崔大韡

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 引言

煙化爐主要用于從有色金屬冶煉爐渣中回收鉛、鋅、錫等易揮發(fā)的金屬。近年來(lái),隨著鉛鋅冶煉項(xiàng)目的大型化,以及含鉛鋅渣處理需求的增多,煙化爐被越來(lái)越多的使用,并有著大型化的趨勢(shì)。此前,世界上最大的煙化爐為加拿大特列依爾的21.96 m2煙化爐。國(guó)內(nèi)較大的煙化爐有株洲冶煉廠、江西銅業(yè)鉛鋅金屬有限公司的18 m2煙化爐。

本文的32 m2煙化爐,為目前世界上最大的煙化爐,應(yīng)用在河南某年產(chǎn)37 萬(wàn)t 粗鉛項(xiàng)目中。此項(xiàng)目采用中國(guó)恩菲專(zhuān)利底吹煉鉛工藝,采用氧氣底吹熔煉-底吹熔融還原-煙化吹煉三連爐連續(xù)煉鉛技術(shù),是世界上最大的單系列鉛冶煉項(xiàng)目。

1 大型煙化爐設(shè)計(jì)難點(diǎn)

煙化爐是一種處理含鉛鋅爐渣的傳統(tǒng)爐型,規(guī)格從60 年代初的2.5 m2煙化爐開(kāi)始,不斷的演變?cè)龃?目前應(yīng)用數(shù)量較多且設(shè)計(jì)成熟的為爐床面積8～13 m2的煙化爐。而本次要將煙化爐在常用規(guī)格的基礎(chǔ)上擴(kuò)大近3 倍的爐床面積,并不能只是面積的簡(jiǎn)單放大,而是要克服并解決制約煙化爐大型化的一些技術(shù)難點(diǎn)。從現(xiàn)有煙化爐的結(jié)構(gòu)和使用來(lái)看,大型煙化爐設(shè)計(jì)要解決以下問(wèn)題。

1.1 煙化爐熔池水套(風(fēng)口鋼水套)壽命低

由于爐內(nèi)熔融態(tài)爐渣對(duì)爐墻沖刷侵蝕非常嚴(yán)重,煙化爐風(fēng)口鋼水套的壽命一般僅為3～6 個(gè)月,風(fēng)口層以上鋼水套的壽命稍長(zhǎng)一般為6～12 個(gè)月。這就造成了傳統(tǒng)煙化爐可能每3～6 個(gè)月就要停爐檢修,更換水套,嚴(yán)重影響煙化爐的作業(yè)率。因此以往鉛冶煉項(xiàng)目中,每個(gè)渣處理車(chē)間都配有兩臺(tái)同規(guī)格煙化爐,互為備用,以防因單個(gè)煙化爐頻繁檢修,而影響整體的冶煉生產(chǎn)。

如果水套壽命不提高,而盲目的擴(kuò)大爐子,會(huì)設(shè)置更多的水套,那么停爐檢修水套的機(jī)率反而會(huì)增加,大型化反而成了劣勢(shì)。而且本項(xiàng)目工藝單系列底吹煉鉛生產(chǎn)線只配一臺(tái)煙化爐,不設(shè)備用。因此水套壽命是煙化爐能否成功大型化的關(guān)鍵問(wèn)題。

1.2 煙化爐骨架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)

煙化爐是立式矩形爐體(如圖1 所示),爐身由幾十塊水套拼接而成,爐身水套主要由外圍骨架上伸出的支撐桿固定,這些支撐桿不僅要承受爐內(nèi)熔池壓力,還有熔體攪動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng),這就要求骨架及支撐桿要非常穩(wěn)固。

圖1 32 m2煙化爐簡(jiǎn)圖

本煙化爐上部直接與鍋爐對(duì)接,形成一體式結(jié)構(gòu),爐身頂部在側(cè)面無(wú)法再設(shè)計(jì)拉桿、拉梁等拉緊結(jié)構(gòu),對(duì)于10～13 m2煙化爐,爐體骨架側(cè)面的跨度一般為6～8 m,而32 m2煙化爐骨架側(cè)面跨度達(dá)到16 m,這就給骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn),如何在不使用頂部拉緊結(jié)構(gòu)情況下,提高骨架側(cè)面梁的強(qiáng)度。如果支撐不穩(wěn)固,爐身水套容易產(chǎn)生變形和振動(dòng)問(wèn)題。因此,對(duì)于大型煙化爐,足夠的骨架強(qiáng)度,成為亟需解決的問(wèn)題。

