流態(tài)化焙燒爐設計技術(shù)和生產(chǎn)實踐回顧與展望

岳鳳洲

（陜西鋅業(yè)有限公司，陜西商洛726007）

流態(tài)化技術(shù)是強化流體與固體顆粒間相互接觸的工程技術(shù)。世界上第一座流態(tài)化工業(yè)裝置——德國Winkler粉煤氣化爐于1926年正常運轉(zhuǎn)。至20世紀40年代初期，流態(tài)化技術(shù)獲得廣泛應用，1956年南京永利寧廠首先把流態(tài)化焙燒爐成功應用于國內(nèi)硫酸生產(chǎn)[1]。中國硫酸產(chǎn)量從1949年的40 kt分別提高到1959年和1989年的1 061 kt和11 526 kt[2]，年均增長率分別為38.79%和8.28%，在1990—2020年的30年間，中國硫酸產(chǎn)量又從11 506 kt提高到98 586 kt，年均增長7.42%；鋅錠產(chǎn)量從550.8 kt提高到6 425 kt，年均增長8.53%。目前，中國硫酸和鋅錠的生產(chǎn)和消費數(shù)量都位列全球首位[3]。流態(tài)化焙燒爐號稱硫酸和鋅錠生產(chǎn)的“龍頭”設備，流態(tài)化焙燒爐設計和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和進步，直接推動了硫鐵礦和鋅精礦制硫酸行業(yè)的跨越式發(fā)展。筆者在回顧近30年來硫鐵礦和鋅精礦流態(tài)化焙燒爐設計技術(shù)和生產(chǎn)實踐進步的基礎上，展望流態(tài)化焙燒爐技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 流態(tài)化焙燒爐設計技術(shù)和生產(chǎn)實踐回顧

1.1 流態(tài)化焙燒爐設計技術(shù)

在鋅冶煉行業(yè)，國內(nèi)第一臺109 m2流態(tài)化焙燒爐于1992年在西北冶煉廠建成投產(chǎn)。經(jīng)過系統(tǒng)改進后，1994年原株洲冶煉廠投產(chǎn)了國內(nèi)第二臺109 m2流態(tài)化焙燒爐，之后流態(tài)化焙燒爐得到廣泛應用。中國恩菲工程技術(shù)有限公司（以下簡稱恩菲公司）在消化吸收國內(nèi)外流態(tài)化焙燒爐技術(shù)的基礎上，經(jīng)過全面優(yōu)化和集成創(chuàng)新，在2016年年底為西北冶煉廠開發(fā)設計建成了全球第一臺152 m2流態(tài)化焙燒爐[4]。恩菲公司近期正在開發(fā)186 m2流態(tài)化焙燒爐，以期單系列焙燒系統(tǒng)生產(chǎn)能力達到200 kt/a[5]。

在硫鐵礦制硫酸行業(yè)，近30年成功開發(fā)了3種先進流態(tài)化焙燒爐設計技術(shù)，分別為：①由四川省化工設計院研發(fā)設計的70 m2流態(tài)化焙燒爐，用硫酸法鈦白粉生產(chǎn)過程中排出的硫酸亞鐵摻燒硫鐵礦和硫黃生產(chǎn)硫酸，設計配套硫酸產(chǎn)能400 kt/a，于2003年成功應用于龍蟒集團下屬企業(yè)的多套硫酸裝置[6]；②由中國瑞林工程技術(shù)有限公司（以下簡稱中國瑞林）為銅陵銅冠冶化分公司開發(fā)的2臺138 m2流態(tài)化焙燒爐，利用冬瓜山選銅尾礦磁黃鐵精砂焙燒生產(chǎn)硫酸，設計了2套400 kt/a硫鐵礦制酸裝置，分別于2007年8月和2009年8月試產(chǎn)成功[7]；③由中國瑞林為紫金礦業(yè)集團股份有限公司利用青海德爾尼銅礦資源，在紫金礦業(yè)集團青海有限公司設計建設了150 m2流態(tài)化焙燒爐，配套設計硫酸產(chǎn)能400 kt/a，于2008年設計建成投產(chǎn)[8]。

