許 俊,張建平,張更生,來有壽,陳文武

(廣西金川有色金屬有限公司,廣西 防城港 538000)

閃速熔煉是富氧懸浮熔煉技術(shù),熔煉速度取決于爐料與爐氣間的傳熱和傳質(zhì)速度,而傳熱和傳質(zhì)速度又隨兩相接觸表面積的增大而增高。閃速熔煉技術(shù)便是基于這種原理,將富氧空氣、干燥且比表面積大的精礦(或銅锍粉)、石英粉(或生石灰粉)和返回的煙塵粉等以適當?shù)谋壤尤敕磻?yīng)塔頂部的噴嘴,氣體與物料強烈混合后高速噴入反應(yīng)塔。進入反應(yīng)塔后,氣體受熱發(fā)生體積急劇膨脹,產(chǎn)生一個上升力使物料呈懸浮狀態(tài),布滿整個反應(yīng)塔截面,并發(fā)生劇烈的氧化放熱反應(yīng),從而強化冶煉過程,顯著提高爐子生產(chǎn)能力,降低燃料消耗。20世紀80年代以后,高投料量、高品位、高富氧濃度、高熱強度等“四高”技術(shù)成為了閃速熔煉爐發(fā)展的總趨勢。

廣西金川有色金屬有限公司冶煉廠(以下簡稱“廣西金川”)閃速熔煉系統(tǒng)設(shè)計平均投料量為246 t/h(混合干精礦),富氧濃度僅為65%;閃速吹煉爐設(shè)計平均投料量86 t/h,富氧濃度80%。投產(chǎn)初期,閃速熔煉爐生產(chǎn)負荷提升到230 t/h 以后,為了保證熔體排放溫度,反應(yīng)塔不能進行自熱反應(yīng),需要補充燃料,出現(xiàn)燃料消耗高、沉淀池頂和西端墻燒紅現(xiàn)象嚴重、煙氣系統(tǒng)溫度高、進入制酸系統(tǒng)的煙氣量偏大、鍋爐煙灰熔化粘結(jié)等問題,嚴重限制了生產(chǎn)的高效進行。閃速吹煉爐生產(chǎn)能力低,自身煙塵處理能力有限,中央油量長期維持在300～500 kg/h,能源消耗高,這使得吹煉爐熱負荷高,加上磚體散熱不夠,導(dǎo)致反應(yīng)塔頂?shù)鯍齑u過熱發(fā)紅,吊磚鉤燒損后易出現(xiàn)掉磚、局部爐頂塌陷等情況,對吹煉爐安全連續(xù)穩(wěn)定運行造成不利影響。

針對上述問題,廣西金川為了提高生產(chǎn)效率,大膽嘗試純氧冶煉工藝,并對關(guān)鍵噴嘴設(shè)備及其控制系統(tǒng)進行了改造,經(jīng)過一段時間的生產(chǎn)調(diào)整后,達到了理想效果。

1 閃速爐冶煉強度

自1995年美國肯尼科特冶煉廠開始采用“雙閃”工藝煉銅以來,單系列銅冶煉產(chǎn)能達到40 萬t/a,冶煉富氧濃度越來越高。國內(nèi)幾家“雙閃”銅冶煉廠閃速爐富氧濃度情況見表1。

由表1可知,目前國內(nèi)閃速爐富氧濃度基本控制在80%～90%,平均生產(chǎn)負荷基本與設(shè)計能力相當。其中,閃速熔煉爐最高投料量為260 t/h(混合干精礦,不包括石英和煙塵),閃速吹煉爐最高投料量為85 t/h(銅锍粉)。

表1 國內(nèi)幾家銅冶煉廠閃速爐富氧濃度控制Tab.1 Oxygen enrichment concentration control of flash furnace in several domestic copper smelters

