李 棟,林 屹,曹珂菲

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 引言

第一代氧氣底吹煉鉛技術自開發(fā)以來,以其強大的技術、經(jīng)濟、環(huán)保優(yōu)勢獲得了迅速推廣,其中鼓風爐用于還原底吹氧化爐所產(chǎn)高鉛渣。為了解決高鉛渣鑄塊損失物理熱及鼓風爐還原需要使用冶金焦的問題,2008—2011 年熔融側(cè)吹還原爐、熔融底吹還原爐被相繼開發(fā)出來,稱為第二代、第三代氧氣底吹煉鉛技術。其取代了鼓風爐,各底吹煉鉛廠紛紛進行了升級改造。然而,各廠單條生產(chǎn)線的產(chǎn)能規(guī)模多在年產(chǎn)10 萬t 電鉛以內(nèi),僅有一條生產(chǎn)線的產(chǎn)能規(guī)模為年產(chǎn)16 萬噸電鉛,擴大規(guī)模和關鍵爐體的大型化設計勢在必行。

2020 年7 月投產(chǎn)的河南某鉛冶煉搬遷技改工程,設計年處理鉛精礦90 萬t、年產(chǎn)電鉛30～40 萬t。火法冶煉工藝路線為第三代氧氣底吹煉鉛技術,精礦熔煉采用底吹氧化爐、高鉛渣還原采用底吹還原爐。截至目前,按小時投料量推算,該生產(chǎn)線已經(jīng)突破年產(chǎn)30 萬t 電鉛,目前穩(wěn)定在35 萬t 電鉛規(guī)模,計劃向40 萬t 的產(chǎn)能目標進發(fā)。其中,該工程中的底吹氧化爐和底吹還原爐設計規(guī)格均為φ5×28 m,是當今世界上單系列產(chǎn)能最大的鉛冶煉設備。在此之前,底吹氧化爐最大規(guī)模為年產(chǎn)16 萬t 電鉛、底吹還原爐最大規(guī)模為年產(chǎn)10 萬t 電鉛。因此,本工程中底吹氧化爐和底吹還原爐的大型化設計備受關注。本文介紹了φ5×28 m 底吹氧化爐和φ5×28 m 底吹還原爐的設計情況,并結合生產(chǎn)運行對一些具體問題進行了分析和探討。

1 底吹氧化爐和底吹還原爐設計

1.1 工藝條件

底吹氧化爐年有效工作時間7 920 h,入爐濕基含鉛物料量約123.5 t/h、入爐濕基混合物料量約148.5 t/h、氧氣用量約16 500 Nm3/h。底吹氧化爐不產(chǎn)粗鉛,產(chǎn)出高鉛渣約109 t/h,出爐煙氣量約35 200 Nm3/h。底吹氧化爐連續(xù)進料,間斷放渣,約1.5 h 放渣一次,放渣時間約1 h。

底吹還原爐年有效工作時間7 920 h,還原通過溜槽及出煙口自流而入的氧化爐高鉛渣。底吹還原爐需加入碎煤作為還原劑,碎煤加入量約3.5 t/h;采用粉煤補熱,粉煤量約3.8 t/h,氧氣用量約3 850 Nm3/h。底吹還原爐產(chǎn)出粗鉛約1 260 t/h,產(chǎn)出還原渣約1 250 t/h,出爐煙氣量約39 500 Nm3/h。底吹還原爐間斷進料,間斷放渣,作業(yè)周期約2.5 h,其中約進渣1 h、還原1 h、放渣0.5 h。

1.2 底吹氧化爐和底吹還原爐設計

根據(jù)工藝條件和爐體計算,確定底吹氧化爐規(guī)格取φ5×28 m。爐頂設3 個加料口,平均每個加料口承擔的鉛精礦投入量為每年30 萬t,盡量避免爐內(nèi)發(fā)生堆料現(xiàn)象。爐底0 度角位置設氧槍14 支,平均每支槍供氧量約為1 180 Nm3/h。

根據(jù)工藝條件和爐體計算,確定底吹還原爐規(guī)格取φ5×28 m。爐頂設2 個加料口,用于加入還原所需的還原劑碎煤。爐底30 度角位置設還原槍13支,平均每支槍供粉煤量約為300 kg/h。

圖1 為φ5×28 m 底吹氧化爐簡圖,圖2 為φ5×28 m 底吹還原爐簡圖。

圖1 φ5×28 m 底吹氧化爐簡圖

圖2 φ5×28 m 底吹還原爐簡圖

2 投產(chǎn)運行與分析探討

該技改工程于2020 年7 月投產(chǎn),截至目前,底吹氧化爐和底吹還原爐運行平穩(wěn)、正常,各項工藝指標也滿足設計要求,表明第三代氧氣底吹煉鉛技術中關鍵設備的大型化設計達到了預期效果。但本工程為第三代氧氣底吹煉鉛技術首次擴大規(guī)模實踐,為穩(wěn)妥于2021 年4 月主動停爐,對包括底吹氧化爐和底吹還原爐在內(nèi)的關鍵設備進行檢查、檢修。

