合考慮，沸騰床層高度設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)的形式，調(diào)節(jié)范圍為 1 000~1 700 mm。

1.1.3 沸騰床層溫度

焙砂質(zhì)量要求w(S)＜0.3%，對(duì)硫的燒出率提出了很高的要求。在氧濃度一定的情況下，適當(dāng)提高沸騰床層溫度，可提高反應(yīng)速率，有助于提高硫的燒出率。但是沸騰床層的溫度也不能過(guò)高，因?yàn)榱蚓邦w粒較細(xì)，若有一部分粒度較小的硫精砂被氣流帶入沸騰焙燒爐上部燃燒，會(huì)使?fàn)t頂煙氣的溫度高出沸騰床層50~100 ℃。沸騰床層溫度過(guò)高，爐頂煙氣溫度會(huì)更高，會(huì)對(duì)大型球頂耐火磚的使用壽命造成影響，因此將沸騰床層的溫度設(shè)定為850~900 ℃。

1.1.4 風(fēng)帽小孔氣速

對(duì)于直徑特別大的沸騰床，尤其需要考慮流態(tài)化的均勻性與穩(wěn)定性，保證讓空氣進(jìn)入沸騰床時(shí)按整個(gè)截面均勻分布，風(fēng)帽小孔氣速則是其關(guān)鍵所在。確定風(fēng)帽小孔氣速實(shí)質(zhì)為確定風(fēng)帽壓降，風(fēng)帽壓降過(guò)小會(huì)造成沸騰床空氣分布不均勻，發(fā)生溝流和死區(qū)等流態(tài)化不穩(wěn)定現(xiàn)象。風(fēng)帽壓降至少應(yīng)等于床層壓降的30%，確定風(fēng)帽小孔氣速為65~85 m/s。

沸騰焙燒爐的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 沸騰焙燒爐技術(shù)參數(shù)

1.2 爐體安全

1.2.1 爐底梁

爐底梁位于風(fēng)帽花板下部，是重要的受力構(gòu)件，不但要承受風(fēng)帽花板及爐底耐火材料的質(zhì)量，還要承受爐料的質(zhì)量。為了保證流態(tài)化的均勻性與穩(wěn)定性，風(fēng)帽出口必須處于同一水平面，因此爐底梁撓度不能過(guò)大。爐底梁需要同時(shí)滿足強(qiáng)度和撓度的要求，還要考慮在短暫的停料、停風(fēng)時(shí)溫度對(duì)爐底梁的影響，即溫度折減系數(shù)。最終，經(jīng)計(jì)算后選用700 mm×300 mm H 型梁，并組合成框架結(jié)構(gòu)。

1.2.2 鋼殼

沸騰焙燒爐為上部擴(kuò)大型，耐火材料的質(zhì)量通過(guò)托板傳遞到鋼殼上，鋼殼是重要的受力構(gòu)件。鋼殼由沸騰段鋼殼、過(guò)渡段鋼殼和擴(kuò)大段鋼殼組成，分為內(nèi)保溫和外保溫2種形式。

由于爐氣能透過(guò)磚縫擴(kuò)散到鋼殼內(nèi)表面，采用內(nèi)保溫的沸騰焙燒爐鋼板溫度為60~90 ℃，而爐氣中含有SO3的露點(diǎn)為220~250 ℃，鋼板溫度低于露點(diǎn)，在鋼殼內(nèi)側(cè)與保溫層之間會(huì)形成酸霧冷凝，進(jìn)而腐蝕鋼殼，使鋼殼的使用壽命縮短到僅有3年。采用外保溫方式時(shí)，鋼殼內(nèi)側(cè)不設(shè)保溫層，在鋼殼外側(cè)設(shè)置保溫層，使鋼殼溫度達(dá)到270~300 ℃，既保證了鋼殼的強(qiáng)度不受影響，又使鋼殼溫度高于露點(diǎn)，使用壽命可達(dá)8年以上。由于極端最低氣溫達(dá)到-31.7 ℃，普通碳鋼存在低溫冷脆的現(xiàn)象，所以鋼殼材質(zhì)選用16Mn合金鋼，該材料在許用溫度及許用應(yīng)力等性能上比普通碳鋼具有優(yōu)勢(shì)，而且價(jià)格跟普通碳鋼相近。

