大型鋅精礦流態(tài)化焙燒爐的技術(shù)發(fā)展

周 鋼

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

流態(tài)化焙燒爐作為傳統(tǒng)濕法煉鋅的主要設備,用于鋅精礦的焙燒脫硫,具有焙燒強度大、熱穩(wěn)定性好、連續(xù)作業(yè)率高、爐體壽命長等優(yōu)點[1-3]。20世紀90年代我國引進了首臺109 m2大型流態(tài)化焙燒爐,中國恩菲工程技術(shù)有限公司(以下簡稱“中國恩菲”)在消化吸收該技術(shù)的基礎上,進行了多項改進優(yōu)化,并先后建成投產(chǎn)達二十多套,實現(xiàn)了大型焙燒爐技術(shù)的推廣普及。隨后開發(fā)的152 m2流態(tài)化焙燒爐,是鋅冶煉行業(yè)目前世界上爐床面積最大的單體焙燒設備,其在白銀有色集團股份有限公司(以下簡稱“白銀公司”)和株洲冶煉集團股份有限公司相繼順利投產(chǎn)后,標志著我國大型焙燒爐技術(shù)達到了世界先進的水平。

隨著濕法煉鋅規(guī)模逐漸擴大,新建鋅冶煉工程項目規(guī)模向年產(chǎn)20 萬～30 萬t 電鋅邁進。與此同時,有色金屬冶煉產(chǎn)業(yè)整體向規(guī)?；?、集約化、智能化方向轉(zhuǎn)型升級,推動現(xiàn)有流態(tài)化焙燒爐技術(shù)向大型化、高效化、智能化發(fā)展的需求日益凸顯。在此背景下,本文對大型流態(tài)化焙燒爐技術(shù)進行了介紹,并對其發(fā)展歷程和創(chuàng)新技術(shù)進行了闡述,探討了其未來發(fā)展的方向。

1 流態(tài)化焙燒爐的結(jié)構(gòu)及工藝特點

在濕法煉鋅過程中,鋅精礦焙燒的目的是將精礦中ZnS 氧化成ZnO,同時使精礦中的S 氧化為SO2以便后續(xù)制酸[4]。實際生產(chǎn)中焙燒溫度一般控制在850～1 000 ℃,介于硫酸化焙燒和氧化焙燒的溫度之間,焙燒的產(chǎn)物為ZnO、ZnFe2O4、ZnSO4和ZnO2·ZnSO4。流態(tài)化焙燒爐是實現(xiàn)焙燒過程的主體設備,主要包括爐底風箱、分布板、爐體(包括爐殼和耐火材料)、爐頂、進料口、溢流口、出煙口和冷卻盤管等構(gòu)件。其爐型主要采用上部擴大的結(jié)構(gòu)形式,以延長煙塵在爐膛內(nèi)的停留時間來保證煙塵質(zhì)量。典型的流態(tài)化焙燒爐結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 典型的流態(tài)化焙燒爐結(jié)構(gòu)示意圖

空氣從焙燒爐底部風箱鼓入,通過空氣分布板進入爐內(nèi)。鋅精礦通過高速皮帶拋料的方式均勻拋灑進入爐內(nèi),在氣流劇烈攪動作用下形成高度約1.0 m 的穩(wěn)定流態(tài)化層,同時內(nèi)部發(fā)生激烈快速的氧化反應,以達到脫硫的目的。產(chǎn)物包括高溫焙砂和煙氣,鋅精礦在爐內(nèi)經(jīng)過干燥、團聚、破碎、反應等復雜物理化學變化并停留5～7 h,完成脫硫成為焙砂后,經(jīng)過爐身一側(cè)溢流口排出。另有部分細顆粒精礦在煙氣夾帶作用下隨高溫煙氣進入爐膛,由于比表面積大,在高溫爐膛內(nèi)停留約30 s 即可完成反應。煙氣經(jīng)后續(xù)余熱回收及收塵后送制酸系統(tǒng),產(chǎn)生的鍋爐煙塵、旋風及電收塵煙塵與溢流焙砂一起送到濕法浸出工序[4-5]。

