夏明軍 夏中衛(wèi) 馬 驥 蘇佳興 成 慰

(1.湖南長沙金信電子有限公司， 湖南 長沙 410000； 2.株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司， 湖南 長沙 412004；3.中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

工藝節(jié)能

基于VB的鉛鋅渣處理熱力計算程序的開發(fā)與應(yīng)用

夏明軍1夏中衛(wèi)2馬 驥3蘇佳興1成 慰3

(1.湖南長沙金信電子有限公司， 湖南 長沙 410000； 2.株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司， 湖南 長沙 412004；3.中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

利用VB平臺，針對當(dāng)前鉛鋅渣的處理狀況，開發(fā)了一種適用于煙化爐煙化法處理鉛鋅冶煉渣的熱力計算程序。文中重點介紹了該熱力計算程序的功能要點、界面設(shè)計與核心計算模塊，并以某企業(yè)煙化爐工業(yè)試驗為基礎(chǔ)，計算驗證了該程序的可靠性與準(zhǔn)確性，同時根據(jù)計算結(jié)果分析了生產(chǎn)能耗、生產(chǎn)爐時等，發(fā)現(xiàn)富氧吹煉生產(chǎn)可以大幅降低煙化爐生產(chǎn)能耗，提高煙化爐生產(chǎn)效率。

Visual Basic； 熱平衡計算； 計算程序開發(fā)； 鉛鋅渣處理

0 前言

我國鉛鋅產(chǎn)量位居世界第一[1-2]，但鉛鋅冶煉所排放的廢渣量也非常巨大[3]。目前，基于煙化爐的煙化法是處理鉛鋅冶煉廢渣以回收其中有價金屬的最重要手段。其工作原理是將粉煤和空氣混合鼓入煙化爐的液體爐渣中進(jìn)行高溫熔煉，使熔渣中的鉛鋅等有價金屬通過化學(xué)反應(yīng)再次以其氧化物顆粒的形式回收。在此過程中，熱量的流向、工藝參數(shù)的控制等會直接影響煙化爐的生產(chǎn)狀況，所以生產(chǎn)過程的熱工分析是煙化爐設(shè)計、生產(chǎn)能耗、生產(chǎn)工藝和參數(shù)的最重要預(yù)測、參考及評價手段。

從20世紀(jì)80年代起，隨著計算機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用和普及，研究者們開始嘗試使用Fortran或Basic語言自行編制各種熱力計算程序，代替費時耗力、效率低下的人工計算方法，同時大大提高了熱力計算的準(zhǔn)確性。隨著近幾十年的發(fā)展，熱力計算程序已經(jīng)成功應(yīng)用于各種冶金設(shè)備、鍋爐等的設(shè)計生產(chǎn)中[4-5]，成為有效的設(shè)計、決策手段。

但由于各種熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工藝各異，已有的熱力計算程序只能局限于特定設(shè)備的熱力設(shè)計及核算需求，不具有通用性。由于針對煙化爐處理鉛鋅渣的熱力計算程序開發(fā)的相關(guān)工作鮮有報道，故當(dāng)前煙化爐的生產(chǎn)操作很大程度上依賴于經(jīng)驗的判斷，缺乏精準(zhǔn)的理論指導(dǎo)。由此，鑒于Visual Basic程序語言具有界面友好、封裝性好、所見即所得的可視界面設(shè)計方法等特點[6-7]，本文針對處理鉛鋅冶煉渣的煙化爐，利用VB平臺編寫熱力計算程序，為煙化爐的設(shè)計與生產(chǎn)提供一種有效的輔助決策手段。

1 程序功能與界面設(shè)計

該計算程序采用面向?qū)ο笫降木幹品桨讣澳K化的源程序設(shè)計。考慮到設(shè)計以及生產(chǎn)使用目的不同，本程序主要包括參數(shù)輸入、設(shè)計計算、校核計算等功能模塊，如圖1所示。

圖1 程序功能模塊

參數(shù)輸入模塊主要包括物料分析結(jié)果與技術(shù)參數(shù)兩大類數(shù)據(jù)，其中物料分析結(jié)果包括粉煤的工業(yè)分析即粉煤的含炭量、揮發(fā)分、灰分及水分，以及鉛鋅渣中主要成分PbO、ZnO、FeO、SiO2、CaO等；技術(shù)參數(shù)是指設(shè)計計算時預(yù)期實現(xiàn)或?qū)嶋H生產(chǎn)過程中檢測而得的各類技術(shù)參數(shù)，主要包括煙化爐的日處理量、燃料率、金屬揮發(fā)率、煙塵率、棄渣率、各監(jiān)測點溫度以及平均空氣消耗系數(shù)等。輸入各項計算參數(shù)的操作界面如圖2所示，參數(shù)輸入完成后可以進(jìn)行運算、重置參數(shù)和返回等操作。

