基夫賽特直接煉鉛煙氣特性及凈化除塵

朱莉薇

(長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410011)

1 引言

基夫賽特煉鉛是一種先進、節能、環保的直接煉鉛工藝，其原理是[1]:用氧氣將硫化鉛精礦噴入閃速熔煉爐，在懸浮狀態下進行氧化熔煉，然后在電爐沉降池中進行還原，澄清分離直接產出粗鉛，煙氣供制酸。與傳統的燒結－鼓風爐熔煉工藝相比，省去了爐料燒結，過程在單臺爐內連續進行，產出的煙氣體積少，二氧化硫濃度高，工作環境好，作業靈活性大[2]，對原料有廣泛的適用性，且能耗低、金屬回收率高，所以有著良好的發展前景。本文結合國內某公司首臺搭配鋅浸出渣基夫賽特煉鉛工程項目(建設規模:100kt/a粗鉛)工程設計實例，針對基夫賽特爐熔煉區煙氣的特點進行分析歸納，并對煙氣凈化除塵工藝設計及生產運行狀況進行總結。

2 煙氣的產生及特點

基夫賽特爐熔煉區由反應塔、煙氣隔墻、上升煙道和熔煉區熔池等部分組成。反應塔頂部安裝投料噴嘴，爐料和氧氣通過噴嘴噴入反應塔，在反應塔內完成硫化物的氧化反應，并使爐料顆粒熔化，形成金屬氧化物熔液，熔液在通過熔池表面的焦炭過濾層時，大部分氧化鉛被還原成金屬鉛而沉降到熔池，然后經隔墻底部流出。熔煉過程產生的煙氣通過煙氣隔墻流向上升煙道，進入余熱鍋爐[3]。

基夫賽特爐煉鉛產生的煙氣、煙塵具有以下特點:

(1)煙氣溫度高。反應塔內煙氣溫度為1250～1300℃，煙氣及煙塵帶走的熱量約占總熱量支出的35%，從節能角度講須回收余熱，將煙氣溫度降至360～380℃后進入收塵系統。

(2)煙氣含塵濃度高;煙氣中SO2濃度高。由于采用氧化強化熔煉，產生的煙氣量小，所以煙氣含塵濃度和SO2濃度高。

(3)煙塵比電阻高。比電阻是支配除塵器性能的一個重要因素，它與煙氣條件和煙塵成分有關，由于煙塵大部分為PbO的形態存在，比電阻較高。

(4)煙塵粘性大，易吸潮，流動性差。

(5)煙塵粒度細。基夫賽特爐對爐料的粒度要求如表1所示。從表1可見，爐料粒度都很細，金屬在揮發并氧化成氧化物時，易形成粒度細的煙塵。

表1 爐料的粒度 mm

3 煙氣的凈化除塵

進入收塵系統的煙氣中二氧化硫含量高，煙氣含塵高，需根據煙氣特性來確定煙氣凈化除塵工藝流程，以保證生產的正常運行。

3.1 收塵原理

3.1.1 重力收塵

重力收塵是利用煙塵受重力作用而自然沉降的原理將煙塵與氣體分離的方法。當含塵氣體由管道進入比管道大得多的沉降室時流速突然降低，使顆粒在沉降室內停留時間增長，因此顆粒在水平移動的過程中由于重力影響所下沉的距離增大，從而落到底部的灰斗中[4]。

3.1.2 電收塵

電收塵是使含塵氣體通過高壓直流靜電場，利用靜電分離原理將氣體凈化的方法。在不均勻電場中，利用高壓直流電使氣體電離，將含塵氣體通過含有大量電子、正負離子的電場，使塵顆粒荷電，在高壓電場作用下，大量帶負電荷的塵粒在陽極上沉積，帶正電荷的塵粒在陰極上沉積，利用機械振打將電極上的塵除去[5]。

3.2 煙氣凈化除塵工藝流程的確定

3.2.1 國外基夫賽特爐煙氣凈化除塵工藝流程

因本項目是國內首次設計，而國外基夫賽特爐煙氣凈化除塵工藝流程主要有以下兩種方案:

(1)基夫賽特爐出口煙氣→余熱鍋爐→電收塵(4電場)→風機→煙囪。

(2)基夫賽特爐出口煙氣→余熱鍋爐→電收塵(5電場)→風機→煙囪。

其中:電收塵和風機均配置2臺，1用1備。

方案 (1)中電收塵采用4電場，進口設風機，主要是擔心電收塵進口溫度高，有分析表明[6]，當煙氣溫度高于500℃時，粉塵的某些組分開始軟化，并形成結塊，用風機鼓入空氣進電收塵器，調節電收塵器的煙氣溫度，雖然取得了良好的效果，但由于電收塵進口煙氣量增大導致風機風量增大，能耗增加。