2.1 底吹氧化爐

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),底吹氧化爐掛渣較多,爐襯侵蝕在可控范圍之內(nèi),預計整爐壽命可達到2～3 年。由于底吹氧化爐不產(chǎn)粗鉛,所以氧化槍的壽命較長,平均可達3 個月。圖3 為檢修完畢底吹氧化爐掛渣照片。

圖3 檢修完畢底吹氧化爐掛渣照片

本次底吹氧化爐大型化設計中,較為成功的是長爐子的烘爐設計。在噴槍閥站增設天然氣管路,用6 支左右氧化槍配合端頭燃燒器烘爐,這樣烘爐溫度對長爐子來說比較均勻。另外,本次設計的加料口水套內(nèi)襯了不銹鋼圈,經(jīng)實踐證明該設計增強了水套側(cè)壁的安全性,操作人員在清理粘接時接觸不銹鋼圈,可以定期更換,保護了水套本體。

2.2 底吹還原爐

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),底吹還原爐氣相區(qū)加料口周圍耐火磚燒損嚴重,殘磚最短處僅110 mm 左右,必須挖補。圖4 為還原爐準備挖修時的照片,其氣相區(qū)殘磚厚度的漸變清晰可見。分析發(fā)生如此嚴重燒損原因,可能與全粉煤還原操作模式有關。在實際運行中,取消了爐頂加料口加入塊煤進行還原的操作,只用還原槍往爐內(nèi)供入粉煤,粉煤既做燃料又做還原劑使用,單支還原槍的供煤量可達到600 kg/h 左右。單支槍供入的粉煤量過大,而熔池所能利用的沒有提高太多,所以大量的粉煤進入爐膛空間,遇到從加料口來的漏風便發(fā)生了嚴重二次燃燒,產(chǎn)生的高溫導致氣相區(qū)加料口周圍耐火磚燒損嚴重。

圖4 還原爐準備挖修時照片

全粉煤還原操作模式需注意解決爐膛空間可燃氣體的二次燃燒,可燃氣體全部在爐膛空間燃燒,溫度太高對氣相區(qū)耐火磚不利;全部在鍋爐燃燒,氣相區(qū)還原氣氛太強對磚也不利,所以加料口可用纖維氈封閉保持適度漏風,使爐膛空間發(fā)生適度的二次燃燒,這樣的話溫度不會太高,還原氣氛不會太強。

為了延長底吹還原爐耐火磚的壽命,還可在爐殼外增加夾套水冷。經(jīng)過初步設計和傳熱計算,爐殼外增加夾套水冷之后,爐殼溫度可從現(xiàn)在的250℃降低到50 ℃左右。爐襯的掛渣保護變得相對容易,耐火磚的耐熱性會增強,爐壽延長是可預期的。同時,爐殼溫度的降低,還可改善操作環(huán)境。由于爐襯掛渣,整體的散熱損失不會大幅提高,但延長爐壽的好處大于能耗的小幅提高。詳細設計時,需注意爐殼膨脹量的變化,膨脹計算需按照新的溫度分布來修正;另外,夾套應盡量均勻設置鋪滿,以減小爐殼溫度的不均勻性。

本次底吹還原爐大型化設計中,較為成功的是還原槍30 度角。由于還原槍偏離爐底中心30 度角,使得其能避開大部分粗鉛的侵蝕,所以壽命長于其他廠還原槍1 個月的壽命,達到了平均2 個月,正往3 個月努力。除此之外,還原槍可在原來0.8～1.0 MPa 壓力的基礎上降壓至0.5～0.6 MPa 運行,實現(xiàn)節(jié)能效果。底吹氧化爐從傳統(tǒng)的產(chǎn)鉛到現(xiàn)在的不產(chǎn)鉛,氧化槍壽命從1 個月延長至3 個月。它也可以降壓,節(jié)能的同時解決噴濺較重問題,可以嘗試適當提高單槍氧氣流量。

另外,有一個現(xiàn)象尚未明確其原因,過去產(chǎn)鉛的底吹氧化爐虹吸道沖刷非常嚴重,而大型化設計后底吹還原爐產(chǎn)鉛量大于前者,虹吸道卻沒有沖刷,這是一個值得探討的疑題。

3 總結

φ5×28 m 底吹氧化爐和φ5×28 m 底吹還原爐已經(jīng)成為世界上單系列產(chǎn)能最大的鉛冶煉設備,該生產(chǎn)線在投產(chǎn)不久突破了年產(chǎn)30 萬t 電鉛、目前穩(wěn)定在35 萬t 電鉛規(guī)模,正計劃向40 萬t 產(chǎn)能目標進發(fā),為第三代氧氣底吹煉鉛技術的擴大規(guī)模設計積累了經(jīng)驗,有眾多總結之處。本文從爐體設計、投產(chǎn)運行、分析探討等方面對兩臺爐子進行了敘述,重點就爐壽、槍壽幾個相關問題展開詳述。φ5×28 m底吹氧化爐和φ5×28 m 底吹還原爐大型化的設計,為企業(yè)帶來了經(jīng)濟效益和社會效益。