閃速爐鍋爐煙灰清除劑應用研究

劉安明，汪志全，劉春生，余志華

(金隆銅業有限公司，安徽 銅陵 244021)

1 引言

閃速爐具有生產能力大，自動化程度高，系統密封性好、環保好等優點，逐步成為銅冶煉的主流生產工藝。閃速爐冶煉工藝是一種懸浮熔煉技術，易造成較高的煙塵發生率。閃速爐余熱鍋爐是閃速熔煉工藝中的關鍵設備之一，閃速爐煙氣具有煙氣溫度高、含塵量大的特點，因此閃速爐余熱鍋爐內煙塵粘結、堵塞、清理等問題可謂世界上所有閃速爐煉銅廠都會遇到的難題之一［1］。

2009年8月開始金隆閃速爐投料量提高至168t/h，12月23日因鍋爐大塊脫落砸傷爐管，閃速爐停爐7天，清理鍋爐大塊修復砸壞的爐管，對生產造成嚴重影響。2010年閃速爐投料量穩定165t/h以上后，鍋爐粘接明顯增加，平均每2月停產放炮清理1次;平時延長爐內點檢時間對鍋爐進行清理。2010年8月份年修后閃速爐投料量升至172～178t/h以后，第一懸掛屏煙灰粘結情況更為嚴重。

圖1 2011年2月16日，輻射部凝渣管結渣情況

圖2 2011年04月08日，因為放炮清理凝渣管結渣而變形的凝渣管

2 金隆閃速爐余熱鍋爐結渣的原因分析

閃速爐余熱鍋爐的積灰按溫度區域可分為三類，即高溫區的積灰(900℃以上)，過度區(650～900℃)的積灰和低溫區(650℃以下)的積灰，高溫區和過度區的煙灰屬粘結性及粘附性積灰，低溫區的煙灰屬粘附性及松散性積灰。按積灰的性質分松散性積灰、粘附性積灰和粘結性積灰［2－4］。

2.1 輻射部溫度的影響

輻射部的積灰主要受三個因素影響，即煙氣速度，煙氣含塵量(包括鉛鋅含量)及煙氣溫度。輻射部有較大的空間，可以使高溫煙氣進行有效的輻射傳熱，煙氣溫度由1340℃降到750℃以下，煙塵由熔融或半熔融狀全部變成固體顆粒。

圖3 金隆閃速爐余熱鍋爐改造前溫度分布圖

從圖3可以看出，最前面的輻射屏離鍋爐入口只有6.5m，這個距離太小，帶有大量煙塵的高溫煙氣直接沖向輻射屏，流速超過8m/s。從溫度圖可以看出，在擋板前，溫度超過950℃，煙塵中含有低熔點的金屬及其氧化物，很容易在輻射屏上粘結，形成大塊，影響鍋爐運行。銅的氧化物也使煙塵的粘結性強，它們是鍋爐易結灰、煙塵難清理的主要原因［5］。

2.2 Zn、Pb等揮發性元素與鍋爐粘結的關系

閃速爐煙氣中的成分是復雜的，煙塵主要是未反應或部分反應的精礦粒子，以及原料中的Zn、Pb、As等揮發性元素組成［6］。進入鍋爐的煙塵組成中，銅的硫化反應性強，可以與漏入的空氣產生“二次反應”容易粘結到爐壁、爐管上，銅的氧化物使煙塵的粘結性強它們是鍋爐易粘結、煙灰難清理的主要原因。原料中的Zn、Pb、As等揮發性元素以氣態冷卻揮發，灰渣的氣孔排除，體積收縮，成為致密堅硬的多晶體。燒結過程中往往同時出現固相、液相反應，形成固熔體，加強渣塊的自加劇性，是鍋爐易粘結、煙灰難清理的次要原因。

3 鍋爐煙灰清除劑作用機理

鍋爐煙灰清除劑原是廣泛應用于電廠鍋爐的一種清灰技術，主要成分為胺鹽、促進劑、硫酸銅、硼酐、硝酸鹽、碳等多種原料［7］。主要針對燃煤鍋爐接焦結渣問題研制。在鋼廠也有大量的應用。

3.1 清除灰垢焦渣的機理

在傳統燃煤鍋爐，藥劑加入爐膛高溫區，即熔融又揮發，在促進劑、催化劑的作用下，一部分與煙氣中的揮發物充分燃燒，以消弱形成灰垢焦渣的可能性;另一部分分解為氧化物、過氧化物隨同未反應的堿性物質和硼化物一起飛逸在溫度較低的灰垢焦渣的表面，形成藥膜，堿性物質和硼化物質是灰垢焦渣強有力的熔融劑，它以極小的質點滲透到灰垢焦渣之中，發生化學反應，使之變的多孔酥松，同時與灰垢焦渣中的金屬硅酸鹽發生反應，(金屬硅酸鹽是灰垢焦渣最堅硬的骨架結構)將硅酸鹽中的金屬以氧化物的形式熔出，破壞了灰垢焦渣的堅硬骨架。堿性物質和硼化物質還能從灰垢焦渣與受熱面的交接處向里滲透離間二者的結合，減小附著力，這樣灰垢焦渣就會自行脫落或一觸即掉。

