白 樺 李 陽(yáng)

(1.長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410011； 2.長(zhǎng)沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410131)

設(shè)備節(jié)能

新型連續(xù)煙化爐的設(shè)計(jì)

白 樺1李 陽(yáng)2

(1.長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410011； 2.長(zhǎng)沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410131)

由于傳統(tǒng)煙化爐存在的不足，設(shè)計(jì)了一種新型連續(xù)煙化爐。介紹了新型連續(xù)煙化爐的原理及爐寬、階梯式爐頂、渣壩式放出口、風(fēng)口水套及爐身水套、風(fēng)嘴等方面進(jìn)行的一系列設(shè)計(jì)改進(jìn)。

碎煤塊； 可調(diào)渣口； 連續(xù)煙化爐

有色冶金企業(yè)中各種爐渣(尤其是鉛鋅渣、錫渣)的處理均廣泛采用煙化爐。傳統(tǒng)煙化爐為間斷作業(yè)，用粉煤作還原劑，粉煤和風(fēng)一起通過(guò)風(fēng)嘴鼓入爐內(nèi)。這樣做帶來(lái)的弊端有：風(fēng)嘴受粉煤高速顆粒流的沖刷，磨損嚴(yán)重，壽命短；由于間斷作業(yè)產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)余熱利用裝置所產(chǎn)的蒸汽不連續(xù)且波動(dòng)很大不利于利用，尤其是不利于發(fā)電；需復(fù)雜的粉煤制備系統(tǒng)。

近幾年，有企業(yè)利用傳統(tǒng)煙化爐作連續(xù)煙化試驗(yàn)(仍用粉煤作還原劑)，只是簡(jiǎn)單的將放渣口從風(fēng)口中心線以上約200 mm抬高到500～600 mm,從而實(shí)現(xiàn)工藝流程的連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)排渣、連續(xù)吹煉，實(shí)現(xiàn)了蒸汽的連續(xù)供給，但棄渣含鉛鋅指標(biāo)的穩(wěn)定性以及粉煤利用率有待在實(shí)踐中摸索和論證。

因?yàn)閭鹘y(tǒng)煙化過(guò)程是間斷作業(yè)，其爐體基本按《有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)》的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，可將其近似歸于理論上的間歇反應(yīng)器。簡(jiǎn)單的將煙化爐放渣口抬高從而將間斷作業(yè)改為連續(xù)作業(yè)的裝置又可近似看作理論上的混流反應(yīng)器。理論上達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率時(shí)，混流反應(yīng)器容積應(yīng)比間歇反應(yīng)器容積大，即在同一反應(yīng)器上進(jìn)行間斷作業(yè)和連續(xù)作業(yè)難以得到相同的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)。

近幾年有企業(yè)及設(shè)計(jì)研究單位擬用富氧側(cè)吹爐來(lái)對(duì)鉛鋅渣(包括鋅浸出渣等)進(jìn)行煙化熔煉試驗(yàn)，目的之一是為省掉粉煤制備系統(tǒng)，但側(cè)吹爐還是常規(guī)意義上的基本爐型。

1 新型連續(xù)煙化爐

鑒于傳統(tǒng)煙化爐及工藝存在的不足，筆者借鑒活塞流原理開發(fā)設(shè)計(jì)出新型連續(xù)煙化爐，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 新型連續(xù)煙化爐側(cè)視圖

圖2 新型連續(xù)煙化爐風(fēng)口區(qū)爐床斷面

新型連續(xù)煙化爐風(fēng)口區(qū)爐床斷面設(shè)計(jì)成長(zhǎng)矩形，風(fēng)口區(qū)爐寬1 000～1 200 mm，風(fēng)口區(qū)長(zhǎng)度按(1)式計(jì)算：

L=F/B

(1)

式中：L——風(fēng)口區(qū)長(zhǎng)度，mm；B——風(fēng)口區(qū)寬度，mm；F——風(fēng)口區(qū)爐床橫斷面積，mm2。

