李杰

(中際山河科技有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙410000)

我國(guó)鋅行業(yè)面臨資源和環(huán)境的雙重約束，生態(tài)文明建設(shè)和污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)對(duì)行業(yè)發(fā)展環(huán)境產(chǎn)生了重大影響，鉛鋅等有色金屬作為國(guó)家重要的基礎(chǔ)原材料，是踐行綠色發(fā)展理念的關(guān)鍵領(lǐng)域。氧化鋅作為重要的再生回收鋅二次資源，其中含有一定量的氟、氯化合物，氟、氯離子如果隨氧化鋅浸出進(jìn)入溶液，氟離子會(huì)腐蝕陰極板，使鋅片難于剝離，氯離子會(huì)腐蝕陽(yáng)極板和冷卻塔，帶來(lái)生產(chǎn)上的一系列困難。因此，對(duì)氧化鋅進(jìn)行脫氯氟處理是鋅二次資源利用必不可少的重要過(guò)程?，F(xiàn)行的氧化鋅除F、Cl工藝主要有多膛爐工藝和回轉(zhuǎn)窯工藝兩種，其中多膛爐工藝適用于原料氧化鋅中含鉛量≤15%，且有其它稀散金屬的情況，而回轉(zhuǎn)窯工藝適用于原料含鉛量高，并不含其他稀散金屬的情況。

1 多膛爐脫氟氯工藝原理

多膛爐脫氟氯原理主要是氟化物、氯化物的揮發(fā)反應(yīng)，在爐內(nèi)高溫條件下，低沸點(diǎn)的氟化物、氯化物分解成氣態(tài)，隨煙氣進(jìn)入煙氣除塵裝置而被除去，反應(yīng)過(guò)程如下：

1.1 高溫?fù)]發(fā)反應(yīng)：MeX2→ MeX2(g)

1.2 氧化鋅原料反應(yīng)：ZnO+SiO2=ZnO?Si O2、PbO+SiO2=3PbO?2Si O2(726℃)（低熔點(diǎn)共晶化合物）式中Me表示Zn2+、Pb2+，X表示Cl-、F-。生產(chǎn)過(guò)程中，次氧化鋅物料經(jīng)氣力輸送至氧化鋅貯倉(cāng)，再送至多膛爐焙燒。控制焙燒溫度在650～750℃左右和一定的負(fù)壓條件下，氧化鋅中的氟、氯化合物分解，以氣態(tài)形式進(jìn)入煙氣收塵系統(tǒng)，經(jīng)收塵得到高氟氯煙塵并送至濕法堿洗工序進(jìn)一步處理。爐內(nèi)物料和煙塵的運(yùn)輸路徑如圖1所示。其中，氧化鋅物料通過(guò)螺旋輸送機(jī)，連續(xù)不斷地從頂部進(jìn)料口落入第一層，然后在第一層被耙臂通過(guò)出料口掃入第二層，經(jīng)過(guò)每層連接在中心軸上耙臂下方的耙齒攪動(dòng)，使物料均勻翻動(dòng)，并經(jīng)過(guò)爐體中每層的落料口進(jìn)入下一層，物料的運(yùn)輸路徑為“之”字形。煙塵和廢氣不斷往爐腔上部聚集，廢氣管道上的引風(fēng)機(jī)通過(guò)除塵出口，將廢氣和灰塵抽走。

2 多膛爐設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 爐膛結(jié)構(gòu)及耐火材料

2.1.1 爐襯耐火材料采用特殊設(shè)計(jì)的粘土異型組合磚。磚體采用專用鋼模成型，機(jī)器壓制，隧道窯高溫?zé)Y(jié)而成，理化指標(biāo)符合YBT5106-2009標(biāo)準(zhǔn)ZN-40牌號(hào)的要求。砌筑拱形爐床，熱穩(wěn)定性較好，可適應(yīng)較大的溫度波動(dòng)，同時(shí)可滿足最高1000℃的使用溫度。