方案(2)中電收塵采用5電場，且電收塵及風機都是1用1備，目的是確保收塵設備出問題時不影響基夫賽特爐的生產，但根據國內其它鉛廠所選用的電收塵使用狀況看[7]，電收塵只要選型合理，安裝符合規范要求，運行基本正常，都無備用。風機配置在收塵之后，煙氣中含塵濃度低，對風機葉輪磨損小，也無需備用。

3.2.2 基夫賽特爐煙氣及煙塵特性分析

通過對基夫賽特爐煙氣及煙塵特性的分析表明，盡管煙塵粒度細，但煙塵中仍有大量的顆粒機械粉塵，且煙氣含塵濃度高，若全部進入電收塵，會有大量的粉塵離子，雖然形成的電暈電流不大，但形成的空間電荷卻很大，易抑制電暈電流的產生，使塵粒不能獲得足夠電荷，嚴重時會出現電暈閉塞現象，導致除塵效率下降，含塵濃度對電暈電流的影響見圖1。因此在余熱鍋爐出口和電收塵進口之間增設了沉降室，使顆粒機械粉塵盡可能在沉降室內沉降下來，減少電收塵器進口的含塵濃度。

圖1 煙氣含塵濃度對電暈電流的影響

基夫賽特爐開爐時段(烘爐和升溫階段，余熱鍋爐配合煮爐階段)主要是以天然氣為燃料，煙氣不含SO2，但水分很高，若煙氣直接進電收塵器設備有可能會給電收塵器的電極系統及殼體產生腐蝕，因此設開爐風機，在沉降室側部增設旁通煙道，開爐時煙氣通過閥門切換進旁通煙道，然后通過開爐風機將煙氣送入堿洗系統。

3.2.3 基夫賽特爐熔煉區煙氣凈化除塵工藝流程確定

根據以上分析，借鑒國外生產實踐經驗，本項目基夫賽特爐熔煉區煙氣凈化除塵工藝流程如下:

正常生產時:基夫賽特爐熔煉區余熱鍋爐出口煙氣→沉降室→電收塵器→風機→制酸系統。

開爐時:基夫賽特爐熔煉區余熱鍋爐出口煙氣→沉降室→開爐風機→堿洗系統。

3.3 工藝參數的確定

根據本項目建設規模要求及原料成分計算，基夫賽特熔煉區余熱鍋爐出口煙氣參數如下:

煙氣量21000～25000m3/h(標況);

煙氣溫度360～380℃;

煙氣含塵98～130g/m3(標況)。

煙氣成分見表2，煙塵主要成分見表3。

表2 煙氣成分 V%

表3 煙塵主要成分 W%

3.4 主要設備選擇

3.4.1 沉降室

為提高收塵效率，沉降室采用方式結構，內設置檔板，使粗顆粒粉塵最大限度地在沉降室內沉降下來。

3.4.2 電收塵器

根據煙氣參數計算，選F=45m2單室5電場電收塵器1臺，并對其本體結構型式進行了優化。

(1)極板型式。合理選擇極配性型式是保證電收塵器性能的關鍵。對電收塵器極板選用原式和板式進行了對比，原式電收塵器結構為:陽極利用薄壁圓管呈管幃狀排列，陰極則采用魚骨狀電暈極線并配以管狀輔助電極，結構形式見圖2。原式電收塵器特點是能捕集高比電阻的粉塵，有良好的放電性能，在高溫下使用時變形小，但粉塵的二次揚塵大，振動性能差。板式電收塵器結構為:陽極由若干塊型板按一定規則排列，陰極選用與之相配的電暈極，目前在有色行業應用最多的是陽極板C－480搭配陰極RS線，其特點是傳遞振打效果好，板面壓有溝槽，易于吸塵及清灰，兩旁折邊，既增加了極板的剛性還可以防止粉塵二次飛揚;但由于C－480板薄，高溫狀態下使用易產生變形。針對基夫賽特爐的煙氣特性，擔心粉塵太高，選用原式電收塵器即使降低電場過濾風速也難以保證設備的除塵效率，綜合分析確定選用板式電收塵器，并對板式電收塵器中的陰極RS管線進行了改進，增加了芒刺線的個數，讓齒尖放電強烈均勻，提高除塵效率和運行電壓。