目前，硫酸生產(chǎn)常用的2種基本爐型是硫鐵礦流態(tài)化焙燒爐（以下簡稱硫鐵礦焙燒爐）和鋅精礦流態(tài)化焙燒爐（以下簡稱鋅焙燒爐）。硫酸生產(chǎn)用流態(tài)化焙燒爐由風箱、底梁、風帽、下直段、擴大段、上直段和爐頂7個部分組成，結(jié)構(gòu)尺寸示意見圖1，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，風帽主要技術(shù)參數(shù)見表2，主要運行參數(shù)見表3。

表3 常用硫鐵礦焙燒爐和鋅焙燒爐主要運行參數(shù)

圖1 流化態(tài)焙燒爐結(jié)構(gòu)尺寸示意

表1 常用硫鐵礦焙燒爐和鋅焙燒爐主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 常用硫鐵礦焙燒爐和鋅焙燒爐風帽主要技術(shù)參數(shù)

1.2 流態(tài)化焙燒爐生產(chǎn)實踐

目前，國內(nèi)硫酸生產(chǎn)常用焙燒爐及其制酸裝置實際運行指標差異較大。國內(nèi)先進生產(chǎn)數(shù)據(jù)比較情況見表4～5。主要生產(chǎn)技術(shù)指標較好的企業(yè)一般表現(xiàn)在2個方面：

表4 鋅焙燒爐2021年度實際較好生產(chǎn)技術(shù)指標比較

1）焙燒強度較高。例如，H廠采用富氧焙燒技術(shù)后，109 m2流態(tài)化焙燒爐的焙燒強度可以提高到8.03 t/(m2·d)[9]。

2）開車率較高。據(jù)筆者實際調(diào)研，S廠用鋅精礦w(Zn)46%、w(S)28%時，2021年度開車率達到96.59%，鋅焙砂產(chǎn)量（以鋅計）比設計能力提高3.61%，硫酸產(chǎn)量比設計能力低1.72%；Y廠用鋅精礦w(Zn)50%、w(S)30%時，2021年度開車率達到98.78%，硫酸產(chǎn)量高出設計能力24%，鋅焙砂產(chǎn)量（以鋅計）比設計能力提高43.63%；Z廠用鋅精礦w(Zn)46%、w(S)27%時，2021年度開車率達到98.50%，鋅焙砂產(chǎn)量（以鋅計）比設計能力提高8.47%，硫酸產(chǎn)量比設計能力低8.03%。

表5 硫鐵礦焙燒爐2021年度實際較好生產(chǎn)技術(shù)指標比較

1.3 先進大型流態(tài)化焙燒爐設計成果

回顧先進大型流態(tài)化焙燒爐近30年的設計技術(shù)和生產(chǎn)實踐成果，筆者認為，先進大型流態(tài)化焙燒爐的設計技術(shù)進步主要體現(xiàn)在以下三方面。

1.3.1 床能力逐步提高

流態(tài)化床和焙燒爐內(nèi)的反應基于連續(xù)流動的活塞流反應原理，物料以“隊列”的方式流經(jīng)反應器，在流動方向上無擴散，任何兩個流體微團幾乎沒有速度差[10]。焙燒爐床能力的確定本質(zhì)上是流態(tài)化床線速度的確定[11]。設計原理和生產(chǎn)實踐均表明，床能力與流態(tài)化床線速度、原料粒度均呈正相關(guān)變化規(guī)律。以鋅焙燒爐為例，先進大型焙燒爐的床能力已經(jīng)從傳統(tǒng)的5.5～6.0 t/(m2·d)提高到7.0～7.5 t/(m2·d)，采用弱富氧焙燒工藝的焙燒爐床能力已經(jīng)突破8 t/(m2·d)，實際達到8.03 t/(m2·d)[9]，為設計和建設更大面積的焙燒爐提供了成功經(jīng)驗。

1.3.2 多目標整體設計不斷優(yōu)化

多目標整體設計優(yōu)化主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）爐底梁結(jié)構(gòu)設計安裝形式簡化且更加安全。焙燒爐底梁需要承擔風帽分布板、爐底隔熱耐火材料、風帽和固定床爐料的重量，是很重要的受力構(gòu)件，需要同時滿足強度和撓度的要求，還要考慮溫度折減系數(shù)。目前大型焙燒爐底梁設計一般選用700 mm×300 mm的H型平行條梁結(jié)構(gòu)，制作安裝施工比較簡便，生產(chǎn)實踐證明該底梁設計安全可靠。

