富氧在煙化爐吹煉工藝中的應用

齊翼龍

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410001）

富氧在煙化爐吹煉工藝中的應用

齊翼龍

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410001）

采用煙化爐技術煙化揮發有價金屬是一種廣泛用于貧化爐渣和處理低品位礦的方法。煙化爐煙化法的發展主要是富氧鼓風強化煙化吹煉過程，以提高煙化爐的生產能力和金屬回收率。采用富氧鼓風技術能有效降低生產能耗，改善作業環境，降低生產成本，具有廣闊的市場前景和推廣價值。

煙化爐； 發展方向；富氧吹煉； 節能降耗 ；回收率

1 引言

煙化爐在鉛、鋅、錫等有色金屬冶煉過程中廣泛使用，其主要作用是對含金屬高的熔渣進一步處理，綜合回收渣中的有價金屬。目前，大多數煙化爐工藝采用將空氣和粉煤混合后吹入到高溫熔池中燃燒放熱，產生大量的熱量和CO氣體，熱量用來維持整個系統的熱量平衡和熔池穩定，CO氣體在高溫下將金屬氧化物還原呈各種形式揮發，在煙塵中富集，從而實現了金屬物質的綜合回收。其主要特點是設備結構簡單，工藝成熟、流程短、金屬回收率高等。隨著現代冶金技術的發展和企業對經濟技術指標的重視，煙化爐吹煉技術也在不斷的發展和革新。富氧熔煉技術越來越多地使用在冶金提取過程中，其主要優點是生產效率高，反應速度快，煙氣量少，能耗低等［1］。

若在煙化爐生產工藝中鼓入富氧空氣，會引起爐內反應過程及氣氛發生較大的改變，對爐內粉煤的充分燃燒、冶煉溫度的控制、升溫速度的調節、爐內氣氛的控制、爐況的改善、吹煉時間的長短、冶煉效率等方面影響很大［2］。采用富氧熔煉會有利于煙化爐生產技術指標提高、能源節約和環境保護［3］。

2 富氧吹煉在煙化爐生產上的可行性

煙化爐主要從有色冶金爐渣中揮發鉛、鋅等金屬，其煙化揮發的實質是將空氣和粉煤的混合物通過風嘴噴入到高溫熔渣中進行還原吹煉，粉煤既是燃料又是還原劑。熔渣中的金屬氧化物遇到熱態碳或者未完全燃燒產生的CO被還原成金屬，并以氣態的形式進入到高溫煙氣中，后又被氧化成金屬氧化物，以氧化物的形式被捕集于收塵設備中［4-5］。

其過程中主要發生的反應如下：

熔池反應（還原）

ZnO + CO = Zn + CO2

ZnO + C = Zn + CO

PbO + CO = Pb + CO2

PbO + C = Pb + CO

空間反應（氧化）

2Zn + O2= 2ZnO

2Pb + O2= 2PbO

煙化爐生產過程可以分為四個階段［6］，若按每2h生產1爐的生產周期，其各階段的參數：

（1）進料階段：將上段工序放出的熱態渣加入到煙化爐內，爐內溫度會從1200℃降到900℃左右，進料時間為15min，此時空氣過剩系數為0.65～0.85。

（2）升溫階段：爐溫從800℃升到1250℃左右，此階段應盡快提高爐內溫度，縮短提溫時間，保證爐內熔渣的溫度維持在一個較高的水平。提溫時間30min，此時空氣過剩系數為0.8～0.85。

（3）吹煉階段：爐溫達到1300℃左右，此時爐內應控制在強還原氣氛，CO含量較高，有利于金屬元素的還原，此階段吹煉時間為60min，空氣過剩系數為0.65～0.75。

（4）放渣階段：此時應盡量提高爐溫，以便順利放渣，放渣時間為15min，空氣過剩系數0.65～0.75。

從煙化爐生產周期的四個階段來看，可以在進料、升溫和放渣三個階段從二次風管中鼓入富氧空氣進行吹煉，富氧濃度控制在21%～25%，以快速提高爐膛內的溫度，強化熔池反應，縮短反應時間，減少煙氣量，提高生產效率。此技術只是提高鼓入的二次風氧氣的濃度，其它操作過程與現行的冶煉過程相同，工藝上不會作很大的變動，生產工藝上是可行的。