2 冶煉負荷提升產(chǎn)生的問題

廣西金川2 臺閃速爐均采用奧圖泰公司的單噴嘴,雖然已達到設(shè)計產(chǎn)能但是還存在結(jié)瘤、反應(yīng)不完全等問題,吹煉爐單噴嘴表現(xiàn)得尤為突出。多次出現(xiàn)銅锍成分不變的情況下,提高氧氣單耗而吹煉渣含銅下降的問題,導(dǎo)致粗銅含硫量過高,陽極爐氧化時間長達7～8 h,嚴重影響冶煉系統(tǒng)生產(chǎn)效率。如果在原來的設(shè)計基礎(chǔ)上進一步通過加大投料量和鼓風強度提高冶煉強度,會存在以下主要問題。

1)噴嘴超負荷運行,易造成富氧風反竄,造成安全風險。正常生產(chǎn)時二次風在氧氣閥站出口進行混合,形成富氧風后進入單噴嘴。增加投料量提高生產(chǎn)負荷后,風量增大,噴嘴喉口部壓力升高,超過臨界壓比,不能完全快速通過噴嘴,導(dǎo)致背壓過高反竄進入氧氣和二次風管道,嚴重影響生產(chǎn)安全,存在安全風險。

2)風量增大導(dǎo)致風速增大,使得氧料摻混效果差,氧氣利用率低。當富氧風風速升高時,其在反應(yīng)塔停留時間減少,降低了和物料混合的時間,使氧料摻混效果差,導(dǎo)致反應(yīng)塔內(nèi)反應(yīng)不均,反應(yīng)塔局部區(qū)域發(fā)紅或異常高溫,有時會形成生料堆,影響熔體排放,嚴重時部分精礦進入排煙鍋爐形成粘結(jié),導(dǎo)致系統(tǒng)停產(chǎn);另外,氧利用率下降還會導(dǎo)致煙氣中三氧化硫產(chǎn)生率提高,使得化工系統(tǒng)廢酸濃度增加,除增加石灰消耗以外,還經(jīng)常由于廢酸濃度高倒逼冶煉降負荷生產(chǎn)。

3)冶煉強度增加,熱強度增加,閃速爐耐火材料的冷卻強度和冷卻元件也必須跟進增強。

4)在高富氧濃度和高投料量熔煉時,棄渣中的銅含量一般均會增加,增大了銅損失[1]。

3 改造思路

通過對大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析和研究,企業(yè)認為在目前奧圖泰公司提供的噴嘴結(jié)構(gòu)等條件下,設(shè)計投料量和富氧風總量已接近噴嘴的臨界點,物料成分和參數(shù)波動均會對閃速爐系統(tǒng)的生產(chǎn)造成較大的擾動。若要提升“雙閃”系統(tǒng)的冶煉強度,需要對噴嘴及其輔助系統(tǒng)進行改進。

1)優(yōu)化供風控制系統(tǒng)。針對富氧風反竄存在安全風險的問題,對供風系統(tǒng)進行優(yōu)化改進,確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

2)改進噴嘴結(jié)構(gòu)。針對因風速大氧料摻混效果差而導(dǎo)致的一系列生產(chǎn)問題,可采取降低鼓風量的措施,但是總風量降低以后,風礦比降低,通過噴嘴進入反應(yīng)塔的物料不足以擴散,就會造成物料偏析不均勻現(xiàn)象,氣固之間傳質(zhì)傳熱變差,反而引起爐況的惡化。為了解決此問題,需要改進噴嘴結(jié)構(gòu),增加風與物料的摻混動力。

3)提高富氧濃度。降低總風量以后,必須提高富氧濃度,以確保物料反應(yīng)所需要的氧氣。

4 改進關(guān)鍵設(shè)備

4.1 改進和優(yōu)化供風供氧系統(tǒng)

通過優(yōu)化工藝風系統(tǒng)的供氣閥組配置和聯(lián)鎖控制方案實現(xiàn)工藝風系統(tǒng)預(yù)定流量與恒定壓力運行模式,確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