2）永久型單孔風帽設計制造國產(chǎn)化技術(shù)成熟先進。據(jù)筆者實際調(diào)研，目前國內(nèi)新建28～152 m2鋅焙燒爐，普遍成功使用了孔徑6 mm的單孔直吹式風帽，材質(zhì)選用國內(nèi)獨特配方的稀土材料精密鑄造，開孔率0.28%～0.31%，孔速50～60 m/s，風帽安裝密度為100～110個/m2，流態(tài)化更趨均勻穩(wěn)定，焙砂質(zhì)量好，脫硫率高，原料應變能力相對提高，安全生產(chǎn)運行周期延長，生產(chǎn)效率顯著提高。在(900±50)℃爐溫下，風帽使用壽命一般可以達到10年以上[12]。同時，該單孔直吹式風帽可以避免外側(cè)風帽高速直吹下直段爐墻，延長了爐體的安全生產(chǎn)周期。

3）主要高度尺寸更加合理。焙燒爐下直段高度降低、擴大段和上直段高度均逐步提高是主要變化趨勢，爐內(nèi)反應空間擴大后有利于提高焙燒爐生產(chǎn)能力和焙砂質(zhì)量。

4）擴大角提高。大型鋅焙燒爐的擴大角由7°～15°提高到20°，有利于擴大爐膛容積，煙氣在爐膛內(nèi)的反應和停留時間可以穩(wěn)定在24～28 s，脫硫、氧化、酸化反應更加充分均勻、高效。

5）煙氣出口方式更加安全合理。新建大型硫鐵礦焙燒爐借鑒鋅焙燒爐的設計和生產(chǎn)成功經(jīng)驗，煙氣出口設計在擴大段爐身側(cè)面，筑爐施工更加方便快捷，生產(chǎn)操作和檢修清理結(jié)塊更加安全高效。

6）爐頂設計采用球形拱頂和整體澆筑施工技術(shù)。與錐形拱頂相比，球形拱頂受力更加合理，徹底消除了外側(cè)拱頂磚斷裂的隱患，加之球拱采用特制鋼纖維粉體材料整體澆筑施工技術(shù)，一次成形，強度高，密封性能好，有利于提高焙燒爐的使用壽命。

7）焙燒爐和余熱鍋爐連接處采用迷宮式和含鋯纖維氈特制材料。大型焙燒爐煙氣出口跟余熱鍋爐煙氣進口的連接處，設計和施工成功采用了簡潔、方便的迷宮式結(jié)構(gòu)形式，并在砌筑過程中科學使用了含鋯纖維氈特制材料，施工和維護都很方便，只要嚴格按要求施工，都能較好地解決兩爐連接處的密封難題。

8）取消了下直段的操作門。新建大型焙燒爐下直段均未設計升溫和探爐專用的操作人孔門，點火升溫采用密封的高效燃燒器，煤粉加料采用進料皮帶和拋料機，探爐和扎爐臨時操作在拋料機進料孔和排料溢流孔均可完成。下直段的操作門取消后，減少了爐內(nèi)漏風率，爐內(nèi)更容易實現(xiàn)微負壓清潔生產(chǎn)，改善了操作環(huán)境。

9）爐底排渣采用底部側(cè)墻斜管結(jié)構(gòu)設計。焙燒爐在長期生產(chǎn)運行期間，靠近風帽層處會有大顆粒積渣形成，必須每班及時檢查排渣2～4次，這種精細操作有利于降低沸騰層阻力，消除生產(chǎn)隱患。排渣管一般設計在溢流口附近，斜管上設計一個插板，人工間斷排料操作比較方便、安全。

10）焙燒爐風帽分布板采用積木式拼塊精準設計。由于大型鋅焙燒爐風帽設計安裝密度比傳統(tǒng)蘑菇頭形式的風帽高1～1.2倍，風帽分布板上每個風帽的開孔必須全部避讓底梁H型鋼，所以必須采用積木式拼塊精準設計，施工選用成本較低、焊接性能好的奧402焊條，采用“剛性夾持法”和機械矯正法可以減少焊接變形量[13]。