沸騰段鋼殼在爐身下部，承受爐頂和爐身所有耐火材料及鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；因生產(chǎn)操作所需，開設(shè)了加料口、溢流口、燒嘴孔、操作孔、人孔、冷卻盤管口等許多孔洞。為了彌補(bǔ)沸騰段鋼殼強(qiáng)度的削弱，適當(dāng)加厚了鋼殼，并在各開孔處設(shè)計(jì)成補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式。

擴(kuò)大段鋼殼位于沸騰焙燒爐體的上部，相較于沸騰段，受力較小，壁厚可適當(dāng)減小，考慮到在擴(kuò)大段鋼殼上部存在球頂?shù)淖灾睾蜔崤蛎泿?lái)的很大的徑向推力，所以通過(guò)加厚鋼板和設(shè)置圈梁予以加強(qiáng)。

在沸騰段與過(guò)渡段及過(guò)渡段與擴(kuò)大段的連接處，為了防止受熱之后拉裂，在對(duì)接處進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)。

1.2.3 爐頂形式

爐頂有球形拱頂和錐形拱頂2種形式。與球形拱頂相比，錐形拱頂受力不盡合理，尤其是外側(cè)拱頂磚受力相較于其他拱頂磚要大，外側(cè)第二、第三圈及拱腳磚容易斷裂，在沸騰焙燒爐開爐及停爐時(shí)，錐形拱頂磚會(huì)熱脹冷縮，危及沸騰焙燒爐安全。因此，對(duì)于大型沸騰焙燒爐，不宜采用錐形拱頂，該爐頂采用球形拱頂。

1.2.4 煙氣出口方式

出口煙氣流量約100 000 m3/h，出口煙氣溫度近1 000 ℃。如果采用爐頂排出煙氣，則需在爐頂開一個(gè)直徑約為4 000 mm的通孔，加上溫度波動(dòng)產(chǎn)生的熱脹冷縮，會(huì)大大破壞球頂?shù)姆€(wěn)定性，一旦球頂坍塌，產(chǎn)生的后果將是災(zāi)難性的。所以對(duì)于大型沸騰焙燒爐，特別是對(duì)該項(xiàng)目擴(kuò)大段直徑為18 000 mm的特大型沸騰焙燒爐，應(yīng)采用在擴(kuò)大段爐身側(cè)面排出煙氣的方式。

1.2.5 耐火材料的選定及膨脹縫的設(shè)置

耐火材料需結(jié)合工作環(huán)境和使用功能進(jìn)行選定。沸騰焙燒爐爐墻最高工作溫度約950 ℃，為了減少散熱損失和延長(zhǎng)鋼殼使用壽命，工作面選用高級(jí)黏土磚，緊貼黏土磚砌筑硅藻土保溫磚，鋼殼外表面再安裝1層礦渣棉。球形拱頂為整個(gè)爐體最為重要的部位，選用Al2O3含量高、耐壓強(qiáng)度高、最高使用溫度高、熱穩(wěn)定性好的高鋁磚。

沸騰焙燒爐爐墻膨脹縫的設(shè)置一般采用分散與集中相結(jié)合的方式。在圓周方向分散留設(shè)，在垂直方向耐火磚托板下集中留設(shè)。集中留設(shè)的膨脹縫選用耐高溫的硅酸鋁耐火纖維氈，為防止被氣流沖刷帶走，設(shè)計(jì)為迷宮式。

1.3 運(yùn)行操作

1.3.1 風(fēng)機(jī)設(shè)置

最初從節(jié)省投資的角度考慮，爐底風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)及燒嘴助燃風(fēng)均采用同一風(fēng)機(jī)。上述設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：①爐底風(fēng)壓遠(yuǎn)大于其他風(fēng)壓，造成運(yùn)行費(fèi)用增加；②4種風(fēng)從同一風(fēng)機(jī)出來(lái)，風(fēng)量調(diào)節(jié)產(chǎn)生牽制，難以實(shí)現(xiàn)各自所需風(fēng)量，給操作帶來(lái)了極大的不便。因此，筆者建議大型沸騰焙燒爐設(shè)置2臺(tái)風(fēng)機(jī)，其中1臺(tái)用于輸送爐底風(fēng)，1臺(tái)用于輸送二次風(fēng)、三次風(fēng)及燒嘴助燃風(fēng)。風(fēng)機(jī)分開設(shè)置，為風(fēng)量的調(diào)節(jié)創(chuàng)造了條件。