在混氧閥站前端的工藝風管網(wǎng)上設(shè)置旁路系統(tǒng),主路與旁路末端分別設(shè)置切換開關(guān)閥組,主路切換開關(guān)閥組前端設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥組,原設(shè)計的工藝風流量放空閥組作為工藝風壓力調(diào)節(jié)閥組使用。管網(wǎng)優(yōu)化后,富氧工藝風供氣系統(tǒng)配置詳見圖1。

圖1 富氧工藝風系統(tǒng)配置示意Fig.1 Configuration diagram of oxygen enriched process air system

通過上述優(yōu)化改造后,實現(xiàn)了氧氣流量與二次風壓力聯(lián)鎖自動控制,聯(lián)鎖自控系統(tǒng)可根據(jù)實際氧氣管道反饋壓力與設(shè)定壓力差值自動調(diào)整壓力調(diào)節(jié)閥開度,完全實現(xiàn)鼓風機在定流量運行過程中的恒壓力控制,有效避免了風氧互竄情況的發(fā)生,為供風系統(tǒng)穩(wěn)定運行和純氧冶煉提供了必要基礎(chǔ)。

4.2 改進噴嘴結(jié)構(gòu)

4.2.1 閃速爐中央噴嘴的工作原理

單噴嘴是將原料(混合干精礦或銅锍粉、熔劑和煙塵)、富氧空氣進行充分混合并合理分布的一種設(shè)備,是閃速爐的核心裝備,對閃速爐工藝的穩(wěn)定、生產(chǎn)效率、能耗指標等有著關(guān)鍵的影響。閃速爐單噴嘴是利用工藝風產(chǎn)生80～120 m/s 的氣流作為動能,將混合物料通過噴嘴與同時噴入的工藝風進行混合,在此過程中消耗氣流的動能,進入反應(yīng)塔后氣流速度為15～25 m/s。進入爐內(nèi)的原料主要由分料器進行分散,保證物料均勻分散并與富氧空氣充分混合。

原設(shè)計閃速爐噴嘴工作原理見圖2,外側(cè)的富氧風經(jīng)過喉口加速后帶動內(nèi)層物料向下朝四周擴散,噴嘴頭部一周的分散風輔助物料向水平方向分散,使物料成彌散狀態(tài)充滿整個反應(yīng)塔圓柱體,進行劇烈的物理和化學反應(yīng),實現(xiàn)傳質(zhì)傳熱過程。

圖2 原設(shè)計閃速爐噴嘴工作原理Fig.2 Working principle diagram of original flash furnace nozzle

4.2.2 閃速爐中央噴嘴的改造

通過運用質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、離散相模型、組分傳輸方程等進行理論計算,確定在鳥巢水套下部增加一個氣流導(dǎo)向部件,通過該鋼套使富氧風在徑向方向增加徑向動力,并通過富氧風產(chǎn)生的旋向動力帶動物料旋轉(zhuǎn),以彌補風礦比降低后的摻混動力不足的問題。同時將風環(huán)改為斜孔,使分散風旋流。圖3為噴嘴改造示意圖,圖4為改造后閃速爐中央噴嘴工作原理。

圖3 噴嘴改造示意Fig.3 Nozzle reconstruction schematic diagram

圖4 改造試驗后閃速爐噴嘴工作原理Fig.4 Working principle diagram of reconstructed flash furnace nozzle

4.2.3 氣流導(dǎo)向部件角度的確定

安裝氣流導(dǎo)向部件使物料與氧氣更充分混合,反應(yīng)區(qū)在反應(yīng)塔內(nèi)稍有上移,主要變化有以下幾方面:物料打散效果更好,反應(yīng)塔壁溫度上升(未影響反應(yīng)塔壁掛渣);煙灰發(fā)生率有所增加;同時因氧氣利用率提高,對酸濃度控制有利。從反應(yīng)塔工況變化來看,使用氣流導(dǎo)向部件后,在爐子微負壓狀態(tài)下,觀察口噴煙現(xiàn)象明顯減少,表明反應(yīng)更加穩(wěn)定。