3 技術方案

3.1 工藝管道設計

在原有二次風空氣管路上開通1個支管與經過變壓、穩壓、計量后氧氣管道相連接，在需要鼓入富氧空氣時，打開氧氣管道上的控制閥，以提升二次風管中的氧氣的濃度。為精確控制二次風管中氧氣的濃度，氧氣管路上安裝遠程控制系統，接入中控室，實現DCS聯機自動控制。管道連接圖見圖1。

圖1 富氧空氣管道連接圖

富氧空氣的濃度要嚴格控制在21%～25%，一般設定值為23%左右。濃度不能太低，也不能控制過高。若富氧空氣的濃度太低，則達不到快速提溫，強化熔煉，節約能源的目的；濃度太高則會因風口區燃燒劇烈，風口區的溫度過高，導致燒嘴和水套的壽命縮短，反而會降低爐子的作業率和生產效率。因此，在整個生產過程中，要對混合后的富氧空氣濃度實現在線監測，自動調節給氧量，保證富氧空氣的濃度始終維持在設定值。

假定富氧空氣的濃度設定值為n，需要的氧氣量Vo2：

Vo2=（n1-n）*Vk/（n-n2）

式中：Vo2—需要的氧氣量，Nm3/h；n—富氧空氣的濃度；n1—空氣中氧氣濃度；n2—氧氣濃度；VK—鼓風量，Nm3/h；

根據供風量的大小和富氧空氣的濃度調整氧氣的流量。氧氣管道內的壓力要經過調壓，降到與二次風壓相同，二次風壓力一般設定在0.06～0.08MPa。通過流量調節閥的控制在進料、提溫和放渣三個階段開啟切斷閥，與鼓入的二次風混合成需要的富氧空氣，鼓入到煙化爐熔渣內強化燃燒。富氧濃度控制在25%以下，冷料和處理量大，氧濃取高值。

3.2 參數控制

根據煙化爐各個階段的工藝要求不同，富氧空氣濃度的調節要與工藝生產要求相一致。具體參數設置見表1。

富氧空氣在進料、提溫和放渣階段開啟，以強化爐內燃燒，增加粉煤的燃燒效果，增強爐內反應溫度，使爐溫維持在較高的溫度內，保證所加入的冷料快速熔化、反應，縮短反應時間，提高生產效率。鼓入富氧空氣對加入冷料的煙化爐熔煉效果尤為明顯。若向煙化爐內加入冷料時，爐內溫度會劇烈下降，影響爐況的正常運行，冶金渣粘度增高，導致傳質、傳熱效果降低，爐況惡化。因此，冷渣入爐后首先要有一個熔化過程，繼而物料中的氧化物才能被還原；而熔化的速度和還原的程度取決于爐內溫度，燃燒放出的熱量和給煤量。在加冷料階段，若鼓入富氧空氣，可加快給煤的燃燒速度，能在短時間內放出大量的熱，迅速提高爐內溫度，加快冷料的熔化速度，單位時間內能降低煤耗。因為燃料在富氧中能夠燃燒較為充分，大大提高了燃料的燃燒速度和燃盡率，而且富氧燃燒產物的熱輻射會迅速增強，可顯著提高爐內的傳熱效率。對同等發熱值的煤炭來說，富氧空氣中的氧濃度越高，燃燒所需的富氧空氣量就會越少，燃燒產生的煙氣量就會減少，燃燒溫度就會越高，熱損失就會越少，煤炭的節約率也就越高。

表1 各階段富氧濃度調節

因此，在加料、提溫階段，當爐內熔渣高度高于風口時，開啟氧氣管道的切斷閥，鼓入富氧空氣強化燃燒，提高爐溫，能保證爐內溫度維持在較高水平，對加速冷料的熔化具有顯著作用，符合冶煉工藝要求。

吹煉階段在吹煉后40min后必須將氧氣管道閥門切斷，使鼓入熔池內的富氧空氣全部轉換成空氣，保證爐內有足夠的CO濃度，控制爐內還原性氣氛，使熔渣內的鉛、鋅最大限度還原，將熔融渣內的金屬氧化物盡可能還原揮發分離出來，確保渣內鉛、鋅含量達到棄渣標準要求。

在放渣前10min打開氧氣管道的切斷閥，按設定的濃度調節供氧量，向爐內鼓入富氧空氣，加快還原階段殘煤的燃燒，提高渣溫，降低熔渣粘度，保證放渣時的流暢性，縮短放渣時間。