1.3.2 燒嘴和油槍設(shè)置

對(duì)于大型沸騰焙燒爐，特別是內(nèi)徑近14 000 mm的特大型沸騰焙燒爐，為了烘爐或開爐的需要，必須設(shè)置燒嘴和油槍。在沸騰段均勻地布置了4個(gè)燒嘴和10個(gè)油槍，為開爐提供了便利，使?fàn)t膛溫度均勻且易于控制，不會(huì)造成爐溫大幅度波動(dòng)，對(duì)于延長(zhǎng)耐火磚的使用壽命具有積極意義。

1.3.3 風(fēng)室設(shè)置

早期的沸騰焙燒爐由于處理量小，爐床面積小，風(fēng)室只有1個(gè)進(jìn)風(fēng)口，風(fēng)室內(nèi)腔不分隔。但是隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)于處理量為851 t/d、爐床面積為150 m2的大型焙燒爐，上述風(fēng)室的結(jié)構(gòu)不利于流態(tài)化的均勻與穩(wěn)定。大型焙燒爐的風(fēng)室內(nèi)腔設(shè)置隔板，把風(fēng)室分為前室和后室，分別設(shè)有1個(gè)進(jìn)風(fēng)口，并在每一進(jìn)風(fēng)口前裝有調(diào)節(jié)閥。前室位于進(jìn)料端，操作時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量，防止物料在前室上部的沸騰床層堆積而燒結(jié)。

1.3.4 冷卻盤管及水槍設(shè)置

為了適應(yīng)爐料硫含量或投入量的變化，保持床層溫度穩(wěn)定，設(shè)置冷卻盤管把沸騰床層內(nèi)多余的熱量通過(guò)水的汽化帶走，同時(shí)可方便地增減10%的換熱面積。為了防止?fàn)t溫驟升，能更加靈活地控制沸騰床層的溫度，設(shè)計(jì)了水槍作為應(yīng)急噴水裝置備用。冷卻盤管及水槍的設(shè)置為爐體的正常運(yùn)行提供了保障。

1.3.5 二次風(fēng)、三次風(fēng)設(shè)置

硫精砂顆粒較細(xì)，會(huì)有一部分逸出沸騰段進(jìn)入過(guò)渡段和擴(kuò)大段。為了提高硫的燒出率，防止產(chǎn)生升華硫而堵塞硫酸設(shè)備，運(yùn)行時(shí)需根據(jù)情況打開和調(diào)節(jié)二次燃燒所需風(fēng)，因此在過(guò)渡段設(shè)置了10個(gè)二次風(fēng)進(jìn)風(fēng)裝置，在擴(kuò)大段設(shè)置了6個(gè)三次風(fēng)進(jìn)風(fēng)裝置。

1.3.6 儀表測(cè)點(diǎn)設(shè)置

穩(wěn)定的運(yùn)行和正確的操作離不開儀表測(cè)點(diǎn)的設(shè)置，如儀表測(cè)點(diǎn)不設(shè)置或設(shè)置不夠，會(huì)給操作帶來(lái)很大的盲目性和隨意性，勢(shì)必影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的正常進(jìn)行，甚至給爐體安全帶來(lái)危險(xiǎn)。沸騰段設(shè)置3層熱電偶，每層4個(gè)，用于監(jiān)控沸騰焙燒爐床層溫度，防止結(jié)疤；擴(kuò)大段設(shè)置2個(gè)熱電偶，用于監(jiān)控?zé)煔獾臏囟?，保護(hù)爐頂；煙氣出口設(shè)置1個(gè)熱電偶，用于監(jiān)測(cè)出口煙氣的溫度；煙氣出口設(shè)置1個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)控爐內(nèi)工作壓力，使?fàn)t內(nèi)維持微負(fù)壓操作；爐底風(fēng)室前室和后室各設(shè)置1個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)控各室壓力，維持流態(tài)化的均勻穩(wěn)定；在收塵設(shè)備上設(shè)置2個(gè)氧濃度測(cè)點(diǎn)，以調(diào)節(jié)二、三次風(fēng)的風(fēng)量，防止升華硫的產(chǎn)生。