鋅精礦焙燒過程的工藝要求是形成穩(wěn)定的流態(tài)化層和良好的反應動力學條件,所涉及的工藝控制參數(shù)包括床層線速度、焙燒溫度、停留時間等,而這些關(guān)鍵參數(shù)由入爐精礦成分、精礦粒度分布、脫硫率及可溶鋅浸出率等后續(xù)的工藝要求來綜合決定。因此,焙燒爐的技術(shù)發(fā)展主要圍繞對上述工藝參數(shù)的優(yōu)化及自動控制的實現(xiàn),來確保焙燒爐具有長壽命,并能穩(wěn)定、安全和環(huán)保運行。

2 流態(tài)化焙燒爐的技術(shù)發(fā)展

早期的109 m2流態(tài)化焙燒爐,設計床能力約5.8 t/(m2·d),實際生產(chǎn)中經(jīng)過摸索優(yōu)化,床能力達到了6.5 t/(m2·d),在生產(chǎn)實踐中該焙燒爐逐漸暴露出一些問題[6-10],主要包括:一是爐殼變形以及腐蝕的問題,爐殼變形主要是由于局部溫度過高導致強度下降出現(xiàn)屈服變形,爐殼腐蝕嚴重的部位主要位于擴大段上部,主要由煙氣露點腐蝕造成;二是耐火磚出現(xiàn)剝落的問題,主要部位分布在下直段爐墻、出煙口、擴大段拱腳處以及爐頂,主要是由于受高溫含硫煙氣的沖刷,以及開停爐過程中的熱震效應引起;三是分布板的跑風問題,跑風直接導致爐內(nèi)流態(tài)化異常,嚴重時導致停爐。2010年中國恩菲為白銀公司新設計109 m2流態(tài)化焙燒爐,在原爐型基礎上進行了優(yōu)化改造,改造后的焙燒爐順利投產(chǎn),床能力上限提高到了8.0 t/(m2·d)以上,同時煙塵率降低,焙砂的殘硫降低,經(jīng)濟效益顯著[11-12]。

2017年1月,中國恩菲聯(lián)合白銀公司開發(fā)的152 m2流態(tài)化焙燒爐正式投產(chǎn),該焙燒爐滿足配套單系列年產(chǎn)15 萬t 電鋅產(chǎn)能的裝備需求。相比109 m2流態(tài)化焙燒爐,其爐型結(jié)構(gòu)維持了上部擴大的型式,但是爐床面積增大后引起上部爐膛直徑和整體荷重明顯增加,因此對爐體結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性要求更高。其難度主要體現(xiàn)在三個方面:一是爐頂?shù)闹睆竭_到18.5 m,自重高達五百多噸,對其結(jié)構(gòu)型式,材料性能及施工方案可行性都有很高的要求;二是爐體自身荷重增大,尤其是爐內(nèi)耐火材料,在實現(xiàn)下部磚體對上部磚體重量承載的同時還要保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;三是爐床面積增大后,進風量也相應增大,對布風的均勻性以及整體密封性能要求更高。

針對原來爐體結(jié)構(gòu)存在的問題,通過引入數(shù)值仿真的設計手段,結(jié)合采用整體澆注技術(shù)對新爐體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化升級。最新設計的三臺大型152 m2流態(tài)化焙燒爐已相繼投產(chǎn),尤其是2019年株冶集團順利投產(chǎn)的兩臺152 m2流態(tài)化焙燒爐,爐況穩(wěn)定、操作簡便、技術(shù)指標先進,生產(chǎn)實踐證明優(yōu)化設計是成功的。從設備投資、能源消耗、環(huán)境影響以及運行成本來看,相比109 m2流態(tài)化焙燒爐,152 m2焙燒爐具有顯著的優(yōu)勢。表1 為109 m2與152 m2兩種流態(tài)化焙燒爐的參數(shù)對比。

表1 兩種規(guī)格流態(tài)化焙燒爐參數(shù)對比

3 流態(tài)化焙燒爐的優(yōu)化改進及創(chuàng)新

綜合來看,流態(tài)化焙燒爐技術(shù)的優(yōu)化改進及創(chuàng)新包括以下幾個方面。

1)工藝參數(shù)的優(yōu)化。在工藝參數(shù)的選取上,結(jié)合109 m2流態(tài)化焙燒爐大量的實踐經(jīng)驗,對床層線速度、停留時間進行了優(yōu)化,并對爐型結(jié)構(gòu)進行了相應的調(diào)整,來達到降低煙塵率、提高焙砂質(zhì)量的效果。