3.2 閃速爐鍋爐結塊的特點

閃速爐余熱鍋爐結塊的原理與電廠燃煤鍋爐不同，由于閃速爐鍋爐是余熱鍋爐，其煙氣中煙灰含量較電廠燃煤鍋爐要高幾十倍，成分變化大，成分更加復雜，但閃速爐鍋爐結塊的主要結構仍然是已熔融硅酸鹽為基礎的煙灰結塊。因鍋爐結塊的主要原因是鍋爐懸掛屏距離上升煙道出口太近、熔融液滴不斷積累形成，因此想通過藥劑清除結塊是不現實的，因此閃速爐鍋爐加藥主要是使結塊不形成巨大的固溶體結構，使結塊松散、容易清除即可。因此藥劑作用主要是破壞固溶體形成。藥劑采用的是高熔點的含有助燃劑的燃料添加劑。

3.3 閃速爐鍋爐清灰劑主要作用機理

由于熔融的顆粒中有未完全反應的硫化物，因此加入促進劑及硝酸鹽可以使這些硫化物迅速反應生成硫酸鹽，形成“不粘結性煙灰”。在燃燒時由于硝酸鹽和燃燒的硫在一定作用下產生氣體沖擊波，促使結塊更易脫落，硝酸鹽分解后產生的亞硝酸鹽，銨鹽燃燒的結果使煙氣中的氮氧化物降低，有利于環境保護［8］。

表1 幾種金屬和金屬氧化物熔點

Cu2O在催化劑的作用下，在鍋爐中被鹽化后變成CuSO4，又稱“不粘結性煙灰”。它能在管壁和管束上形成一層膜，間接性加入后還能讓鍋爐中產生的結渣分層，類似于“貝頁巖”。結渣在除灰裝置的作用下能輕易除去。氧化鋅主要以白色粉末形式存在。當溫度達1975℃時氧化鋅會分解產生鋅蒸氣和氧氣。碳可用于氧化鋅中鋅的還原，在高溫條件下發生反應:氧化硼可與若干金屬化合成具有特征顏色的硼玻璃，能與堿金屬、銅、銀、鋁錫、砷的氧化物完全混溶。

煙灰清除劑以霧化方式噴入爐內，隨煙氣、煙塵一起在鍋爐懸掛屏上被捕集，在藥劑的催化氧化作用下，產生了部分硫酸鹽和高熔點雜質，雖然不是整體生成，但這些不粘結的煙灰分散于整體結塊中，同時在煙灰結塊逐步長大的過程中，伴隨著硝酸鹽及未完全反應硫化物的的燃燒，使大塊產生空洞，因此形成的結塊相對松散，長大到一定程度就脫落，而且停爐清理時相對容易。

4 加LS－4Y煙垢煙灰清除劑試驗過程概述

2009年12月25日曾造成巨大結塊下落而損壞鍋爐的事故，造成停爐6天進行檢修和放炮清理。至2010年后，每50天左右就要停爐對輻射部凝渣管結塊進行爆破處理，對公司的生產能力造成極大制約。在此背景下，金隆公司開始鍋爐加藥實驗，特組織了攻關小組，在進入鍋爐的煙氣中加入LS－4Y煙垢煙灰清除藥劑。為了讓除垢藥劑清理管束結灰的性能及作用取得良好的試驗效果，每次試驗都對加藥點及加藥量進行不同的選擇，觀察加藥點及加藥量對鍋爐結渣的影響。

4.1 第一次加藥實驗

2011年5月4日～6月4日開始第一次加藥除垢試驗，加藥點選擇上升煙道西側燒嘴孔(圖1中1的位置)，加藥量為每勤2包，藥劑加入方向與煙氣走向垂直。2011年6月3日點檢后發現因為加藥前期原料中Pb+Zn太高(4%)，結塊嚴重，加藥無法讓以前的結塊掉落，加藥也無法挽救結塊，6月3日決定停止加藥。工場計劃7月進行月修，放炮清理鍋爐大塊。

加藥過程中發現，在混合礦Pb+Zn含量＜2%時，加藥能夠使凝渣管結塊松散，容易清理，凝渣管或鍋爐壁掉到2#灰斗的大塊容易用鋼釬破碎，清理容易、時間短。當混合礦Pb+Zn含量＞2.5%時，結塊速度加快，加藥效果不大。不加藥時，凝渣管或鍋爐壁掉到2#灰斗的大塊很難破碎。證明藥劑作用受到限制，未達到預期目的。

