氧化鋅脫氟氯工藝中多膛爐系統的設計與優化

李杰

(中際山河科技有限責任公司,湖南 長沙410000)

我國鋅行業面臨資源和環境的雙重約束，生態文明建設和污染防治攻堅戰對行業發展環境產生了重大影響，鉛鋅等有色金屬作為國家重要的基礎原材料，是踐行綠色發展理念的關鍵領域。氧化鋅作為重要的再生回收鋅二次資源，其中含有一定量的氟、氯化合物，氟、氯離子如果隨氧化鋅浸出進入溶液，氟離子會腐蝕陰極板，使鋅片難于剝離，氯離子會腐蝕陽極板和冷卻塔，帶來生產上的一系列困難。因此，對氧化鋅進行脫氯氟處理是鋅二次資源利用必不可少的重要過程。現行的氧化鋅除F、Cl工藝主要有多膛爐工藝和回轉窯工藝兩種，其中多膛爐工藝適用于原料氧化鋅中含鉛量≤15%，且有其它稀散金屬的情況，而回轉窯工藝適用于原料含鉛量高，并不含其他稀散金屬的情況。

1 多膛爐脫氟氯工藝原理

多膛爐脫氟氯原理主要是氟化物、氯化物的揮發反應，在爐內高溫條件下，低沸點的氟化物、氯化物分解成氣態，隨煙氣進入煙氣除塵裝置而被除去，反應過程如下：

1.1 高溫揮發反應：MeX2→ MeX2(g)

1.2 氧化鋅原料反應：ZnO+SiO2=ZnO?Si O2、PbO+SiO2=3PbO?2Si O2(726℃)（低熔點共晶化合物）式中Me表示Zn2+、Pb2+，X表示Cl-、F-。生產過程中，次氧化鋅物料經氣力輸送至氧化鋅貯倉，再送至多膛爐焙燒。控制焙燒溫度在650～750℃左右和一定的負壓條件下，氧化鋅中的氟、氯化合物分解，以氣態形式進入煙氣收塵系統，經收塵得到高氟氯煙塵并送至濕法堿洗工序進一步處理。爐內物料和煙塵的運輸路徑如圖1所示。其中，氧化鋅物料通過螺旋輸送機，連續不斷地從頂部進料口落入第一層，然后在第一層被耙臂通過出料口掃入第二層，經過每層連接在中心軸上耙臂下方的耙齒攪動，使物料均勻翻動，并經過爐體中每層的落料口進入下一層，物料的運輸路徑為“之”字形。煙塵和廢氣不斷往爐腔上部聚集，廢氣管道上的引風機通過除塵出口，將廢氣和灰塵抽走。

2 多膛爐設備設計

2.1 爐膛結構及耐火材料

2.1.1 爐襯耐火材料采用特殊設計的粘土異型組合磚。磚體采用專用鋼模成型，機器壓制，隧道窯高溫燒結而成，理化指標符合YBT5106-2009標準ZN-40牌號的要求。砌筑拱形爐床，熱穩定性較好，可適應較大的溫度波動，同時可滿足最高1000℃的使用溫度。

2.1.2 爐殼內徑φ6770mm，爐墻耐火磚層230mm，爐體外保溫采用硅酸鋁纖維氈，保溫層表面敷設薄鋁板；爐墻拱腳和每層爐膛均使用異形磚組合砌筑，采用錐形拱頂結構形式。保溫層厚度結合爐墻內襯保證爐殼鋼結構長期工作溫度低于300℃，保溫層外表面相對環境溫升不超過50℃。

2.1.3 爐床共10層，每層拱腳磚環均支撐在爐殼的加強圈位置，確保拱形爐床的穩固。單數層爐床設置中心孔，雙數層爐床每層均布15個落砂孔。每層爐膛設有6個工作門，以便于工人操作及檢修。

2.2 中心軸

2.2.1 中心軸按每層一節設計共12根，分別為底部中心軸1根，頂部中心軸1根，中心軸Ⅰ型9根，中心軸Ⅱ型1根。

2.2.2 中心軸Ⅰ、Ⅱ型采用耐熱鑄鐵RTCr2鑄造加工而成。底部中心軸及頂部中心軸安裝在爐膛之外，底部中心軸采用鑄鋼ZG310-570，頂部中心軸采用耐熱鑄鐵RTCr2。中心軸Ⅰ、Ⅱ型采用雙層夾套式結構，冷卻風由夾套內層通入，外層排出，冷卻中心軸及耙臂。冷風經過中心軸變成200℃左右的熱風排出，熱風可作為燃燒室的助燃空氣使用，減少了能源的消耗。

