富氧頂吹熔池熔煉爐處置含銅污泥的優(yōu)化設(shè)計

文_吳銀登 黃強(qiáng) 劉玉坤 上海環(huán)境工程設(shè)計研究院有限公司

我國電鍍行業(yè)在工藝過程中會產(chǎn)生大量污泥，這種污泥種含有Cu、Fe、Ni、Zn等多種金屬，也被稱為含銅污泥，廢物類別為HW17。我國每年產(chǎn)生約1000萬t含銅工業(yè)污泥。

1 熔煉技術(shù)的特點

在銅工業(yè)污泥的工藝中，熔池熔煉技術(shù)有自動化程度高、處理能力大、煙氣量小、原料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，是含銅污泥資源化的趨勢。熔池熔煉工藝是在含Cu的工業(yè)污泥中，按照一定的配比關(guān)系加入造渣劑，并通入富氧空氣，在1300℃的高溫熔融過程中，氧化渣相與銅相分離并分層，從而實現(xiàn)Cu的資源化回收利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。同時熔煉過程產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過余熱回收和凈化系統(tǒng)達(dá)標(biāo)排放至大氣。

2 富氧頂吹熔煉技術(shù)的特點及優(yōu)勢

富氧頂吹熔煉技術(shù)是在熔煉的過程中用噴槍強(qiáng)烈攪拌熔體，使入爐物料攪動，和熔池中的過氧化爐渣充分接觸，為熔煉物料的反應(yīng)提供了合理地動力學(xué)和熱力學(xué)條件。同時，攪拌過程中飛濺起來的熔體對加入爐內(nèi)的小顆粒有捕集回收的作用，因此頂吹爐需要配置很高的余熱鍋爐上升煙道，使大量煙塵在上升段沉降落入熔池。

頂吹爐具有對物料適應(yīng)性強(qiáng)，物料在爐內(nèi)反應(yīng)速度快和處理能力大，煙塵產(chǎn)率低的特點。對入爐物料要求低，可選擇非連續(xù)和連續(xù)操作，在一臺爐子中實現(xiàn)氧化和還原。

頂吹爐反應(yīng)速度快，需要各個子系統(tǒng)同步并均勻穩(wěn)定地提供必要的工藝條件，為了達(dá)到此目的，需要配置可靠的自動控制系統(tǒng)，因此頂吹熔煉技術(shù)自動化程度比較高。

頂吹爐的操作簡單方便，能夠通過調(diào)整爐料、燃料與空氣/氧氣的比例，精確控制爐內(nèi)反應(yīng)氣氛，可進(jìn)行氧化熔煉、還原熔煉及渣的煙化處理。并且可以根據(jù)爐料加入量和熔池的高度，通過升降噴槍來控制噴槍插入熔池的深度，確保生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行。

3 現(xiàn)頂吹熔煉爐存在的問題

3.1 原料組份復(fù)雜進(jìn)料系統(tǒng)設(shè)計困難

由于頂吹爐處理的物料來源復(fù)雜，組份相差比較大，進(jìn)料量的波動也會比較大，物料組分及添加劑的波動會造成與之聯(lián)鎖的工藝風(fēng)、含氧量和爐內(nèi)反應(yīng)氣氛的相應(yīng)變化，嚴(yán)重時可能產(chǎn)生泡沫渣噴爐之類的事故。因此，設(shè)計進(jìn)料系統(tǒng)時必須考慮組分和進(jìn)料量的波動對系統(tǒng)的影響。

3.2 工藝參數(shù)不易控制

頂吹爐反應(yīng)速度快，需要各個子系統(tǒng)同步并均勻穩(wěn)定地提供必要的工藝條件，為了達(dá)到此目的，需要配置可靠的自動控制系統(tǒng)，因此頂吹熔煉技術(shù)自動化程度比較高。在富氧頂吹熔池熔煉爐的操作過程中，由于工況復(fù)雜且比較惡劣，爐膛溫度場、氧含量不容易控制，如果分布不均會有大量NOX生成。

3.3 出渣的控制

由于進(jìn)料組分比較復(fù)雜，爐膛溫度和爐渣性質(zhì)也不容易控制。如果控制不好，爐渣在出渣口不能流出，嚴(yán)重時可導(dǎo)致死爐。

3.4 出渣口容易損壞

熔池熔煉爐的出渣口（包括金屬出口），由于長期受到高溫流動爐渣（金屬）的侵蝕磨損，會對出渣口流道的耐火材料部分進(jìn)行沖刷、磨損、腐蝕等影響，導(dǎo)致熔煉爐出渣口非常容易損壞，遠(yuǎn)比爐內(nèi)壁嚴(yán)重。每隔一段時間就需要更換一次出渣口，浪費了大量的成本。現(xiàn)有技術(shù)中許多裝置在出渣口增加水冷管，但過多的冷卻水帶走大量熱量后爐渣流動性降低，出渣口更容易堵塞，并且水冷管容易受到爐內(nèi)腐蝕組分的侵蝕。

