李 陽， 白 樺

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

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設(shè)備及自動化

鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐熔煉臥式熱風(fēng)爐的開發(fā)研究

李 陽1， 白 樺2

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

密閉鼓風(fēng)爐煉鉛鋅時需從風(fēng)口鼓入900 ℃左右的熱風(fēng)，熱風(fēng)由立式熱風(fēng)爐提供。立式熱風(fēng)爐體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行中不便檢修維護(hù)。筆者開發(fā)設(shè)計出一種臥式熱風(fēng)爐，不僅體積相對小，運行過程中還可以對其中的某個箱體進(jìn)行更換、清掃、維護(hù)，并且熱效率高。

鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐； 臥式熱風(fēng)爐； 維護(hù)； 體積； 熱效率

1 臥式熱風(fēng)爐設(shè)計的目的及思路

密閉鼓風(fēng)爐熔煉鉛鋅物料時需從風(fēng)口鼓入900 ℃左右的熱風(fēng)。目前，給密閉鼓風(fēng)爐提供高溫?zé)犸L(fēng)的普遍是立式熱風(fēng)爐，這種熱風(fēng)爐體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不便檢修。例如10萬t/a鉛鋅(其中，鋅約6.8萬t、鉛約3.2萬t)規(guī)模配套的熱風(fēng)爐，單個熱風(fēng)爐直徑6 m多、總高約33 m，總重1 400多t。爐內(nèi)蓄熱體為格子磚，格子磚總蓄熱面積約9 000 m2，格子磚的比表面積在30～40 m2/m3。對于15萬t/a鉛鋅(其中，鋅約10.3萬t、鉛約4.7萬t)規(guī)模配套的熱風(fēng)爐，單個熱風(fēng)爐直徑約7.7 m、總高42 m，格子磚總蓄熱面積約15 000 m2。

筆者開發(fā)設(shè)計的臥式熱風(fēng)爐，采用蜂窩陶瓷蓄熱體，這種蜂窩陶瓷蓄熱體比表面積最高可達(dá)1 300 m2/m3，一般在700～800 m2/m3，是立式熱風(fēng)爐格子磚比表面積的20～37倍。如果這種臥式熱風(fēng)爐為10萬t/a鉛鋅規(guī)模的工程配套，臥式熱風(fēng)爐蓄熱室置放蓄熱體的空腔橫斷面積設(shè)2 m×2 m，蓄熱面積仍取9 000 m2，則蓄熱室的軸向長度僅1.8～3 m。即使再加上陶瓷燃燒器、燃燒室、煙氣排出室，總長度10 m左右。如果用臥式熱風(fēng)爐為15萬t/a鉛鋅規(guī)模的工程配套，將蓄熱室置放蓄熱體的空腔橫斷面積設(shè)為2.5 m×2.5 m，蓄熱面積取15 000 m2，則蓄熱室的軸向長度僅需1.8～3 m，加上陶瓷燃燒器、燃燒室、煙氣排出室，總長度10 m左右。

熱風(fēng)爐屬于半直接式換熱器，運行時爐內(nèi)蓄熱體反復(fù)受到熱流體的加熱和冷流體的冷卻。立式熱風(fēng)爐內(nèi)的格子磚通常由高鋁質(zhì)材料和粘土質(zhì)材料制成，由于長時間反復(fù)冷熱交替，格子磚會出現(xiàn)開裂。運行狀態(tài)下立式熱風(fēng)爐中的格子磚的維護(hù)、檢修、更換十分困難，生產(chǎn)企業(yè)通常是在格子磚損壞一定數(shù)量后停爐進(jìn)行大修。

而臥式熱風(fēng)爐，當(dāng)總蓄熱面積及置放蓄熱體的內(nèi)空腔橫斷面積確定后，可比較容易地確定置放蓄熱體內(nèi)空腔的軸向長度并將蓄熱室分為多個箱體。每個蓄熱室箱體之間采用法蘭連接，其中的一個蓄熱室箱體能夠很方便地拆下(同時將一個備用的蓄熱室箱體換上)，維護(hù)、檢修不需停爐。故臥式熱風(fēng)爐不會因為本體原因造成生產(chǎn)主流程停產(chǎn)。

在密閉鼓風(fēng)爐煉鉛鋅實際生產(chǎn)中，熱風(fēng)爐的操作制度是“二燒一送”，一條密閉鼓風(fēng)爐煉鉛鋅生產(chǎn)線配備3臺熱風(fēng)爐，一臺熱風(fēng)爐送風(fēng)時，另兩臺處于燃燒期。這種操作制度使臥式熱風(fēng)爐更換蓄熱室箱體可行，在短時間內(nèi)實行“一燒一送”，更換完蓄熱室箱體后，恢復(fù)“二燒一送”。