2 展望

經(jīng)實(shí)踐證明，150 m2大型沸騰焙燒爐的設(shè)計(jì)是成功的，但筆者認(rèn)為通過(guò)優(yōu)化和創(chuàng)新可使沸騰焙燒技術(shù)得到進(jìn)一步完善和發(fā)展。

2.1 爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

小型沸騰焙燒爐因膨脹量小，風(fēng)帽直接安裝在爐底板上；大型沸騰焙燒爐膨脹量較大，風(fēng)帽安裝在風(fēng)帽框架上，框架與框架之間留有膨脹縫。爐底花板的密封通過(guò)單側(cè)焊接的蓋板簡(jiǎn)單壓住，由于蓋板及花板平整度不夠，兩者之間往往不能很好地密封，造成大量的風(fēng)漏出，不僅會(huì)降低爐底耐火材料的使用壽命，還會(huì)出現(xiàn)流態(tài)化不穩(wěn)定的現(xiàn)象。為解決上述問(wèn)題，可采用一種新型的大型流態(tài)化焙燒爐爐底花板密封結(jié)構(gòu)：爐底花板之間膨脹縫上部的壓板單側(cè)成90°彎曲，壓板單側(cè)焊接，耐高溫的耐火纖維板作為可壓縮材料安裝在壓板下面，帶螺紋孔的卡件一側(cè)安裝在花板上，另一側(cè)壓住壓板，并通過(guò)擰緊螺栓頂住壓板，使壓板壓緊耐火纖維板，起到既允許爐底花板膨脹，又能加強(qiáng)密封防止漏風(fēng)的作用，從而使?fàn)t底花板的結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。

二次風(fēng)、三次風(fēng)進(jìn)入爐墻的通道如果不設(shè)置套管或者設(shè)置套管的長(zhǎng)度不夠，高速的風(fēng)會(huì)沖刷耐火材料，造成耐火材料損壞，特別是耐壓強(qiáng)度很小的硅藻土隔熱磚損壞更快。套管的材質(zhì)不應(yīng)選用普通碳鋼，應(yīng)選用耐高溫的不銹鋼。

爐底風(fēng)從風(fēng)帽水平方向噴出的速度高達(dá)65~85 m/s，如果正對(duì)著物體，即使是高強(qiáng)度的耐火磚損壞也是非常快的。風(fēng)帽處于爐墻根部，如果根部的耐火磚損壞嚴(yán)重，則會(huì)引發(fā)爐墻坍塌，造成嚴(yán)重后果。因此，不管是正對(duì)還是斜對(duì)著爐墻的風(fēng)帽噴出口都應(yīng)取消。

燒嘴及油槍或天然氣噴槍的安裝高度需適宜。安裝過(guò)高不利于烘爐和開爐；安裝過(guò)低易造成火焰熄滅，如沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，仍然繼續(xù)進(jìn)油或天然氣，容易發(fā)生爆燃，引發(fā)事故。因此，設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)也應(yīng)引起足夠的重視，并得以優(yōu)化。

2.2 改進(jìn)進(jìn)料裝置

大型沸騰焙燒爐進(jìn)料一般采用拋料機(jī)進(jìn)料，物料被拋至距離爐壁較遠(yuǎn)區(qū)域，甚至到達(dá)爐子中心，物料反應(yīng)和溫度場(chǎng)分布均勻，有利于流態(tài)化的形成。但目前拋料機(jī)工作存在物料容易落入拋料皮帶處，導(dǎo)致拋料皮帶卡死而不能運(yùn)行，需要備用多個(gè)拋料機(jī)，作業(yè)率較低。因此，拋料機(jī)有待改進(jìn)，避免拋料皮帶卡死，進(jìn)而大幅度提高其作業(yè)率。