氣流導(dǎo)向部件與噴嘴風環(huán)配合使用,可以形成內(nèi)外互補的效果。針對不同規(guī)格的噴嘴和物料,其使用角度會有不同,需要進行必要的試驗后使用。

閃速熔煉爐氣流導(dǎo)向部件角度為10°時,對爐況控制無明顯副作用影響,僅表現(xiàn)反應(yīng)區(qū)上移,噴射器調(diào)風錐粘接稍重;氣流導(dǎo)向部件角度為15°時,反應(yīng)塔壁溫度急劇升高,出現(xiàn)發(fā)紅和水套氣化現(xiàn)象。因此,閃速熔煉爐氣流導(dǎo)向部件角度不宜超過15°。

表2為單噴嘴優(yōu)化改造前、后工藝參數(shù)對比,改造后的單噴嘴氣流導(dǎo)向部件角度為15°。

表2 單噴嘴優(yōu)化改造前、后工藝參數(shù)對比Tab.2 Comparison of process parameter before and after the nozzle transformation

5 工業(yè)試驗

5.1 改造后閃速爐高富氧冶煉工業(yè)試驗

5.1.1 閃速吹煉爐改進試驗

2018年3月首先在吹煉爐安裝氣流導(dǎo)向部件進行試驗,工藝風旋流后有利于物料與氧氣混合,在提高氧氣利用率的同時增加了物料在反應(yīng)塔內(nèi)停留時間。

2019年冷修前化工煙氣洗滌稀酸濃度在150 g/L以下,控制相對平穩(wěn),超標次數(shù)相對較少,煙塵率無明顯變化。2020年7月年修期間,更換20°氣流導(dǎo)向部件再進行試驗,發(fā)現(xiàn)因富氧風旋流強度過大,氧料徑向速度過高,導(dǎo)致反應(yīng)塔壁發(fā)紅、水套氣化,而且各項調(diào)整工藝參數(shù)均不能適應(yīng)現(xiàn)場生產(chǎn)需求;然后利用月修期間更換為原有的角度為15°氣流導(dǎo)向部件,目前運行正常。表3為銅锍噴嘴改造前、后吹煉爐爐況及主要參數(shù)對比情況。

表3 噴嘴改造前、后吹煉爐爐況及主要參數(shù)對比Tab.3 Comparison of blowing furnace conditions and main parameters before and after the transformation of nozzle

閃速吹煉爐氣流導(dǎo)向部件角度為15°時,對爐況控制較好,改善了銅锍粉與反應(yīng)富氧風之間摻混效果,提高了銅锍粉與反應(yīng)富氧風之間傳質(zhì)傳熱效果;同時彌補了銅锍粉在風動溜槽內(nèi)流態(tài)化效果不佳,從而解決了其加入銅锍噴嘴時與氧混合不均勻的問題,極大地提高了吹煉爐反應(yīng)塔的氧利用率。銅锍粉中Cu2S 的著火溫度在430～680 ℃,而且水碎礦石孔隙率低,因此通過紊流強化氧料接觸和延長反應(yīng)時間對其起到的效果較為明顯。

5.1.2 閃速熔煉爐改進實驗

2019年系統(tǒng)冷修,在熔煉爐單噴嘴鳥巢水套下部安裝角度為10°氣流導(dǎo)向部件,主要變化有以下幾方面:氣流導(dǎo)向部件使物料與氧氣更充分混合,反應(yīng)區(qū)在反應(yīng)塔內(nèi)稍有上移;物料打散效果更好,反應(yīng)塔壁溫度上升(未影響反應(yīng)塔壁掛渣);煙灰發(fā)生率有所增加;原料雜質(zhì)上升后在脫除效率方面未見異常。