1.3 粉煤的均勻分配

煙化爐生產(chǎn)時(shí),粉煤通過(guò)位于爐身兩側(cè)的粉煤噴嘴噴入熔池,以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐渣的升溫與還原。粉煤能否在各個(gè)風(fēng)嘴間被均勻的分配噴吹,是保證熔池熔煉效果、提升粉煤利用率、平衡風(fēng)嘴壽命的關(guān)鍵。

由工藝一次風(fēng)煤管帶來(lái)的粉煤,通過(guò)粉煤分配器來(lái)進(jìn)行分配。一般煙化爐單側(cè)風(fēng)嘴為12～20 個(gè),目前常用的三級(jí)粉煤分配器(如圖2 所示)可實(shí)現(xiàn)粉煤的均勻分配。但對(duì)于32 m2大型煙化爐,其單側(cè)風(fēng)嘴數(shù)量達(dá)到42 個(gè),如何還能實(shí)現(xiàn)粉煤的均勻分配,也是實(shí)現(xiàn)煙化爐大型化中必須解決的問(wèn)題。

2 大型煙化爐設(shè)計(jì)

上述的設(shè)計(jì)難點(diǎn),對(duì)32 m2大型煙化爐的設(shè)計(jì)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。利用恩菲多年的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)累積,經(jīng)過(guò)認(rèn)真的研究核算,最終設(shè)計(jì)的32 m2煙化爐下圖所示:煙化爐爐身由三層水套組成,最下層水套為風(fēng)口銅水套,上兩層水套為鋼水套;底部為爐缸式爐底;爐身頂部通過(guò)膨脹節(jié)與鍋爐的膜式壁相接;爐身水套通過(guò)骨架上伸出的支撐桿進(jìn)行固定。

2.1 風(fēng)口銅水套的應(yīng)用

由于純銅水套冷卻能力強(qiáng),生產(chǎn)時(shí)可在其表面形成薄渣層,避免被熔渣不斷的侵蝕沖刷,因此銅水套使用壽命長(zhǎng),本次設(shè)計(jì)在風(fēng)口區(qū)采用銅水套,取代原有壽命低的鋼水套,以解決風(fēng)口水套壽命低,檢修頻繁,影響煙化爐作業(yè)率的問(wèn)題。根據(jù)目前的實(shí)踐估計(jì),銅水套的壽命可達(dá)3～5 年。

同時(shí),設(shè)計(jì)中也對(duì)風(fēng)口區(qū)水套高度進(jìn)行了提高,原風(fēng)口鋼水套高度(800～1 400 mm)較矮,并不能完全覆蓋整個(gè)熔池,除了風(fēng)口鋼水套,其上層鋼水套也處在熔池區(qū)域,同樣容易損壞。新設(shè)計(jì)的風(fēng)口銅水套高度約2 000 mm,基本可以覆蓋整個(gè)熔池區(qū)域,規(guī)避了風(fēng)口上層鋼水套局部處于熔池區(qū)域的尷尬位置,能有效提高上層鋼水套的壽命。

對(duì)于加高的風(fēng)口銅水套,由于銅材本身強(qiáng)度低,需要采取加固措施,以防水套發(fā)生變形。本次設(shè)計(jì)采用了增加爐箍和水套外圍支撐的方式,來(lái)提高銅水套的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

另外,還可用給銅水套安裝鋼框架的方式來(lái)提高水套強(qiáng)度。如果經(jīng)濟(jì)條件允許,可直接采用強(qiáng)度更高的銅鋼復(fù)合水套。

2.2 煙化爐骨架加強(qiáng)

對(duì)于骨架側(cè)面跨度大,骨架頂部無(wú)法設(shè)計(jì)拉緊結(jié)構(gòu)的問(wèn)題,通過(guò)核算,采用了兩項(xiàng)措施:一是增大了骨架圈梁型鋼的規(guī)格;二是如圖1 所示,在爐側(cè)骨架中間增加一對(duì)立柱,并在立柱外側(cè)增加斜撐進(jìn)行加固。并且,對(duì)于骨架中用于支撐風(fēng)口銅水套的橫梁也在其上下兩側(cè)增加了筋板進(jìn)行加強(qiáng)。另外,對(duì)于風(fēng)口銅水套,不僅采用雙層支撐桿進(jìn)行支撐,還在風(fēng)口銅水套的底部,設(shè)計(jì)了頂緊結(jié)構(gòu)。