立式熱風(fēng)爐的排煙溫度一般在300～360 ℃。有些企業(yè)在立式熱風(fēng)爐之后接一個熱管換熱器，對300～360 ℃的煙氣進(jìn)行余熱回收，預(yù)熱用于熱風(fēng)爐陶瓷燃燒器的低熱值煤氣和空氣。加一個熱管換熱器不僅要增加投資外，而且熱管換熱器煙氣溫度波動不能過大，否則熱管容易爆管(我國某鉛鋅冶煉廠就曾出現(xiàn)過熱管換熱器爆管現(xiàn)象)。因此，也有企業(yè)對立式熱風(fēng)爐排煙不設(shè)余熱回收裝置，直接通過煙囪排空。

臥式熱風(fēng)爐排煙溫度在160～200 ℃，這是因為蜂窩陶瓷蓄熱體的比表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于格子磚，蓄熱放熱速度快，時效性遠(yuǎn)優(yōu)于格子磚。因此采用蜂窩陶瓷蓄熱體的臥式熱風(fēng)爐比用格子磚作為蓄熱體的立式熱風(fēng)爐熱效率高。

蜂窩陶瓷蓄熱體要達(dá)到高的比表面積，氣體通道孔徑一般在φ2.5～5 mm，較容易被煙氣中的灰塵所污染或堵塞，影響換熱效果，必須周期性地清理。而臥式熱風(fēng)爐既可以對蜂窩陶瓷蓄熱體周期性清理，又不影響熱風(fēng)爐的運行。

2 臥式熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)和操作

2.1 臥式熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)

臥式熱風(fēng)爐由陶瓷燃燒器、燃燒室、蓄熱室、煙氣排出室構(gòu)成，見圖1。

1-陶瓷燃燒器; 2-燃燒室; 3-蓄熱室; 4-煙氣排出室; 5-尾氣排出口; 6-閥門; 7-冷空氣入口; 8-熱風(fēng)出口; 9-空氣入口; 10-煤氣入口圖1 臥式熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 陶瓷燃燒器

陶瓷燃燒器為圓筒形，外殼用鋼板制作，一個煤氣入口、一個助燃空氣入口，煤氣通道及空氣通道都由耐火材料砌筑而成，煤氣通道在內(nèi)空氣通道包裹在外，噴頭端與燃燒室相連。

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通的套筒式鋼結(jié)構(gòu)煤氣燒嘴相似，只是用耐火磚砌筑而成，能承受熱風(fēng)爐在送風(fēng)期高溫風(fēng)的反灌。

2.1.2 燃燒室

燃燒室斷面為方形，外殼為鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯耐火材料。斷面外形尺寸與其后的蓄熱室斷面外形尺寸相同，由耐火材料圍成的內(nèi)空腔斷面也與其后的蓄熱室耐火材料圍成的內(nèi)空腔斷面大小一致，軸向長度依燃燒計算所需的燃燒空間而定。

燃燒室一端與陶瓷燃燒器相連，另一端為法蘭結(jié)構(gòu)與其后蓄熱室相連。燃燒室的一個面上設(shè)有熱風(fēng)排出管，熱風(fēng)排出管上設(shè)有閥門(應(yīng)采用水冷閥門)。

2.1.3 蓄熱室

蓄熱室斷面為方形，外殼為鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯耐火材料，在耐火材料構(gòu)成的空腔內(nèi)填滿蜂窩陶瓷蓄熱體。斷面(長×寬)尺寸的確定包括外殼鋼板厚度、所襯耐火材料厚度及填裝蜂窩陶瓷蓄熱體所需的內(nèi)空腔橫斷面。

蓄熱室耐火材料圍成的內(nèi)空腔橫斷面大小是在綜合考慮燃燒煙氣通過蜂窩陶瓷蓄熱體時的流速及蓄熱體的開孔率等因素后所確定。依計算所需的總蓄熱面積，以及達(dá)到蓄熱面積要求的蜂窩陶瓷蓄熱體所形成的總體積，再分成多個蓄熱室(至少2個以上)來確定每個蓄熱室的長度。兩端為法蘭結(jié)構(gòu)。

2.1.4 煙氣排出室

煙氣排出室斷面為方形，斷面外形尺寸與其前的蓄熱室斷面外形尺寸相同，前端為法蘭結(jié)構(gòu)與蓄熱室相連。外殼為鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯耐火材料(由于煙氣排出室所承受的溫度不高，用粘土質(zhì)耐火材料砌筑即可)。耐火材料圍成的內(nèi)空腔斷面與其前的蓄熱室耐火材料圍成的內(nèi)空腔斷面大小相同。煙氣排出室的一個面上設(shè)冷空氣入管，可以是煙氣排出室朝上的一面或兩側(cè)面，依管道的走向配置而定，冷空氣入管上設(shè)有閥門；一個面上(一般是沿軸向的端面)設(shè)尾氣排出管，尾氣排出管上同樣設(shè)有閥門。煙氣排出室的軸向長度不需太長，可以安裝冷空氣入管即可。