風(fēng)口區(qū)長(zhǎng)寬比大于等于6(即L/B≥6)。

筆者把上述設(shè)定了風(fēng)口區(qū)寬度及長(zhǎng)寬比的新型連續(xù)煙化爐稱為隧道式連續(xù)煙化爐。

沿長(zhǎng)度方向?qū)⑺淼朗竭B續(xù)煙化爐從進(jìn)料端到排渣端的爐頂高度設(shè)計(jì)成臺(tái)階式上升。進(jìn)料端爐頂高度(爐頂內(nèi)標(biāo)高)距風(fēng)口中心線1 800～2 500 mm，沿長(zhǎng)度方向每隔一定距離(按爐身水套個(gè)數(shù))爐頂抬高500～800 mm。

直升煙道由膜式水冷壁圍成，高3～5 m，設(shè)置在隧道式煙化爐排渣端，直升煙道與其后的余熱利用裝置連成一體。

放渣口設(shè)計(jì)成渣壩式。咽喉口底邊距風(fēng)口中心線300～500 mm，渣壩高度200～400 mm，其中可調(diào)高度約130～260 mm。

在放渣端水套上部或直升煙道下部開二次風(fēng)口，但應(yīng)盡可能在水套上開二次風(fēng)口，只有在水套上開的二次風(fēng)口面積仍不夠的情況下才考慮在直升煙道上增開二次風(fēng)口。二次風(fēng)口可設(shè)計(jì)成自然吸風(fēng)或強(qiáng)制鼓風(fēng)形式。

新型煙化爐兩側(cè)風(fēng)嘴為錯(cuò)位排列，而傳統(tǒng)煙化爐、側(cè)吹爐風(fēng)嘴都為對(duì)吹排列。錯(cuò)位排列的同側(cè)相鄰風(fēng)嘴中心間距大于對(duì)吹排列，既便于生產(chǎn)操作，又便于支風(fēng)管路的安裝。

傳統(tǒng)煙化爐相鄰風(fēng)嘴中心間距一般為250～320 mm；富氧側(cè)吹爐相鄰風(fēng)嘴中心間距一般為600～820 mm。本文沒(méi)有給出新型連續(xù)煙化爐相鄰兩個(gè)風(fēng)嘴中心間距，其理論上可以通過(guò)計(jì)算風(fēng)嘴的攪拌范圍來(lái)確定，但筆者還未對(duì)其進(jìn)行研究。因?yàn)樵趯?shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者更希望有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供參考而不是計(jì)算。但可以確定的是新型連續(xù)煙化爐相鄰兩個(gè)風(fēng)嘴中心最適宜間距一定在傳統(tǒng)煙化爐和富氧側(cè)吹爐的相鄰風(fēng)嘴中心間距數(shù)據(jù)之間。這也是筆者下一步想要做的工作。

加料口個(gè)數(shù)視爐子大小在最低爐頂臺(tái)階的長(zhǎng)度方向設(shè)置2～4個(gè)。液態(tài)渣(或搭配的部分冷渣)從前端第一個(gè)加料口加入爐內(nèi)，冷渣從第二個(gè)加料口加入爐內(nèi)；還原煤塊(或工藝需配入的各種熔劑)則按一定比例分別從每個(gè)加料口加入爐內(nèi)。

一次風(fēng)通過(guò)風(fēng)嘴鼓入爐內(nèi)，風(fēng)嘴為帶水冷的銅風(fēng)嘴頭與鑄鋼風(fēng)管座一體的形式，風(fēng)嘴安裝角度為0°。

由于反應(yīng)區(qū)間為相對(duì)狹窄的通道，渣、煤、熔劑、風(fēng)可充分融合、反應(yīng)，熔融物沿著通道緩慢向前流動(dòng)，近似于活塞流。通過(guò)調(diào)整渣口磚壩的高度可保證渣、煤、熔劑、風(fēng)在爐內(nèi)的融合、反應(yīng)時(shí)間。錯(cuò)位風(fēng)口既保證了進(jìn)風(fēng)均勻又可避免相對(duì)風(fēng)口對(duì)吹造成的部分動(dòng)能損失，在相同條件下錯(cuò)位風(fēng)口布置比相對(duì)風(fēng)口布置的爐內(nèi)熔體混均時(shí)間要短。