2020年7月年修更換角度為15°氣流導(dǎo)向部件后,因富氧風旋流強度過大,氧料徑向速度過高,導(dǎo)致反應(yīng)塔壁發(fā)紅、水套氣化,通過調(diào)整工藝參數(shù)均不能適應(yīng)現(xiàn)場生產(chǎn)需求。熔煉爐氣流導(dǎo)向部件角度降低至10°后,運行正常。噴嘴改造前、后熔煉爐爐況及主要參數(shù)對比情況見表4。

表4 噴嘴改造前、后熔煉爐爐況及主要參數(shù)對比情況Tab.4 Comparison of smelting furnace conditions and main parameters before and after the transformation of nozzle

5.2 改造后閃速爐純氧冶煉生產(chǎn)實踐

通過前期改造試驗,“雙閃”噴嘴的適應(yīng)能力大幅加強,爐況穩(wěn)定,爐溫高、鍋爐下紅灰、廢酸濃度高的問題均得到較大程度的改善。系統(tǒng)穩(wěn)定之后,“雙閃”開始逐步提高生產(chǎn)負荷及富氧濃度試驗。2020年8月開始,將熔煉爐生產(chǎn)負荷提高至270 t/h(設(shè)計最高負荷246 t/h),吹煉爐生產(chǎn)負荷提高至100 t/h(設(shè)計最高負荷90 t/h),富氧濃度均提高至100%,生產(chǎn)穩(wěn)定,各項技術(shù)指標正常。

閃速熔煉爐工藝風停用,富氧濃度為100%,熔煉爐在投料負荷達到180 t/h 時可以實現(xiàn)自熱反應(yīng),反應(yīng)塔不需燃油。閃速爐富氧濃度提高至100%后,通過閃速爐中央氧中壓、低壓切換,氧氣站供氧可以滿足吹煉100 t/h、熔煉270 t/h 生產(chǎn),減少了氧氣散發(fā)和能源浪費。

單噴嘴改造后,反應(yīng)塔氧利用率得到大幅提升,增加富氧濃度未對后續(xù)煙灰鹽化和酸濃度控制產(chǎn)生影響;同時,冷修期間完成了反應(yīng)塔水套及冷卻系統(tǒng)的升級改造,反應(yīng)塔可以適應(yīng)更高的熱負荷;另外,富氧濃度增加會相應(yīng)地減少煙氣量,提高SO2濃度,減輕環(huán)保壓力。

6 結(jié)論

廣西金川針對閃速爐冶煉存在的燃料消耗高、煙氣系統(tǒng)溫度高、鍋爐煙灰熔化粘結(jié)、噴嘴結(jié)瘤、反應(yīng)不完全等一系列問題,對閃速爐的噴嘴系統(tǒng)進行改進,并進行了純氧冶煉工藝試驗,取得了滿意效果。

1)對供風系統(tǒng)進行改造,通過聯(lián)鎖控制和閥門自動啟閉避免了風氧互竄問題,消除了安全風險。

2)在現(xiàn)有閃速爐噴嘴鳥巢水套中心增加1 個氣流導(dǎo)向部件,該部件使富氧風在徑向方向形成一定的夾角,產(chǎn)生的旋向動力帶動物料旋轉(zhuǎn)起來,以彌補風礦比降低后出現(xiàn)摻混動力不足的問題。同時,將風環(huán)改為斜孔,使分散風旋流,加強了對物料的分散作用。

3)在一系列改造和生產(chǎn)實踐后,實現(xiàn)了奧托昆普閃速爐噴嘴純氧冶煉,同時冶煉控制更加穩(wěn)定,產(chǎn)能得到相應(yīng)提高,熔煉爐生產(chǎn)負荷提高至270 t/h(設(shè)計最高負荷246 t/h),吹煉爐生產(chǎn)負荷提高至100 t/h(設(shè)計最高負荷90 t/h)。

4)閃速爐純氧冶煉后,雙爐實現(xiàn)自熱生產(chǎn),燃料消耗降低,減少了碳排放;閃速爐純氧冶煉后,減少了氮氣帶入,從而降低高溫下氮氧化物的產(chǎn)生,減小氮氧化合物的排放量。