4 頂吹爐的優(yōu)化設(shè)計

4.1 進(jìn)料系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

配伍后的原料送入成品料倉，還原煤送入還原煤料倉，添加劑送入添加劑倉，根據(jù)進(jìn)料情況調(diào)整還原煤和添加劑的量，減少出現(xiàn)泡沫渣，并保證排渣的順利；在料倉出口設(shè)置稱重模塊，可以根據(jù)進(jìn)料情況調(diào)整還原煤和添加劑的量，減少出現(xiàn)泡沫渣，保證順利排渣。

設(shè)置具有一定容積的緩沖料倉，可以應(yīng)對進(jìn)料量的波動，滿足各工況的需要。由于整體流儲罐的下料速度較穩(wěn)定，更適合對后續(xù)稱重輸送進(jìn)行計量和控制，同時由于罐內(nèi)物料密度基本一致，停留時間也基本相同，不存在流動死區(qū)。原料儲藏的設(shè)計均為整體流設(shè)計，料倉的高徑比2。儲罐內(nèi)應(yīng)增設(shè)防潮和密閉結(jié)構(gòu)以保證物料的干燥。

4.2 出渣口的設(shè)計優(yōu)化

出渣口設(shè)計為兩層，內(nèi)層澆注料，外層耐火磚。外層耐火磚設(shè)計為可拆卸式。如發(fā)生侵蝕可直接更換，耐火磚優(yōu)選鎂鉻磚。

水冷管采用釘頭管這樣的擴(kuò)面管，可增加換熱面積2～3倍，減少冷卻水的消耗；釘頭管采用SH/T3422-2011石油化工管式爐釘頭管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制造簡單方便。

出渣口的形狀設(shè)置為圓錐狀，可以減少爐渣對出渣口的擠壓和沖刷，延長出渣口的使用壽命；在出渣口裝有的紅外測溫裝置，用于檢測爐渣的溫度，根據(jù)爐渣溫度調(diào)節(jié)冷卻水調(diào)節(jié)閥的開度，減少冷卻水和能量消耗。出渣口的優(yōu)化設(shè)計如圖1所示。

圖1 頂吹爐出渣口結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.3 控制方案優(yōu)化

在爐體上設(shè)置熱電偶檢測爐膛溫度，并根據(jù)爐膛溫度調(diào)節(jié)燃料閥開度，維持爐膛溫度平穩(wěn)；以煙氣氧含量分析儀的讀數(shù)為操作變量，調(diào)節(jié)氧氣調(diào)節(jié)閥，維持煙氣出口氧含量的穩(wěn)定。爐體熱電偶包括對耐火材料的檢測。

噴槍的出口浸沒在渣面以下。在插入渣層不同深度時，由于壓力的變化會反應(yīng)在富氧管道壓力變送器上。根據(jù)富氧管道壓力變送器的讀數(shù)調(diào)節(jié)噴槍插入深度，維持噴槍浸沒在渣面以下200～300mm。

通過紅外測溫儀實時檢測出渣口的爐渣溫度，如果爐渣溫度過低導(dǎo)致流動性不足，通過調(diào)節(jié)噴槍的功率，調(diào)節(jié)噴槍套管的二次風(fēng)配風(fēng)量，調(diào)整原料進(jìn)料和添加劑的量進(jìn)行調(diào)節(jié)；排渣不暢時啟動燃燒器，補(bǔ)充熱量促進(jìn)爐渣流動。在出渣口復(fù)雜的工況下，紅外測溫儀的檢測穩(wěn)定可靠，可實現(xiàn)對溫度場的檢測。頂吹爐的控制邏輯圖如圖2所示。

圖2 頂吹爐控制系統(tǒng)優(yōu)化

5 結(jié)語

①以煙氣出口煙道的煙氣氧含量為控制變量，調(diào)節(jié)氧氣調(diào)節(jié)閥的開度，維持煙氣出口氧含量的平穩(wěn)；通過爐體熱電偶檢測爐膛溫度，調(diào)節(jié)燃料調(diào)節(jié)閥的開度，維持爐膛溫度場的平穩(wěn)，能更好的節(jié)約燃料，減少NOX的生成。

②通過紅外測溫儀可更直觀地監(jiān)測出口爐渣的溫度和流動性，避免堵塞。如果爐渣溫度過低導(dǎo)致流動性不足，可通過調(diào)節(jié)噴槍的能量、調(diào)節(jié)配風(fēng)量、調(diào)整添加劑的進(jìn)料量等手段；出渣口設(shè)置燃燒器，可用于給爐渣補(bǔ)充熱量，避免發(fā)生堵塞。

③設(shè)置稱重模塊，可以根據(jù)進(jìn)料情況調(diào)整還原煤和添加劑的量，減少出現(xiàn)泡沫渣，保證順利排渣。并設(shè)置具有一定容積的緩沖料倉，可應(yīng)對進(jìn)料量的波動，滿足各工況的需要。

④出渣口的耐火磚設(shè)計為可拆卸式，如檢測到發(fā)生侵蝕可直接更換；采用釘頭管做水冷管，可增加換熱面積2～3倍，減少冷卻水的消耗；出渣口設(shè)置紅外測溫裝置，用于檢測爐渣的溫度；出渣口的形狀設(shè)置為圓錐狀，可以延長出渣口的使用壽命。

⑤富氧頂吹熔煉爐的工況復(fù)雜，需要進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計來保證運行順利和節(jié)能減排的需要。