含銅污泥富氧頂吹熔池熔煉爐的結構設計

文_黃強 吳銀登 劉玉坤 上海環境工程設計研究院有限公司

1 含銅污泥處置現狀

電鍍污泥中含有多種金屬成分，性質復雜，被列入國家危險廢物名錄，廢物類別為HW17。若回收其中含量較高的銅、鎳、鉻、鐵等金屬，不僅可以緩解環境污染，實現清潔生產，而且將具有顯著的生態效益和經濟效益。

目前我國處理含銅污泥工藝主要以燒結+鼓風熔煉或制磚+鼓風熔煉為主。然而，由于鼓風熔煉工藝存在焚燒溫度不高使得煙氣難以處理和對物料適應性較低等相關問題，市場上亟需尋求更綠色節能的技術來取代鼓風爐。

隨著有色冶金技術的高速發展，含銅污泥資源再生工藝得到了極大發展，重金屬污泥資源化技術向自動化、高效率、低能耗的方向發展，新的重金屬污泥資源化技術不斷得到應用和推廣。

2 含銅污泥處置技術

目前國內外有關工業污泥資源化回收技術主要有置換電解、浸出置換、微生物處理、礦物化、高溫還原法等，但只有高溫還原法廣泛應用于工業生產。

高溫還原法處理工業污泥具有物料適應性廣、金屬回收率高、產生無害爐渣、工藝流程短等優勢，是目前處理電鍍污泥工業運用較為成熟可靠的方法。當前，國內處理這類污泥采用的高溫還原法主要有鼓風爐熔煉工藝和富氧熔池熔煉工藝。

鼓風爐熔煉工藝是先將原料預干燥至適合壓磚的水分含量，然后經制磚機制磚，磚塊經自然晾干后輸送至鼓風爐爐熔煉，處置在普通空氣參與下完成，產出黑銅和冰銅。富氧熔池熔煉工藝是先將原料干燥至較低水分含量，然后經制粒機制成一定粒度后送至富氧熔池熔煉爐高溫處置。含銅污泥的兩種高溫還原處置工藝技術比較如表1所示。

由表1可知，從操作環境、生產過程控制等因素綜合考慮，選擇富氧熔池熔煉工藝是處置含銅污泥首要方式。

表 1 含銅污泥的兩種高溫還原處置工藝技術比較

3 富氧熔池熔煉爐結構設計

富氧熔池熔煉爐為立式圓筒爐，噴槍從爐蓋中心插入爐內并將頭部浸沒在熔池的熔渣層內，熔煉所需富氧空氣以一定壓力通過噴槍吹入熔池，使熔池形成強烈攪動狀態。含銅污泥從爐頂的加料口加入，直接落入強烈攪動的熔池中，迅速被卷入熔體并與富氧空氣反應熔化，生成粗銅和爐渣。熔煉過程分為準備階段，熔煉階段，弱還原階段和強還原階段。熔煉過程中產生的煙氣進余熱鍋爐降溫并回收余熱，在經過收塵凈化后送脫硫系統。富氧熔池熔煉爐詳細的結構如圖1所示。

圖1 富氧熔池熔煉爐結構示意圖

熔煉爐設計包括進料裝置、噴槍和提升裝置、爐體結構、排渣設備、耐火材料和水冷結構等。本文主要從爐體熔池內徑、爐體高度等方面的設計進行介紹。

3.1 爐體熔池內徑的設計

爐體熔池內徑是爐型尺寸中最重要的參數。爐體熔池內徑設計的關鍵參數為單位截面積處理負荷Q ［T/(m2·h)］，熔池內徑和單位截面積處理負荷之間的關系如式（1）所示：

式中 R為爐體內徑（m）；W為含銅污泥小時處理量（T/h）；Q為單位截面積處理負荷［T/(m2·h)］。

如果Q取值過大，熔池內徑較小，會導致爐內溫度過高；如果Q取值過小，熔池內徑較大，導致熔池內反應不完全。含銅污泥富氧熔池熔煉時，一般Q設計取值為1.2～1.4T/(m2·h)。

3.2 爐體高度的設計

爐體的高度包括熔池深度和氣相空間高度兩個部分，其中熔池的深度設計主要考慮噴槍插入熔池液面的深度和噴吹氣流的穿透深度。正常運行情況下，噴槍插入熔池液面下的深度一般在200～300mm。噴槍噴吹氣流的穿透深度較小，會導致爐內物料反應不均勻；噴槍噴吹氣流的穿透深度較大，則會對爐底部耐火材料造成沖刷，縮短耐火材料使用壽命。韓旭等對浸入式頂吹氣流在不同液體中的穿透深度進行了實驗研究，利用量綱分析法，得出氣體無量綱穿透深度與修正弗魯德數之間的關系式。

式中 h為穿透深度（m）；d0為噴槍的外徑（m）；Fr′）為修正弗魯德數。

氣相空間的高度設計主要考慮氣體停留時間和熔渣的噴濺高度兩個重要的方面因素。根據《危險廢物焚燒污染控制標準》GB18484-2020規定，煙氣停留時間≥2s，煙氣停留時間是指燃燒所產生的煙氣從最后的空氣噴射口或燃燒器出口到換熱面。為保證含銅污泥熔煉產生的可燃氣體全部燃燒完成，煙氣停留時間不得小于2s，氣相空間高度可根據煙氣的氣體允許流速和停留時間來確定。

4 結語

富氧熔池熔煉技術具備自動化程度高、處理能力大、煙氣量小、原料適應性強等優點，是未來含銅污泥資源化的趨勢。本文對富氧熔池熔煉爐的爐體熔池內徑、爐體高度等方面等進行設計，為含銅污泥富氧頂吹熔池熔煉設計提供一定參考。