4 煙化爐熔煉工藝采用富氧吹煉的優點

對煙化爐熔煉采用富氧強化熔煉，能滿足現有工藝的要求，具有技術上的可行性和顯著優勢，主要表現在以下方面：

（1）增加鼓風氧濃，能增大可燃物質與氧氣接觸的幾率，提高燃煤的燃燒效率和燃盡速度，可以將爐溫迅速提高至熔煉需要的溫度，縮短吹煉時間，使爐內爐渣的傳質和傳熱效果得到加強。

（2）富氧吹煉可以減少煙氣量，降低高溫煙氣帶走的熱損失。空氣中氧氣的含量占20.9%，而不助燃的氮氣占78.097%，在燃燒過程中，煙氣帶走了大量熱能，采用富氧燃燒可減少進風量5%～15%，即減少了熱量的流失；因高溫煙氣帶走的熱量減少，可以降低粉煤消耗，節約能源。

（3）噴入熔池內的燃料在富氧條件下能充分燃燒，爐內溫度快速升高，溫度場分布更趨于均勻，碳粒燃燒更充分，在加速熔池內氧化鋅的還原與鋅蒸氣的揮發的同時，減少了煤粒的揮發，有利于產品質量提高。

5 改造前后技術參數

以處理熱態鉛鋅渣為例，處理量20t/h，通過理論計算及實際生產情況，列出改造前后的相關參數、數據，見表2。

從表2看出，在處理相同的熱渣情況下，粉煤的使用量有所降低，煤率由原來的14.4%下降到14.2%，而渣含鋅由原來的2%下降到1.8%。在煙化爐吹煉過程中鼓入富氧進行強化熔煉，粉煤能在短時間內燃燒放出大量的熱，快速提升熔池內反應溫度，提高金屬的還原速度，加快鋅蒸汽從熔渣中的揮發速率，使還原出來的金屬更容易進入到煙氣中。因此，煙化爐熔池熔煉采用富氧吹煉不僅能降低煤耗，而且還有助于技術指標的優化和提升。富氧吹煉在短時間內提高爐溫有巨大影響，對熱渣中搭配冷料熔化有顯著的作用，能縮短熔化時間，所以在吹煉階段將富氧濃度提高到一定程度，提高冷料量的投入比例也完全可以取得較好的技術指標和理想結果。

表2 技術參數表

6 結論

富氧技術在煙化爐還原熔煉工藝中完全是可行的，不僅能強化煙化過程和提高鋅的揮發，而且還可以降低送風量、減少高溫煙氣帶走的熱量，節約生產成本，降低燃料消耗，減少有毒氣體的產生與排放，環保效果突出，為落實節能減排政策、增產提效的目標提供了一條新思路。

［1］郜偉， 王成彥， 陳永強， 等. 鉛富氧閃速熔煉法節能減排效果與分析［J］. 有色金屬， 2012（4）：45-48.

［2］王志剛， 王宇佳. 硫化銻精礦富氧側吹熔池熔煉新工藝研究［J］. 湖南有色金屬， 2015， 31（6）：41-44.

［3］劉軍， 劉燕庭， 陳文. 銅鎳礦富氧側吹熔池熔煉工藝［J］. 甘肅冶金，2013， 35（1）：4-6.

［4］劉虔， 陽德炎. 氧化爐富氧吹煉生產實踐［J］. 有色冶煉， 2008（5）：13-16.

［5］晏祥樹， 陳春林. 鋅浸出渣火法處理工藝探討［J］. 中國有色冶金，2012， 41（5）：58-62.

［6］華一新. 有色冶金概論（3）［M］. 北京：冶金工業出版社， 2014：225-226.

The Application of Oxygen Enriched in Fuming Furnace Blowing

QI Yi-long
（Changsha Engineering and Research Institute Ltd. of Nonferrous Metallurgy， Changsha， 410001， Hunan， China ）

The process of fuming the valuable metals in the fuming furnace is widely applied for the slag dilution and low-grade ore treatment. The development of the fuming process of fuming furnace is a typical of a process of fuming and blowing intensified by oxygenenriched air blasting to improve the capacity and metal recovery rate of the fuming furnace. The use of the oxygen-enriched air blasting technology can effectively reduce the production energy consumption， improve the operating environment and reduce the operating cost，thus it has wide market prospect to popularize.

fuming furnace；development direction；oxygen-enriched blow；saving energy and reducing consumption；recovery rate

TF806

A

1009-3842（2016）04-0069-03

2016-03-22

齊翼龍（1983-），男，湖南長沙人，工程師，主要從事有色冶金、余熱利用設計和咨詢工作。E-mail： 251451087@qq.com