圖2 計算參數(shù)輸入界面

結(jié)果輸出模塊用于顯示熱力計算結(jié)果。它將煙化爐熱力計算的各項結(jié)果以熱收入和熱支出分類并制表輸出。其中熱收入主要包括：渣礦帶入熱、空氣帶入熱、粉煤帶入熱和粉煤燃燒熱等；熱支出主要包括：棄渣帶走熱、煙塵帶走熱、煙氣帶走熱、PbO和ZnO化學(xué)反應(yīng)吸熱、冷卻水帶走熱及其他熱損失等。為便于人們了解煙化爐的熱流分布情況，以上各項的結(jié)果及百分比可制表打印，圖3為顯示計算結(jié)果的界面。

圖3 計算結(jié)果輸出界面

2 設(shè)計計算與校核計算模塊

本計算程序可用于煙化爐熱平衡的設(shè)計計算和校核計算。

設(shè)計計算是在采用設(shè)計條件下的物料成分和預(yù)期的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，通過計算得出該工況下所需燃料量、燃料率和其熱平衡表格。它可用于煙化爐生產(chǎn)的熱力預(yù)測分析和設(shè)計，以確定生產(chǎn)所需的燃料量。校核計算是在已知生產(chǎn)實際燃料率，并結(jié)合物料成分和各項生產(chǎn)實測所得的技術(shù)指標(biāo)的情況下，分析此生產(chǎn)過程的熱流分布和熱力過程，可用來指導(dǎo)及時調(diào)整工藝參數(shù)，保證正常的生產(chǎn)運行。

這兩部分的核心內(nèi)容包括燃料計算、熱收入計算、熱支出計算3個子程序，它們也是本熱力計算程序的核心計算模塊，如圖4所示。

圖4 核心計算模塊流程示意圖

(1)燃料計算子程序是基于干燥粉煤樣品的工業(yè)分析所得到的粉煤組成，即固定碳、揮發(fā)分和灰分等的質(zhì)量百分比，由此燃燒計算子程序可給出粉煤的低位發(fā)熱值、完全燃燒時的理論空氣量、理論煙氣量等[8]。

(2)熱收入計算子程序是根據(jù)用戶輸入的物料分析結(jié)果和部分技術(shù)參數(shù)以計算煙化爐中各項熱收入，其中熱收入的計算包括渣礦帶入熱量、空氣帶入熱量、粉煤帶入熱量和粉煤燃燒釋放熱量。

(3)熱支出計算子程序是根據(jù)用戶所提供的煙化爐生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)和已經(jīng)計算所得的熱收入進(jìn)而計算各項熱支出，包括棄渣帶走熱、煙塵帶走熱、煙氣帶走熱、PbO和ZnO化學(xué)反應(yīng)吸熱、冷卻水帶走熱及其他熱損失。

熱收入與熱支出的各項計算公式均采用當(dāng)前煙化爐處理鉛鋅渣相關(guān)從業(yè)人員廣為參考的 《有色冶金爐設(shè)計手冊》第19章內(nèi)容[9]。

3 計算實例及結(jié)果

為了驗證該計算程序的正確性與可靠性，也為尋求減小煙化爐生產(chǎn)能耗的有效途徑，本文以某企業(yè)煙化爐單爐處理26.88 t浸鋅渣的生產(chǎn)過程為對象，依據(jù)該企業(yè)2012年4月浸鋅渣處理工業(yè)試驗數(shù)據(jù)，對該生產(chǎn)過程進(jìn)行設(shè)計計算。煙化爐處理浸鋅渣是將冷態(tài)的浸鋅渣投入到高溫熔池中，進(jìn)行高溫熔煉，其過程與直接熔煉高溫熔渣完全相同，只是投料溫度有所差異。本計算將除燃料率以外的實測工藝參數(shù)與生產(chǎn)實際物料參數(shù)作為設(shè)計計算的預(yù)期參數(shù)，通過計算所得的燃料率與工業(yè)試驗實際燃料率相對比，以驗證計算結(jié)果的精確程度。

粉煤的成分為：固定碳,41.9%；揮發(fā)分，21.71%；灰分，36.39%。其他部分重要生產(chǎn)工藝參數(shù)列于下表1。

表1 煙化爐部分重要生產(chǎn)工藝參數(shù)

啟動計算程序，用戶可以按照操作界面的提示依次錄入各項計算參數(shù)，再選擇“熱平衡核算”按鈕，即可獲得相應(yīng)的計算結(jié)果。計算所得26.88 t浸鋅渣處理所需燃料量為12.17 t，即燃料率為45.28%，與實際燃料率48.5%的相對誤差為6.64%。該誤差最可能是由于爐內(nèi)粉煤顆粒燃燒不充分，其實際發(fā)熱量低于計算所采用的低位發(fā)熱量，從而造成燃料使用量的增加，其他計算結(jié)果與熱平衡表如表2所示。由此次計算可以驗證，其結(jié)果符合煙化爐生產(chǎn)實際。

表2 氧氣含量21%時的熱平衡表

通過表2分析可以看出，在煙化爐處理冷態(tài)浸鋅渣的生產(chǎn)過程中，熱收入主要是由粉煤燃燒所提供的，占96.73%。而熱支出主要由棄渣帶走熱、煙氣帶走熱和冷卻水帶走熱等構(gòu)成，其中煙氣帶走熱最為顯著，其比例為58.59%。所以，在不影響正常生產(chǎn)的情況下，減小煙氣帶走熱是節(jié)約燃料使用量的主攻方向。按此思路，本文調(diào)整工藝風(fēng)的富氧含量，通過計算探索富氧工藝風(fēng)對于煙化爐燃料率、能量流動的優(yōu)化效果。