煙氣朝著渣口方向流動(dòng)，由于爐膛空間不斷抬高擴(kuò)大，煙氣的流速基本保持在一定范圍。渣口端水套的爐膛空間加上直升煙道的空間構(gòu)成一個(gè)大空腔，二次風(fēng)從這里吹入爐內(nèi)將煙氣中的金屬蒸氣氧化，并將煙氣中的CO繼續(xù)燃燒掉，經(jīng)直升煙道進(jìn)入其后的余熱利用裝置回收其余熱。

由膜式水冷壁圍成的直升煙道的作用為：一是增大爐尾的爐膛空間；二是作為余熱利用裝置的一部分回收煙氣余熱。但直升煙道不宜設(shè)置太高，避免金屬氧化塵落回爐內(nèi)。渣經(jīng)壩式渣口連續(xù)排出。

2 新型連續(xù)煙化爐特點(diǎn)

2.1 爐寬

將風(fēng)口區(qū)爐寬設(shè)定在1 000～1 200 mm，長(zhǎng)寬比大于等于6，從而盡可能使熔池內(nèi)的流體有序的流動(dòng)，即盡可能接近理論上的活塞流流動(dòng)。

傳統(tǒng)煙化爐用粉煤作還原劑，并且將其從風(fēng)口直接吹入熔渣中，煙化過(guò)程中固體炭和CO同時(shí)起作用。隧道式連續(xù)煙化爐用碎煤塊作還原劑而且是加到熔渣表面，金屬氧化物的還原反應(yīng)幾乎完全靠煤燃燒生成的CO。單就還原過(guò)程反應(yīng)機(jī)理的效果來(lái)說(shuō)，不如傳統(tǒng)煙化爐，所以要靠爐體結(jié)構(gòu)形式，即爐內(nèi)的流體去接近理論上的活塞流來(lái)彌補(bǔ)不足。盡管如此，筆者還是認(rèn)為隧道式連續(xù)煙化爐的床能力會(huì)比傳統(tǒng)煙化爐略低。

當(dāng)然，爐寬也不是越窄越好，需要綜合熔渣密度、渣層厚度、鼓風(fēng)壓力、風(fēng)嘴布置等因素進(jìn)行考慮。

長(zhǎng)寬比的設(shè)定是設(shè)計(jì)上的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。除了遵從活塞流理論外，筆者還綜合考慮了處理量和處理能力的因素，通過(guò)計(jì)算得出隧道式煙化爐最小床面積為6 m2。筆者認(rèn)為面積小于6 m2的煙化爐(即需處理的渣量小于一定規(guī)模)已不適于設(shè)計(jì)成這種新型隧道式煙化爐。

2.2 階梯式爐頂

階梯式爐頂是設(shè)計(jì)上的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。進(jìn)料端爐膛空間應(yīng)適當(dāng)降低：一是可減小進(jìn)料(渣熔融體、還原煤或者各類熔劑)與爐內(nèi)熔融體的落差；二是該段熔融體中金屬氧化物的濃度、反應(yīng)速率都是最大的，適當(dāng)小的爐膛空間對(duì)于保證容積熱強(qiáng)度、熔化和反應(yīng)速率是非常有益的。

隨著熔融體向前流動(dòng)，金屬氧化物濃度、反應(yīng)速率遞減，煙氣量增加，逐步擴(kuò)大的爐膛空間可使煙氣流速基本保持在一定范圍。

放渣端處的煙氣量最大，煙氣中的CO需要燃燒，煙氣中的金屬蒸氣需要氧化，這都需要足夠的空間來(lái)完成。該段爐膛空間雖然最高，但仍無(wú)法滿足要求，所以要再加一節(jié)直升煙道。二次空氣也只在該段通人爐內(nèi)。

2.3 渣壩式放出口

渣壩式放出口可以對(duì)爐內(nèi)的熔融體起到液封作用，更重要的是可以在生產(chǎn)操作中通過(guò)調(diào)整渣壩高度來(lái)調(diào)節(jié)物料在爐內(nèi)的停留煙化時(shí)間。