2.1.2 爐殼內(nèi)徑φ6770mm，爐墻耐火磚層230mm，爐體外保溫采用硅酸鋁纖維氈，保溫層表面敷設(shè)薄鋁板；爐墻拱腳和每層爐膛均使用異形磚組合砌筑，采用錐形拱頂結(jié)構(gòu)形式。保溫層厚度結(jié)合爐墻內(nèi)襯保證爐殼鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期工作溫度低于300℃，保溫層外表面相對(duì)環(huán)境溫升不超過(guò)50℃。

2.1.3 爐床共10層，每層拱腳磚環(huán)均支撐在爐殼的加強(qiáng)圈位置，確保拱形爐床的穩(wěn)固。單數(shù)層爐床設(shè)置中心孔，雙數(shù)層爐床每層均布15個(gè)落砂孔。每層爐膛設(shè)有6個(gè)工作門，以便于工人操作及檢修。

2.2 中心軸

2.2.1 中心軸按每層一節(jié)設(shè)計(jì)共12根，分別為底部中心軸1根，頂部中心軸1根，中心軸Ⅰ型9根，中心軸Ⅱ型1根。

2.2.2 中心軸Ⅰ、Ⅱ型采用耐熱鑄鐵RTCr2鑄造加工而成。底部中心軸及頂部中心軸安裝在爐膛之外，底部中心軸采用鑄鋼ZG310-570，頂部中心軸采用耐熱鑄鐵RTCr2。中心軸Ⅰ、Ⅱ型采用雙層夾套式結(jié)構(gòu)，冷卻風(fēng)由夾套內(nèi)層通入，外層排出，冷卻中心軸及耙臂。冷風(fēng)經(jīng)過(guò)中心軸變成200℃左右的熱風(fēng)排出，熱風(fēng)可作為燃燒室的助燃空氣使用，減少了能源的消耗。

2.3 傳動(dòng)裝置

2.3.1 減速機(jī)采用漸開(kāi)線圓柱硬齒面減速機(jī)，漸開(kāi)線圓錐齒輪嚙合：滾動(dòng)軸承式雙支撐小齒輪，減速機(jī)輸出軸不承受彎矩；分體式大齒輪。

2.3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用變頻調(diào)速器調(diào)速，既可調(diào)節(jié)爐子的能力，同時(shí)又可以對(duì)電機(jī)的工作電流設(shè)置過(guò)載保護(hù)，當(dāng)中心軸扭矩過(guò)大，電機(jī)電流過(guò)載時(shí)，可以停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，保護(hù)中心軸及傳動(dòng)設(shè)備。

2.4 燃燒系統(tǒng)

2.4.1 燃燒器為可拆卸清理的形式，在必要時(shí)可將燃燒器或易堵塞部件從爐體上退出清理。燃燒器配置自動(dòng)點(diǎn)火和火焰監(jiān)測(cè)裝置，具有全程火焰監(jiān)測(cè)和熄火、欠壓、斷電保護(hù)功能，燃燒功率和溫度手動(dòng)控制。燃燒器點(diǎn)火和火焰調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)操作，設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)操作控制箱和遠(yuǎn)程點(diǎn)火和控制系統(tǒng)，相關(guān)信號(hào)傳輸至主控室。每個(gè)燃燒器配置兩個(gè)安全切斷閥。

2.4.2 該型號(hào)燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用多級(jí)旋流半預(yù)混式燃燒的機(jī)理，混合強(qiáng)烈充分，空氣過(guò)剩系數(shù)在1:1.1 ～1:1.2 之間，燃燒完全，火焰剛性好，火焰長(zhǎng)，燃燒率達(dá)99.9 %以上。

2.4.3 燃燒器耐熱部分全部采用高級(jí)優(yōu)質(zhì)耐熱不銹鋼（310S/321等），耐高溫和抗氧化能力極強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)。在燃燒器內(nèi)部結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了防回火裝置，確保燃?xì)饪煽堪踩褂?。燃燒器燃?xì)饬髁繛?0～20Nm3/h，使用壓力為10kpa。