2)整體澆注技術(shù)應用。砌磚形式的焙燒爐爐頂結(jié)構(gòu)復雜,施工難度大,在開停爐過程中經(jīng)多次膨脹收縮后易開裂、掉磚,同時造成含硫煙氣腐蝕爐頂鋼結(jié)構(gòu),引發(fā)漏煙污染環(huán)境的問題。目前爐頂廣泛采用耐火澆注料整體澆注球形拱頂,一是從結(jié)構(gòu)設計上對拱頂角、拱頂厚度及外殼材質(zhì)進行優(yōu)化;二是施工方式采用整體澆注技術(shù),爐頂一次成型,經(jīng)實踐證實結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、壽命長,同時還改善爐頂冒煙的問題。另外,焙燒爐下直段以及煙氣出口處長期受高溫物料及煙氣沖刷侵蝕,嚴重時出現(xiàn)脫落,改為整體澆注料后,耐高溫、耐磨和耐沖刷能力大大改善,有效提高了焙燒爐的連續(xù)作業(yè)率。

3)迷宮型密封結(jié)構(gòu)應用。流化爐床床面采用澆注料,四周側(cè)墻采用砌磚結(jié)構(gòu),兩者結(jié)合面處易出現(xiàn)漏風,在該處設置迷宮型結(jié)構(gòu)能夠有效防止爐底送入的流化空氣從磚縫中竄出,影響爐內(nèi)沸騰情況。煙氣出口與余熱鍋爐之間采用水平對接的方式,通過膨脹節(jié)連接,由于長期處于高溫煙氣的沖刷,同時開停爐期間存在垂直位移,采用迷宮型密封結(jié)構(gòu)能夠有效防止煙氣泄露。

4)新型底排料裝置應用。焙燒過程中,焙砂顆粒經(jīng)過聚變長大,形成部分大顆粒沉積在爐床底部,無法正常流態(tài)化,同時遮擋出風口,影響局部區(qū)域焙砂流態(tài)化,嚴重時導致停爐。因此需要定期通過排底料裝置排出大顆粒焙砂。通過采用新型的排底料裝置,用扳手式門蓋替代了閘板,并在門蓋外面設置了密封罩,門蓋的開啟和關(guān)閉操作可以在密封罩外面進行,使排底料操作更方便、安全,有利于提高焙燒爐的作業(yè)率。

5)分布板的密封。由于分布板采用分塊后拼接的安裝方式,因此相鄰分布板之間留有一定的膨脹間隙,否則經(jīng)過開停爐操作后床面就會出現(xiàn)明顯的裂縫,嚴重時影響爐內(nèi)正常流態(tài)化。在此部位采用柔性密封條,不僅能保證分布板受熱后自由膨脹,同時確保分布板之間的密封。另外優(yōu)化了風帽設計,提高了風帽噴出風量的均勻度。

6)爐殼強度優(yōu)化。通過對爐殼建立熱力耦合數(shù)學模型,計算得到爐殼熱應力分布,對爐殼的薄弱部位通過增加筋板的方式進行局部加強,同時對熱應力集中的區(qū)域進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以釋放應力,確保爐殼穩(wěn)定性。實踐證實,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后能夠有效防止爐體變形。

4 流態(tài)化焙燒爐發(fā)展方向展望

現(xiàn)有大型流態(tài)化焙燒爐經(jīng)過多年持續(xù)改進及操作優(yōu)化,床能力相比原來設計值有了大幅提高,焙砂質(zhì)量和產(chǎn)量也得到了提升,因此在現(xiàn)有爐型下,焙燒爐本身的潛力已完全釋放。隨著有色冶煉行業(yè)準入門檻的提高以及智能化發(fā)展的需要,今后流態(tài)化焙燒爐將進一步朝著高效率、低污染、智能化的方向發(fā)展。

1)進一步提高焙燒爐的床能力。目前焙燒爐的實際床能力達到8.0 t/(m2·d)以上,但據(jù)國外文獻報導,采用富氧焙燒后,床能力可達到10～15 t/(m2·d)。但富氧濃度一般不超過30%,因為過高的富氧濃度不僅會造成氧的利用率低,而且還會使焙燒產(chǎn)物的硫酸鹽含量增加。床能力提高后,相應的床層高度也要提高,來確保焙砂在床層內(nèi)的停留時間,同時爐型結(jié)構(gòu)也要進行相應的改變。