圖2 電極配置圖

(2)極板間距。極板間距的確定對電收塵器的運行也很重要。通常將同級距大于350mm的電收塵器稱為寬極距電收塵器。依據多依奇公式η=1－e－AW/Q，收塵表面積越大除塵效率越高，而收塵表面積的提高對一定寬度的電除塵器來講只能減小極間距，但另一方面電極間距縮小，對高比電阻粉塵和含塵濃度高的粉塵粒子驅進速度下降，同樣影響除塵效率的提高。有研究表明，采用寬極距對提高擊穿電壓、驅進速度、二次電流、電場反電暈能力、收塵效率都起到了良好的作用，因此選用同極間距為400mm的寬極距。

(3)高壓供電裝置。將第一電場選用高頻電源，其它電場選用高壓可控硅電源。考慮電收塵器第一電場的煙氣含塵濃度很高，而高頻電源的供電電流是由脈沖電流構成，其脈沖高度、寬度及頻率均可以調整，它可以給電除塵器提供各種電壓波形，控制方式靈活，因此可以根據電收塵器的工況提供最合適的電壓波形，提高電收塵器內煙塵的荷電量，增加煙塵的電驅動力，有實驗表明，高頻電源能減少煙塵30%～60%，從而明顯提高電收塵器的除塵效率。

(4)熱風吹掃。增設熱風吹掃系統，因煙氣中煙塵含量高，成分復雜，在保溫箱頂部增設熱風吹掃系統，將熱風直接送入保溫箱內，由于電收塵器內為負壓，熱風會被吸向絕緣子內壁，使電收塵器內煙塵無法逸至絕緣子內壁，避免因煙塵粘附在絕緣子表面上導致放電電壓下降或絕緣子裂紋、炸裂等現象的發生。

(5)灰斗的角度。針對鉛煙塵的特性，粉塵粘性大、流動性差，將灰斗角度由常規的60°增大至70°，避免粉塵粘結搭橋堵塞灰斗。

3.5 管道設計

煙氣凈化除塵后，送制酸管道約270m，考慮管道太長，為確保煙氣在露點溫度以上運行，在比較各種保溫材料性能后，最終送制酸煙氣管道選用內襯紅磚保溫方式，其它煙氣管道都采用外保溫。

4 生產運行狀況

基夫賽特爐投產后因開爐時水冷渣門出口煙氣溫度太高，使開爐煙管發生了變形，整改將開爐煙管改向，原設計開爐煙氣送堿洗系統，此次更改在保留原通道的基礎上新增送制酸系統通道，并取消開爐煙管的外保溫，只在安全地帶做局部保溫。

基夫賽特爐投產已多年，收塵系統整體運行正常，排放的煙氣滿足制酸要求，電收塵器設備具體測試數據見表4。

表4 電收塵器設備測試數據

5 結論

(1)生產實踐證明，基夫賽特爐煉鉛煙氣凈化除塵工藝的設計是成功的，收塵效率高達99.8%。

(2)在余熱鍋爐和電收塵器之間增設沉降室，減少電收塵器進口煙氣含塵量，對管道的配置亦更趨合理。

(3)電收塵器極板選用C－480搭配RS線，采用寬極距、高頻電源、熱風吹掃系統，增加電場數，降低煙氣斷面流速，延長煙氣在電收塵器有效區的停留時間，確保收塵出口煙氣滿足制酸生產的要求。

(4)煙氣凈化除塵后送制酸管道選用內襯紅磚保溫，生產實踐證明，選用該保溫方式防腐措施既經濟又實用。

[1]竇明民.基夫賽特(Kivcet)直接熔煉工藝的發展及現狀[J].云南冶金，1998(2):37－42.

[2]王輝.基夫賽特直接煉鉛工藝的最新進展[J].有色冶煉，1996(3):31－34.

[3]張樂如.現代鉛冶金[M].長沙:中南大學出版社，2013:119－122.

[4]北京有色冶金設計研究總院，等.重有色冶金冶煉設計手冊冶煉煙氣收塵[M].北京:冶金工業出版社，1996:53－58.

[5]劉后啟，林宏.電收塵器[M].北京:中國建筑工業出版社，1987:81－103.

[6]竺春明.氧氣底吹煉鉛煙氣凈化電收塵器的探討[J].有色冶金，2001(6):37－39.

[7]劉飛.新30萬噸閃速爐電收塵工藝過程及生產實踐[J].有色金屬(冶煉部分)，2011(2):49－54.