2.5 多膛爐控制系統(tǒng)

多膛爐的操作監(jiān)控系統(tǒng)，是自成體系的裝置，其人機(jī)界面安置在高壓及低壓控制柜上，并且配置一臺(tái)置于智慧中心的遠(yuǎn)程維護(hù)終端微機(jī)。PLC自動(dòng)控制和報(bào)警，PLC可調(diào)、可切換成手動(dòng)；設(shè)置與總廠DCS系統(tǒng)通訊的接口，采用Profinet協(xié)議通信，傳送所需狀態(tài)及控制；PLC帶多網(wǎng)口并開(kāi)放內(nèi)部數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)在智慧中心遠(yuǎn)程操作。PLC采用S7-1500系列，采用PLC+觸摸屏控制，操作簡(jiǎn)單，易于上手(圖2)。

圖2 多膛爐控制系統(tǒng)

3 多膛爐脫氟氯系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 溫度控制

鉛熔點(diǎn)較低，當(dāng)溫度達(dá)到脫氟、氯需求的600℃時(shí)，過(guò)多的鉛就會(huì)融化結(jié)塊，將耙齒和中心軸粘住，導(dǎo)致設(shè)備故障，影響脫除率。在生產(chǎn)過(guò)程中，反應(yīng)帶主要發(fā)生在前六層，第六層溫度最高，依次向兩邊遞減，各層之間應(yīng)形成溫度梯度，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐摸索，多膛爐各層較合理溫度分布如表1所示，按照表內(nèi)溫度范圍區(qū)間設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)溫度在線自動(dòng)控制。

表1 多膛爐工作中溫度分布

3.2 耙臂上耙齒優(yōu)化

在以前設(shè)計(jì)的耙臂燕尾槽內(nèi)，圓形碗口可以轉(zhuǎn)動(dòng)，刮料板的方向會(huì)改變甚至反向，不利于物料的運(yùn)動(dòng)，使用壽命短。此次優(yōu)化成方形碗口，方向固定，齒路清晰，物料順暢，使用壽命較長(zhǎng)。粑齒下端增加了真正的小耙齒，可以翻炒物料，又不增加阻力，可防止物料板結(jié)(圖3)。

圖3 新舊耙齒對(duì)比

3.3 中心軸轉(zhuǎn)速優(yōu)化

中心軸轉(zhuǎn)速越快，脫除率效果越差，但是轉(zhuǎn)速過(guò)慢又制約了設(shè)備處理能力，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，物料停留時(shí)間必須保證2h以上，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為0.8 ～1.2 r/min。設(shè)計(jì)中，中心軸傳動(dòng)電機(jī)采用變頻調(diào)速電機(jī)，可根據(jù)工作實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整中心軸轉(zhuǎn)速。(圖4)

圖4 中心軸轉(zhuǎn)速對(duì)脫F、Cl影響

4 結(jié)論

多膛焙燒爐作為氧化鋅脫氟氯的主流手段，無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)性還是環(huán)保角度與其他工藝進(jìn)行對(duì)比，多膛焙燒爐工藝都占據(jù)著明顯優(yōu)勢(shì)。所以，對(duì)多膛焙燒爐結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)化和提升，依然具有重要意義。本設(shè)計(jì)從溫度控制、物料控制、耙臂等方面對(duì)多膛爐系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)化與穩(wěn)定性優(yōu)化。但受生產(chǎn)環(huán)境、原料質(zhì)量，雜質(zhì)含量等因素的影響，在不同地區(qū)生產(chǎn)廠家的設(shè)備需求不盡相同，甚至可能在相同地點(diǎn)，不同時(shí)間點(diǎn)上也會(huì)出現(xiàn)較大差異?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在今后的設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)是向智能化、以及高適應(yīng)性方向發(fā)展，因此站在設(shè)計(jì)的角度上，依然有著較大發(fā)展空間與挑戰(zhàn)。