2.3 傳動裝置

2.3.1 減速機采用漸開線圓柱硬齒面減速機，漸開線圓錐齒輪嚙合：滾動軸承式雙支撐小齒輪，減速機輸出軸不承受彎矩；分體式大齒輪。

2.3.2 驅動電機采用變頻調速器調速，既可調節爐子的能力，同時又可以對電機的工作電流設置過載保護，當中心軸扭矩過大，電機電流過載時，可以停止電機運轉，保護中心軸及傳動設備。

2.4 燃燒系統

2.4.1 燃燒器為可拆卸清理的形式，在必要時可將燃燒器或易堵塞部件從爐體上退出清理。燃燒器配置自動點火和火焰監測裝置，具有全程火焰監測和熄火、欠壓、斷電保護功能，燃燒功率和溫度手動控制。燃燒器點火和火焰調節現場操作，設置現場操作控制箱和遠程點火和控制系統，相關信號傳輸至主控室。每個燃燒器配置兩個安全切斷閥。

2.4.2 該型號燃燒器結構設計上采用多級旋流半預混式燃燒的機理，混合強烈充分，空氣過剩系數在1:1.1 ～1:1.2 之間，燃燒完全，火焰剛性好，火焰長，燃燒率達99.9 %以上。

2.4.3 燃燒器耐熱部分全部采用高級優質耐熱不銹鋼（310S/321等），耐高溫和抗氧化能力極強，使用壽命長。在燃燒器內部結構上設計了防回火裝置，確保燃氣可靠安全使用。燃燒器燃氣流量為10～20Nm3/h，使用壓力為10kpa。

2.5 多膛爐控制系統

多膛爐的操作監控系統，是自成體系的裝置，其人機界面安置在高壓及低壓控制柜上，并且配置一臺置于智慧中心的遠程維護終端微機。PLC自動控制和報警，PLC可調、可切換成手動；設置與總廠DCS系統通訊的接口，采用Profinet協議通信，傳送所需狀態及控制；PLC帶多網口并開放內部數據，可實現在智慧中心遠程操作。PLC采用S7-1500系列，采用PLC+觸摸屏控制，操作簡單，易于上手(圖2)。

圖2 多膛爐控制系統

3 多膛爐脫氟氯系統優化

3.1 溫度控制

鉛熔點較低，當溫度達到脫氟、氯需求的600℃時，過多的鉛就會融化結塊，將耙齒和中心軸粘住，導致設備故障，影響脫除率。在生產過程中，反應帶主要發生在前六層，第六層溫度最高，依次向兩邊遞減，各層之間應形成溫度梯度，根據生產實踐摸索，多膛爐各層較合理溫度分布如表1所示，按照表內溫度范圍區間設置，可實現爐內溫度在線自動控制。

表1 多膛爐工作中溫度分布

3.2 耙臂上耙齒優化

在以前設計的耙臂燕尾槽內，圓形碗口可以轉動，刮料板的方向會改變甚至反向，不利于物料的運動，使用壽命短。此次優化成方形碗口，方向固定，齒路清晰，物料順暢，使用壽命較長。粑齒下端增加了真正的小耙齒，可以翻炒物料，又不增加阻力，可防止物料板結(圖3)。

圖3 新舊耙齒對比

3.3 中心軸轉速優化

中心軸轉速越快，脫除率效果越差，但是轉速過慢又制約了設備處理能力，根據實踐經驗，物料停留時間必須保證2h以上，對應的轉速為0.8 ～1.2 r/min。設計中，中心軸傳動電機采用變頻調速電機，可根據工作實際情況實時調整中心軸轉速。(圖4)

圖4 中心軸轉速對脫F、Cl影響

4 結論

多膛焙燒爐作為氧化鋅脫氟氯的主流手段，無論是從經濟性還是環保角度與其他工藝進行對比，多膛焙燒爐工藝都占據著明顯優勢。所以，對多膛焙燒爐結構的技術優化和提升，依然具有重要意義。本設計從溫度控制、物料控制、耙臂等方面對多膛爐系統進行了自動化與穩定性優化。但受生產環境、原料質量，雜質含量等因素的影響，在不同地區生產廠家的設備需求不盡相同，甚至可能在相同地點，不同時間點上也會出現較大差異。可以預見，在今后的設計發展趨勢是向智能化、以及高適應性方向發展，因此站在設計的角度上，依然有著較大發展空間與挑戰。