加藥中存在的問題:

(1)停爐點檢時發現加藥孔對面爐墻結渣變厚，上升煙道通徑變小。有可能是因為上升煙道通直徑較窄(2.4m)加藥流化風直接吹到對面爐墻導致結渣變厚。

(2)藥劑需要先和高溫煙氣充分接觸，遇熱后膨脹霧化，再隨煙氣、煙塵一起進入鍋爐，最后在鍋爐懸掛屏上被捕集。上升煙道西側燒嘴孔離鍋爐開口部較近，藥劑沒有充分膨脹霧化就進入鍋爐，所以加藥的效果不太理想。

4.2 第二次加藥實驗

針對第一次加藥試驗后鍋爐結塊性質問題及加藥中存在的問題，對藥劑進行重新改良并重新選擇加藥點。從2011年8月17日～10月12日進行第二次加藥試驗，加藥點:沉淀池東南點檢孔，圖1中最下端位置，每勤3包，藥劑加入方向與煙氣走向呈切線。

第二次加藥發現，輻射部凝渣管結塊速度雖然不能降低，但結塊清理容易，大塊落到2#灰斗也容易粉碎。但加藥量的增大不能影響凝渣管結塊速度。

第二次加藥中存在的問題:

(1)人工加入藥劑量不均勻，加藥時間無法完全控制。體現不了藥劑對鍋爐結塊影響效果。

(2)藥劑加入點離沉淀池(S/T)渣層太近(1m)，部分藥劑沒有來得及霧化就落到爐渣中，隨爐渣排出，沒有參加反應。

4.3 第三次加藥實驗

針對第二次加藥試驗后鍋爐結塊性質問題以及加藥中存在的問題，對藥劑進行再次改良并最終定型，將加藥點移至上升煙道 (U/T)事故排煙孔。藥劑由上而下加入，與煙氣走向呈逆向。從2011年10月20日～2013年5月進行第三次加藥試驗，原料中Zn+Pb＞2.0%。最大的區別是金隆公司自己設計了智能加藥系統，藥劑進入智能加藥系統后首先進行流化與壓縮風充分混合后再加入。并針對精礦中的Zn+Pb不同變化對加藥量和加藥時間進行設定，由系統自動加入。新的加藥方式投入后，加藥量明顯減少，效果明顯增加，同時加藥點更加合理。

2011年11月份螺旋給料波動，煙塵發生率高，通過加藥，凝渣管結塊雖厚，但人工能夠清理下來。從加藥試驗到年底，閃速爐余熱鍋爐(FFB)間斷性加藥共15噸，2011年12月30日月修由于凝渣管結渣厚度不夠，不具備放炮條件。進入2012年后，由于混合礦Pb+Zn含量基本在2%左右，熔煉課加大每班加藥量(每班5包)，利用爐內點檢時間清理凝渣管。至5月10日大修前，FFB沒有因為凝渣管結渣的問題進行停產放炮。

表2 煙灰除垢劑實驗效果表

4.4 加藥結論

從加藥試驗前停爐放炮周期為50天到藥劑第一次改良后停爐放炮時間增至70天，再到藥劑第二次改良后FFB超過200天沒有停爐放炮。充分說明LS－4Y煙垢煙灰清除藥劑針對金隆鍋爐結塊及公司的生產能力提高起著重要作用。

5 結語

LS－4Y煙垢煙灰清除劑是一種高熔點的、含促進劑的添加劑。它不但可以阻止煉銅余熱鍋爐結渣的進一步生成及長大，還可以在鍋爐的管壁及已生成的結渣中形成一層膜，使結渣能輕易除去。能夠在一定程度上降低勞動強度，改善鍋爐的作業環境，提高閃速爐的作業率。該藥劑針對金隆銅業公司實際生產現實，邊試用，邊改良，在治理解決閃速爐余熱鍋爐煙塵的粘結的問題及在余熱鍋爐運行中都起到一定的技術保障。

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［3］ 胡茂森.閃速熔煉余熱鍋爐的結渣及其清理［J］.有色金屬(冶煉部分)，1978(9):4－8.

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［5］ 宋冬根，丁晟，鞠霞，等.銅冶煉閃速爐余熱鍋爐輻射室的仿真與優化［J］.有色冶金設計與研究，2010(3):19 －22.

［6］ 張鑫，惠興歡，朱江，等.控制艾薩爐余熱鍋爐過渡段結渣的生產實踐［J］.中國有色冶金，2013(3):12－14+18.

［7］ 李保慶，陳鴻偉，徐生榮.清灰劑清灰機理研究［J］.華北電力學院學報，1996(1):39－44.

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