2)降低煙塵率。目前鋅精礦焙燒的煙塵率普遍在50%～55%,部分達到70%。導致煙塵率高的原因有兩方面:一是焙燒爐床能力提高后氣速相應增大;二是入爐精礦本身粒度變細。要減低煙塵率,就必須針對物料和工藝條件,優(yōu)化操作條件和爐型參數(shù),來確保達到工藝控制要求。若能降低煙塵率,不僅能提高煙塵的質(zhì)量,而且有利于降低收塵設備投資。

3)進料裝置優(yōu)化。目前大型流態(tài)化焙燒爐一般采用拋料機給料的進料方式,拋料機通過高速運轉(zhuǎn)皮帶將精礦均勻拋灑到爐床反應區(qū)。目前的拋料設備主要存在兩個問題:一是漏料問題,即拋料過程中部分物料速度不夠或是碰到壁面反彈,落到進料口之外,需要定期清理;二是拋料設備本身體積龐大,自重較大,發(fā)生故障時移動困難。因此,對于大型化焙燒爐來說,開發(fā)易檢修的小型拋料機,同時優(yōu)化進料口形式,采用多點同時拋料的方式能夠更好地實現(xiàn)均勻進料。

4)冷卻盤管優(yōu)化。鋅精礦焙燒過程主要為氧化放熱反應,爐內(nèi)處于熱量過剩的狀態(tài),為了維持穩(wěn)定的焙燒溫度,通常在流化層內(nèi)設置多組水冷埋管,以將爐內(nèi)熱量帶走,同時產(chǎn)生部分蒸汽。在生產(chǎn)過程中,盤管的使用存在兩個方面問題:一是盤管在流化層內(nèi)受到物料沖刷磨損,嚴重時穿孔導致停爐;二是盤管表面因存在部分死區(qū)致使物料堆積,其中低熔點物質(zhì)熔化后形成粘結(jié)物覆蓋在埋管表面,降低了盤管換熱系數(shù),為維持爐內(nèi)熱平衡的穩(wěn)定,需要根據(jù)進料量調(diào)節(jié)埋管的換熱量,一般采用人工增減埋管數(shù)量的方式進行。目前一般通過更換材質(zhì)或采用耐磨合金堆焊的方式來延長盤管壽命,若能實現(xiàn)盤管冷卻能力可調(diào)可控,將減少人工更換盤管的作業(yè),從而大大提高焙燒爐的作業(yè)率。

5)焙砂冷卻裝置優(yōu)化。焙燒爐排出的焙砂溫度高于900 ℃,須將其冷卻到150 ℃左右后送浸出工序。一般采用流態(tài)化冷卻器和冷卻圓筒實現(xiàn)兩級冷卻,目前流態(tài)化冷卻器常出現(xiàn)由于腐蝕導致漏水的問題,冷卻圓筒也存在磨損導致管束壽命短的問題,從而影響了作業(yè)率。因此,開發(fā)一套新型高效、節(jié)能、維修量小、操作成本低、壽命長的焙砂冷卻裝置具有重要的意義。

6)智能化控制。流態(tài)化焙燒爐主要控制的參數(shù)包括進料量、焙燒溫度,爐底風壓和煙氣出口壓力?？刂茽t況穩(wěn)定的核心就是要維持正常的流態(tài)化和穩(wěn)定的熱平衡。實現(xiàn)智能化控制的前提是焙燒爐系統(tǒng)具有完備的自動控制裝置,包括燃燒器裝置、進料裝置、排底料裝置、溫度及壓力檢測裝置等,目前新建焙燒爐系統(tǒng)上均已實現(xiàn)DCS 遠程控制。

焙燒爐系統(tǒng)智能化控制的進一步完善,需實現(xiàn)控制參數(shù)包括調(diào)節(jié)鼓風量、進料量、盤管冷卻能力等能夠根據(jù)原料變化進行自適應匹配和智能化控制,最終實現(xiàn)無人值守、現(xiàn)代化的鋅智能冶煉。