1.3.3 全面協(xié)同集成創(chuàng)新，改進相關(guān)配套設計

協(xié)同集成創(chuàng)新和相關(guān)配套設計改進主要體現(xiàn)在以下6個方面：

1）成功使用了特制鋼纖維粉體材料和整體澆筑等專利技術(shù)。焙燒爐下直段及其開孔、爐頂和風帽耐火層、上直段煙氣出口等關(guān)鍵部位，設計和施工均采用了洛陽洛華窯業(yè)有限公司的特制鋼纖維粉體材料和整體澆筑專利技術(shù)。該材料和專利技術(shù)自2007年在大型鋅焙燒爐維修和新建施工中推廣使用以來，經(jīng)過10余年的持續(xù)改進和技術(shù)積累，目前已成為成熟、可靠、國際領先的成套專利技術(shù)，為世界大型爐窯技術(shù)進步和超越創(chuàng)新奠定了堅實

基礎。

2）多點高速均勻給料設備技術(shù)的配套使用。大型焙燒爐設計采用拋料機給料，具有多點、高速、均勻、靈活的優(yōu)勢，相對較好地解決了傳統(tǒng)的溜料管設計導致的爐墻附近容易積料的隱患和一系列生產(chǎn)操作難題。

3）高效燃燒器的配套使用。焙燒爐點火烤爐和升溫安裝使用了北京凱明陽熱能技術(shù)有限公司設計生產(chǎn)的燃油燃燒器或天然氣燃燒器，在大型焙燒爐上成功應用十余年以來，開啟和操作簡便，霧化效果好，燃燒充分，不需要備品備件和特殊維護維修，只需要在停爐檢修期間清理掉燒嘴處的積塵，即可重復正常使用，一般可以使用十年以上，堪稱國產(chǎn)化“物美價廉”的節(jié)能設備技術(shù)。

4）余熱資源利用率較高。大型鋅焙燒爐配套設計使用了流態(tài)化冷卻器和強制循環(huán)余熱鍋爐，余熱鍋爐清灰采用高效專利設備，妥善解決了受熱面粘結(jié)礦塵的難題。焙燒爐溢流口排出的焙砂經(jīng)過流態(tài)化冷卻器后，焙砂溫度可以從900 ℃降低到600 ℃以下，再進入高效冷卻圓筒冷卻至100 ℃左右。流態(tài)化冷卻器在冷卻焙砂過程中，回收的焙砂余熱用來加熱余熱鍋爐給水。按109 m2焙燒爐配套余熱鍋爐設計蒸發(fā)量28～36 t/h計算，相當于每噸硫酸可回收3.8 MPa、252 ℃的飽和蒸汽1.27～1.39 t。

5）礦產(chǎn)資源回收率較高。由于大型鋅焙燒爐爐體開孔較少，密封條件好，改進后的電收塵器出口煙氣中的塵質(zhì)量濃度可以達到100 mg/m3以內(nèi)[14]，焙燒工序金屬鋅的回收率達99.9%以上[15]。

6）勞動生產(chǎn)率高。由于采用成熟先進的自動化、集成化、智能化先進控制系統(tǒng)，操作人員精簡，152 m2鋅焙燒爐比109 m2鋅焙燒爐系統(tǒng)減員30%以上，新建單系列300 kt/a電鋅全套裝置實際用工不到1 000人，系統(tǒng)開車率最高已達到99.65%。

2 展望

大型流態(tài)化焙燒爐屬于現(xiàn)代冶金爐窯的代表，其發(fā)展方向是多目標整體優(yōu)化。多目標整體優(yōu)化技術(shù)的基礎和核心是研制爐窯的全息仿真數(shù)學模型與全息仿真軟件，在此基礎上可建立優(yōu)化CAD設計、操作優(yōu)化決策支持系統(tǒng)（離線指導）或在線優(yōu)化控制系統(tǒng)[16]。國內(nèi)現(xiàn)有138 m2、150 m2硫鐵礦焙燒爐和109 m2、152 m2鋅焙燒爐設計過程中，在多目標整體優(yōu)化基礎研究領域已取得了大量數(shù)據(jù)和成功經(jīng)驗，建議設計單位以數(shù)據(jù)共享和全面深度合作交流為途徑，聯(lián)合更多的優(yōu)勢資源，加快186 m2和200 m2流態(tài)化焙燒爐優(yōu)化研究和設計建設的步伐，繼續(xù)全面集成創(chuàng)新，為現(xiàn)有大型流態(tài)化焙燒爐更新?lián)Q代提供科學、可靠、經(jīng)濟、高效的基礎數(shù)據(jù)，供設計研究參考。