2.2 臥式熱風(fēng)爐的操作

煤氣從煤氣入口進(jìn)入陶瓷燃燒器內(nèi)的煤氣通道，助燃空氣從空氣入口進(jìn)入陶瓷燃燒器內(nèi)的空氣通道。煤氣及助燃空氣從陶瓷燃燒器噴出口噴出在燃燒室內(nèi)燃燒。燃燒時燃燒室熱風(fēng)排出管上的閥門是關(guān)閉的。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入蓄熱室，將蜂窩陶瓷蓄熱體加熱后進(jìn)入煙氣排出室，這時煙氣排出室上的冷空氣入管閥門關(guān)閉，尾氣排出管閥門打開，煙氣從尾氣排出管排出。

當(dāng)陶瓷燃燒器燃燒一段時間蜂窩陶瓷蓄熱體被加熱到預(yù)定的溫度后，停止燃燒，打開燃燒室熱風(fēng)排出管上的閥門；同時關(guān)閉煙氣排出室尾氣排出管閥門，并打開冷空氣入管上的閥門。

空氣從冷空氣入管進(jìn)入煙氣排出室(生產(chǎn)上稱送風(fēng)期)，逆向通過蓄熱室被熱態(tài)蜂窩陶瓷蓄熱體加熱，熱空氣從蓄熱室流出進(jìn)入燃燒室，從燃燒室上的熱風(fēng)排出管排出。

隨著冷空氣流過熱態(tài)蜂窩陶瓷蓄熱體，蜂窩陶瓷蓄熱體的溫度不斷下降，當(dāng)蜂窩陶瓷蓄熱體溫度降低到一定值(或者說當(dāng)冷空氣只能被加熱到某一溫度時)，停止冷空氣的供給，開始新一輪陶瓷燃燒器的燃燒。

3 結(jié)語

本文提出將熱風(fēng)爐現(xiàn)有立式格子磚換熱材料，代之以臥式蜂窩陶瓷換熱材料，增加單位體積內(nèi)的換熱面積，從而總體尺寸大為縮小，易于更換和維護(hù)、操作。臥式熱風(fēng)爐與立式熱風(fēng)爐相比，體積小、熱效率高、檢修維護(hù)方便、投資省，值得推廣應(yīng)用。

光制氫技術(shù)新突破：納米新技術(shù)讓光制氫效率提高兩倍

氫能被普遍認(rèn)為是理想的綠色能源之一,通過光解水制氫的技術(shù)一直備受關(guān)注。倘若有一種神奇的催化劑，能夠只依靠太陽光完全分解水，生成氫氣和氧氣，那么人類也許可以永遠(yuǎn)擺脫能源危機的陰影。然而，光解水制氫長期面臨轉(zhuǎn)化效率低、光催化劑穩(wěn)定性差等難題，利用普通的光解水化學(xué)池來分解水的效率僅約2%。

最近，美國斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院崔屹課題組設(shè)計出一種鈣鈦礦太陽能電池驅(qū)動的光解水復(fù)合體系，可使光解水制氫的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到6.2%，是利用普通方法轉(zhuǎn)化效率的3倍。相關(guān)研究成果發(fā)表在近日出版的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

為提升光到氫燃料的轉(zhuǎn)化效率，主要研究人員設(shè)計出一種全新的光催化劑納米結(jié)構(gòu)的電極，將光解水性能優(yōu)越的鉬摻雜的礬酸鉍薄膜沉積于導(dǎo)電的納米錐陣列上，從而使得基于納米錐陣列的光解水電極具有較大的性能提升。

對比于傳統(tǒng)的光解水電極的平面結(jié)構(gòu)，納米錐陣列結(jié)構(gòu)的電極具有更好的光利用、電荷收集和限光特性。不僅如此，基于納米錐陣列的光解水池在一天中的不同時間段都會有很好的光利用效果。

此外，為了使該性能大幅提升的光解水池能夠在不需要外加電源的條件下獨立工作，他們設(shè)計了一種利用太陽能電池來直接驅(qū)動光解水池的復(fù)合體系。該復(fù)合體系的太陽能電池是由目前已知的性能最為優(yōu)越的鈣鈦礦材料組成。鈣鈦礦太陽能電池在吸收太陽光后輸出的電可直接用來驅(qū)動光解水池分解水，從而使得光至氫的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到6.2%。

未來，利用該鈣鈦礦太陽能電池光解水池的復(fù)合體系，光到氫的能源轉(zhuǎn)換效率有望提升到新高度，從而為獲取綠色氫能源提供一個重要途徑。

Development of horizontal hot-air furnace for lead-zinc imperial smelting furnace

LI Yang, BAI Hua

Hot air at a temperature of about 900 ℃ is required to be blown into the imperial smelting furnace for lead-zinc smelting, which is supplied by the vertical hot-air furnace. The vertical hot-air furnace features large volume and complicated structure and inconvenience for maintenance during operation. The author of the paper has developed a kind of horizontal hot-air furnace, which not only has smaller volume and higher heat efficiency, but also is convenient for replacing, cleaning and maintaining some of chambers during operation.

lead-zinc imperial smelting furnace; horizontal hot-air furnace; maintenance; volume; heat efficiency

李陽(1964—)，女，湖南長沙人，副教授，主要從事教學(xué)及課題項目的研發(fā)工作。

2015-09-17

TF812； TF813

B

1672-6103(2016)04-0042-03