實(shí)際生產(chǎn)中需煙化的各種渣往往不是一成不變的，往往與設(shè)計(jì)者在最初設(shè)計(jì)煙化爐時(shí)的參考依據(jù)存在一定出入，可調(diào)的渣壩高度可適應(yīng)上述變化，可通過(guò)在操作中摸索來(lái)獲得好的生產(chǎn)參數(shù)。

2.4 風(fēng)口水套及爐身水套

風(fēng)口水套及爐身水套的內(nèi)壁上焊有銷釘(φ10×15 mm)，銷釘密度約2 000只/m2，然后搗上18～20 mm厚的耐火混凝土襯層的鋼水套。類似水套已用于傳統(tǒng)煙化爐，效果很好。

富氧側(cè)吹爐風(fēng)口及爐身為銅水套。銅水套以其良好的導(dǎo)熱性非常適宜熔渣粘掛，使用壽命長(zhǎng)。但冷卻水量是鋼水套的約3倍，某種意義上帶走爐內(nèi)的熱量是鋼水套的3倍，造價(jià)是鋼水套的12～18倍。

筆者傾向于盡可能的采用鋼水套，因?yàn)殇撍椎男詢r(jià)比遠(yuǎn)大于銅水套。而且，多年來(lái)對(duì)鋼水套結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和性能改善一直在進(jìn)行，如水套內(nèi)壁焊密集銷釘以及筆者曾開發(fā)設(shè)計(jì)的一種優(yōu)化水流鋼水套等。

2.5 風(fēng)嘴

風(fēng)嘴為帶水冷的銅風(fēng)嘴頭與鑄鋼風(fēng)管座一體的形式，加之僅用來(lái)噴風(fēng)(或30%左右的富氧)，故風(fēng)嘴的壽命很長(zhǎng)。

3 新爐型存在的不足

新型煙化爐為長(zhǎng)矩形(隧道式)，在相同面積下，隧道式爐型比傳統(tǒng)煙化爐的爐型周長(zhǎng)長(zhǎng)，即在相同面積的情況下圍成煙化爐風(fēng)口區(qū)的水套面積大，顯然散熱更多；此外，由于爐床斷面是長(zhǎng)矩形，加之階梯型爐頂，爐體的緊固方面要考慮的因素比傳統(tǒng)爐型多，即緊固件的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜些；最后，由于限定了設(shè)計(jì)寬度及長(zhǎng)寬比，隧道式煙化爐更適于有一定處理量要求的工程。

4 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)煙化爐及煙化工藝雖技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，但難以克服的風(fēng)嘴磨損嚴(yán)重、壽命短導(dǎo)致煙化爐很難與各種冶煉工藝爐窯生產(chǎn)周期同步。加之其不能連續(xù)作業(yè)和需配備粉煤制備系統(tǒng)，業(yè)內(nèi)人士希望有更好的爐窯和方法來(lái)對(duì)各種渣進(jìn)行煙化處理。而隧道式連續(xù)煙化爐恰恰克服了傳統(tǒng)煙化爐的諸多弊端，通過(guò)應(yīng)用活塞流原理從而實(shí)現(xiàn)了爐渣的連續(xù)煙化操作。

[1] 《有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第1版.北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

[2] 任鴻九,等.有色金屬熔池熔煉[M].第1版.北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

[3] 《鉛鋅冶金學(xué)》編委會(huì). 鉛鋅冶金學(xué)[M].第1版.北京：科學(xué)出版社，2003.

DesignofNewContinuousFumingFurnace

BAI Hua, LI Yang

Due to the disadvantages of traditional fuming furnace, a new continuous fuming furnace is designed in this paper. The theoretical principle of the new fuming furnace is introduced, and a series of design improvements such as aspects including furnace width, step furnace top, slag dam type taphole, tuyere water jacket, furnace body water jacket and tuyere type are also preceded.

pieces coal; adjustable slag top-hole; continuous fuming furnace

2014-11-13

白樺(1959—)，男，高級(jí)工程師(研究員級(jí))，從事有色冶金爐窯及其余熱利用的設(shè)計(jì)研究工作。

TF806

A

1008-5122(2015)01-0021-03