富氧頂吹熔池熔煉爐處置含銅污泥的優化設計

文_吳銀登 黃強 劉玉坤 上海環境工程設計研究院有限公司

我國電鍍行業在工藝過程中會產生大量污泥，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。我國每年產生約1000萬t含銅工業污泥。

1 熔煉技術的特點

在銅工業污泥的工藝中，熔池熔煉技術有自動化程度高、處理能力大、煙氣量小、原料適應性強等優點，是含銅污泥資源化的趨勢。熔池熔煉工藝是在含Cu的工業污泥中，按照一定的配比關系加入造渣劑，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Cu的資源化回收利用，具有良好的經濟效益和環保效益。同時熔煉過程產生的煙氣經過余熱回收和凈化系統達標排放至大氣。

2 富氧頂吹熔煉技術的特點及優勢

富氧頂吹熔煉技術是在熔煉的過程中用噴槍強烈攪拌熔體，使入爐物料攪動，和熔池中的過氧化爐渣充分接觸，為熔煉物料的反應提供了合理地動力學和熱力學條件。同時，攪拌過程中飛濺起來的熔體對加入爐內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性強，物料在爐內反應速度快和處理能力大，煙塵產率低的特點。對入爐物料要求低，可選擇非連續和連續操作，在一臺爐子中實現氧化和還原。

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

頂吹爐的操作簡單方便，能夠通過調整爐料、燃料與空氣/氧氣的比例，精確控制爐內反應氣氛，可進行氧化熔煉、還原熔煉及渣的煙化處理。并且可以根據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，確保生產的連續進行。

3 現頂吹熔煉爐存在的問題

3.1 原料組份復雜進料系統設計困難

由于頂吹爐處理的物料來源復雜，組份相差比較大，進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鎖的工藝風、含氧量和爐內反應氣氛的相應變化，嚴重時可能產生泡沫渣噴爐之類的事故。因此，設計進料系統時必須考慮組分和進料量的波動對系統的影響。

3.2 工藝參數不易控制

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

由于進料組分比較復雜，爐膛溫度和爐渣性質也不容易控制。如果控制不好，爐渣在出渣口不能流出，嚴重時可導致死爐。

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行沖刷、磨損、腐蝕等影響，導致熔煉爐出渣口非常容易損壞，遠比爐內壁嚴重。每隔一段時間就需要更換一次出渣口，浪費了大量的成本。現有技術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腐蝕組分的侵蝕。

4 頂吹爐的優化設計

4.1 進料系統的優化設計

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，根據進料情況調整還原煤和添加劑的量，減少出現泡沫渣，并保證排渣的順利；在料倉出口設置稱重模塊，可以根據進料情況調整還原煤和添加劑的量，減少出現泡沫渣，保證順利排渣。

設置具有一定容積的緩沖料倉，可以應對進料量的波動，滿足各工況的需要。由于整體流儲罐的下料速度較穩定，更適合對后續稱重輸送進行計量和控制，同時由于罐內物料密度基本一致，停留時間也基本相同，不存在流動死區。原料儲藏的設計均為整體流設計，料倉的高徑比2。儲罐內應增設防潮和密閉結構以保證物料的干燥。

4.2 出渣口的設計優化

出渣口設計為兩層，內層澆注料，外層耐火磚。外層耐火磚設計為可拆卸式。如發生侵蝕可直接更換，耐火磚優選鎂鉻磚。

水冷管采用釘頭管這樣的擴面管，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標準，制造簡單方便。

出渣口的形狀設置為圓錐狀，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，根據爐渣溫度調節冷卻水調節閥的開度，減少冷卻水和能量消耗。出渣口的優化設計如圖1所示。

圖1 頂吹爐出渣口結構優化

4.3 控制方案優化

在爐體上設置熱電偶檢測爐膛溫度，并根據爐膛溫度調節燃料閥開度，維持爐膛溫度平穩；以煙氣氧含量分析儀的讀數為操作變量，調節氧氣調節閥，維持煙氣出口氧含量的穩定。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在富氧管道壓力變送器上。根據富氧管道壓力變送器的讀數調節噴槍插入深度，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致流動性不足，通過調節噴槍的功率，調節噴槍套管的二次風配風量，調整原料進料和添加劑的量進行調節；排渣不暢時啟動燃燒器，補充熱量促進爐渣流動。在出渣口復雜的工況下，紅外測溫儀的檢測穩定可靠，可實現對溫度場的檢測。頂吹爐的控制邏輯圖如圖2所示。

圖2 頂吹爐控制系統優化

5 結語

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

②通過紅外測溫儀可更直觀地監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致流動性不足，可通過調節噴槍的能量、調節配風量、調整添加劑的進料量等手段；出渣口設置燃燒器，可用于給爐渣補充熱量，避免發生堵塞。

③設置稱重模塊，可以根據進料情況調整還原煤和添加劑的量，減少出現泡沫渣，保證順利排渣。并設置具有一定容積的緩沖料倉，可應對進料量的波動，滿足各工況的需要。

④出渣口的耐火磚設計為可拆卸式，如檢測到發生侵蝕可直接更換；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；出渣口設置紅外測溫裝置，用于檢測爐渣的溫度；出渣口的形狀設置為圓錐狀，可以延長出渣口的使用壽命。

⑤富氧頂吹熔煉爐的工況復雜，需要進一步的優化設計來保證運行順利和節能減排的需要。