同樣對單爐處理26.88 t冷態(tài)浸鋅渣，富氧含量由原21%調(diào)整至31%，其他工藝參數(shù)均不改變，運用上述熱工計算程序，得燃料使用量6.54 t，燃料率僅為24.34%，計算所得熱平衡表如表3所示。

表3 氧氣含量31%時的熱平衡表

同時對比兩組計算結(jié)果可以明顯發(fā)現(xiàn)，相對于21%的工藝風(fēng)工況，在31%的富氧工況下，生產(chǎn)所需總能耗大幅下降46%，也可以大大減小煙氣帶走熱、冷卻水帶走熱等各項熱損失，在一定程度上實現(xiàn)生產(chǎn)過程的節(jié)能降耗。

基于上述計算程序與結(jié)果，本文繼續(xù)計算分析了富氧程度對于生產(chǎn)能耗和單爐生產(chǎn)時間的影響，如圖5、6。

圖5 燃料率隨富氧程度的變化

從圖5、6中可以看出，隨著富氧程度的增加，煙化爐生產(chǎn)的燃料率大幅降低，意味著生產(chǎn)所需總能耗明顯減少，這主要是因為富氧程度增加可以直接減少煙氣帶走的熱損失。同樣，生產(chǎn)總爐時隨著富氧程度的增加而減小。但當(dāng)富氧程度超過40%時，燃料率和生產(chǎn)爐時的變化均不再明顯。由此可以得出，從煙化爐熱工分析的角度來講，富氧程度為40%的工藝風(fēng)是煙化爐生產(chǎn)的最佳選擇。

4 結(jié)論

(1)該熱力計算程序基于VB平臺而開發(fā)，具有很好的擴(kuò)展性、開放性以及友好的用戶操作界面。程序的使用者通過簡單的學(xué)習(xí)培訓(xùn)便可操作，并可

圖6 生產(chǎn)爐時隨富氧程度的變化

根據(jù)不同的需要進(jìn)行擴(kuò)充與維護(hù)，方便了技術(shù)操作人員對煙化爐的熱力狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測、校核以及分析，為煙化爐的設(shè)計生產(chǎn)提供了一種有效的輔助決策手段。

(2)當(dāng)前鉛鋅渣處理所使用的煙化爐均采用煙化法，具有統(tǒng)一的生產(chǎn)工藝，但具體生產(chǎn)參數(shù)略有不同。該計算程序的參數(shù)輸入類別比較多元和開放，可針對不同生產(chǎn)工況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，即能適用于絕大部分煙化爐側(cè)吹熔池熔煉的生產(chǎn)需要，并可在日后的工作實踐中，根據(jù)不同用戶的個性化需求，進(jìn)一步擴(kuò)展程序自身功能。

(3)驗證和模擬計算表明，該程序使用方便、計算準(zhǔn)確、可靠性高，且定量驗證了富氧工況對于煙化爐生產(chǎn)節(jié)能降耗的重要影響，即31%的富氧工藝風(fēng)可將生產(chǎn)總能耗大幅降低46%。富氧程度的增加可明顯減少燃料率和生產(chǎn)時間，從而降低生產(chǎn)能耗，提高生產(chǎn)效率。從煙化爐熱工分析的角度來講，富氧程度為40%的工藝風(fēng)是煙化爐生產(chǎn)的最佳選擇。

[1] 李若貴.我國鉛鋅冶煉工藝現(xiàn)狀及發(fā)展[J].中國有色冶金,2010,39(6).

[2] 張樂如.鉛鋅冶煉新技術(shù)[M].長沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2006:6-128.

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Development and Application of Thermodynamic Calculation Program for Lead and Zinc Slag Treatment Based on VB

XIA Ming-jun, XIA Zhong-wei, MA Ji, SU Jia-xing, CHENG Wei

Based on the VB platform and combined with the current treatment conditions of lead and zinc slag, a thermodynamic calculation program, which is UI-friendly, easy to operation, and applies to treat lead and zinc slag with fuming furnace with fuming process was developed. The function points, interface design and core calculation model of thermodynamic calculation program were mainly introduced, realizing design calculation and check calculation of thermal balance of fuming furnace to meet different calculation demands. Based on the industrial tests of fuming furnace of an enterprise, the reliability and accuracy of the program was tested by the calculation. The production energy consumption, production hours were analyzed according to the calculation results, and it is found that the oxygen-enriched smelting production could effectively reduce the production energy consumption of fuming furnace in a large scale, and increase the production efficiency of fuming furnace.

Visual Basic; heat balance calculation; calculation program development; lead and zinc slag treatment

2013-12-05

國家高技術(shù)發(fā)展計劃(編號：2011AA061003)

夏明軍(1962—)，男，湖南邵陽人，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：自動控制、熱工過程參數(shù)檢測與控制。

TK11+2

A

1008-5122(2014)02-0006-04