2.3 粉煤的均勻分配

粉煤分配器最早有大的連箱結(jié)構(gòu),但逐漸被多級(jí)分配的形式所取代。實(shí)際應(yīng)用中有水平主管的三級(jí)粉煤分配器(圖2 所示)應(yīng)用效果最好。煙化爐大型化后,風(fēng)嘴數(shù)量增加較多,粉煤分配雖然也可以增加級(jí)數(shù),設(shè)計(jì)成帶四級(jí)、五級(jí)主管的多級(jí)分配形式,但級(jí)數(shù)增加后結(jié)構(gòu)會(huì)更加復(fù)雜,而且隨著級(jí)數(shù)的增加,由上至下,每級(jí)間分配的誤差會(huì)逐漸累積,分配均勻性反而會(huì)變差。

圖2 粉煤分配器簡(jiǎn)圖

另外,還有一種立式圓柱分配器(圖3 所示),每級(jí)分配圓柱底部可設(shè)3～4 個(gè)支管,支管末端可以再接下一級(jí)分配圓柱進(jìn)行分配。這種結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用為二級(jí)結(jié)構(gòu),在級(jí)數(shù)增多后,也存在前述結(jié)構(gòu)同樣的問(wèn)題。

圖3 粉煤分配器簡(jiǎn)圖

在單個(gè)粉煤分配器能力受限的情況下,最后設(shè)計(jì)采用增加單側(cè)一次風(fēng)管數(shù)量的方案,解決了這個(gè)問(wèn)題。通常爐身兩側(cè)的各設(shè)一根一次風(fēng)煤管,將粉煤輸送到爐側(cè),然后與粉煤分配器對(duì)接。本煙化爐,每側(cè)有三根一次風(fēng)煤管,分別與三個(gè)粉煤分配器(圖2 所示)連接,這就將問(wèn)題簡(jiǎn)化,只需保證三根一次風(fēng)煤管的粉煤量相當(dāng),就可以確保3 組風(fēng)嘴(每組12 個(gè)風(fēng)嘴),42 個(gè)風(fēng)嘴粉煤的均勻分布。

2.4 爐缸

本煙化爐另一個(gè)特點(diǎn)是,考慮到粗鉛的匯集與排放,爐底采用了爐缸結(jié)構(gòu)。在爐缸殼體內(nèi),由耐火磚砌成了反拱形爐底,拱腳磚之上設(shè)置一層平水套與上側(cè)的風(fēng)口銅水套進(jìn)行過(guò)渡銜接。

3 實(shí)踐與總結(jié)

本32 m2煙化爐于2020 年7 月投產(chǎn),并很快達(dá)到設(shè)計(jì)的處理能力,各項(xiàng)指標(biāo)也達(dá)到了工藝要求。到目前為止,煙化爐風(fēng)口銅水套并沒(méi)有發(fā)生損壞;煙化的骨架、支撐結(jié)構(gòu)也并沒(méi)有出現(xiàn)變形;采用單側(cè)多支路一次風(fēng)煤管方法,也實(shí)現(xiàn)粉煤的均勻分配?？梢哉f(shuō),前述大型化所涉及的問(wèn)題都得到很好的解決。

32 m2大型煙化爐的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了煙化爐的跨越式發(fā)展,驗(yàn)證了單臺(tái)煙化爐的渣處理能力和使用壽命,可以滿(mǎn)足項(xiàng)目大型化的需求,且使車(chē)間的配置更簡(jiǎn)單,投資更省,以及達(dá)到更低的檢修維護(hù)成本。此次大型煙化爐成功實(shí)踐僅是一個(gè)開(kāi)始,隨著冶煉項(xiàng)目的大型化及冶金渣資源化需求的增加,會(huì)有越來(lái)越多的大型煙化爐得到應(yīng)用,煙化爐相關(guān)技術(shù)和裝備也會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。