另一種方式為采用傾斜溜板進(jìn)料。物料沿傾斜溜板被壓縮空氣吹入爐內(nèi)，這種方式雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備費(fèi)用較小，作業(yè)率比拋料機(jī)進(jìn)料方式高，但物料容易堆積在傾斜溜板下方的爐壁處，產(chǎn)生入爐物料的黏堵現(xiàn)象，影響流態(tài)化的正常進(jìn)行。此種溜板方式可進(jìn)行下述改進(jìn)：溜板在一定高度成一定角度向下傾斜伸入爐內(nèi)，并在溜板尾端向兩側(cè)擴(kuò)展分出多個(gè)分滑道，物料從分滑道溜出，避免了物料的集中堆積。

2.3 提升爐體操作彈性

沸騰焙燒爐的可操作性是很強(qiáng)的，可以通過(guò)溢流口高度的調(diào)節(jié)、冷卻盤管面積的增減、沸騰床層的溫度控制以及爐底風(fēng)、二次風(fēng)和三次風(fēng)風(fēng)量的調(diào)節(jié)達(dá)成，但是還需進(jìn)一步增加爐體操作的彈性，特別是生產(chǎn)的最終目的發(fā)生變化時(shí)，例如原本是制酸和得到合格鐵球團(tuán)的原料，由于市場(chǎng)情況或原料發(fā)生改變，需要進(jìn)行酸化焙燒以獲得優(yōu)質(zhì)的制取鈷或銅的焙砂，此種情況下沸騰焙燒爐的床層溫度一般為600~670 ℃，與硫鐵礦的氧化焙燒溫度會(huì)有較大的差別，風(fēng)帽小孔噴出速度也有變化。如果風(fēng)帽設(shè)計(jì)成可組裝的二段式，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上作一些小變動(dòng)即可滿足操作要求。所以提升爐體的操作彈性也是沸騰焙燒爐焙燒技術(shù)的發(fā)展方向。

2.4 富氧焙燒的應(yīng)用與推廣

富氧焙燒具有設(shè)備產(chǎn)能大、硫的燒出率高、焙砂質(zhì)量好、運(yùn)行費(fèi)用低和SO2濃度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，值得應(yīng)用與推廣。對(duì)于地處大氣壓低、空氣稀薄的高海拔地區(qū)的項(xiàng)目，采用富氧焙燒的優(yōu)勢(shì)更加顯著。硫精砂含硫較高的平原地區(qū)，由于氧濃度太高，化學(xué)反應(yīng)過(guò)于劇烈，生成的熱不能及時(shí)移出，會(huì)出現(xiàn)結(jié)疤現(xiàn)象甚至死爐，因此富氧濃度不宜過(guò)高，可采用φ(O2)為23%~26%的微富氧操作。硫含量較低的銅鈷鎳礦，由于硫含量較低，反應(yīng)相對(duì)較慢，生成熱較小，在保證正常焙燒的前提下，φ(O2)可達(dá)40%以上。總之，采用富氧焙燒是較為合理的方案，富氧焙燒的應(yīng)用與推廣有著廣闊的前景。

2.5 增加爐床面積

鑒于生產(chǎn)規(guī)模大能創(chuàng)造更大效益，投資主體總是有擴(kuò)大單臺(tái)設(shè)備處理能力的需求，雖然目前大型沸騰焙燒爐的爐床面積已達(dá)150 m2，但是仍然會(huì)被不斷地超越。筆者認(rèn)為隨著材料性能及焙燒技術(shù)的發(fā)展，沸騰焙燒爐床面積有望達(dá)到或超過(guò)200 m2。

3 結(jié)語(yǔ)

雖然我國(guó)的沸騰焙燒爐焙燒技術(shù)居于世界領(lǐng)先水平，但是不可固步自封，需要不斷地學(xué)習(xí)、創(chuàng)新，確保技術(shù)優(yōu)勢(shì)能夠長(zhǎng)期保持，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。