淺談大型煙化爐設計與實踐

崔大韡

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 引言

煙化爐主要用于從有色金屬冶煉爐渣中回收鉛、鋅、錫等易揮發的金屬。近年來,隨著鉛鋅冶煉項目的大型化,以及含鉛鋅渣處理需求的增多,煙化爐被越來越多的使用,并有著大型化的趨勢。此前,世界上最大的煙化爐為加拿大特列依爾的21.96 m2煙化爐。國內較大的煙化爐有株洲冶煉廠、江西銅業鉛鋅金屬有限公司的18 m2煙化爐。

本文的32 m2煙化爐,為目前世界上最大的煙化爐,應用在河南某年產37 萬t 粗鉛項目中。此項目采用中國恩菲專利底吹煉鉛工藝,采用氧氣底吹熔煉-底吹熔融還原-煙化吹煉三連爐連續煉鉛技術,是世界上最大的單系列鉛冶煉項目。

1 大型煙化爐設計難點

煙化爐是一種處理含鉛鋅爐渣的傳統爐型,規格從60 年代初的2.5 m2煙化爐開始,不斷的演變增大,目前應用數量較多且設計成熟的為爐床面積8～13 m2的煙化爐。而本次要將煙化爐在常用規格的基礎上擴大近3 倍的爐床面積,并不能只是面積的簡單放大,而是要克服并解決制約煙化爐大型化的一些技術難點。從現有煙化爐的結構和使用來看,大型煙化爐設計要解決以下問題。

1.1 煙化爐熔池水套(風口鋼水套)壽命低

由于爐內熔融態爐渣對爐墻沖刷侵蝕非常嚴重,煙化爐風口鋼水套的壽命一般僅為3～6 個月,風口層以上鋼水套的壽命稍長一般為6～12 個月。這就造成了傳統煙化爐可能每3～6 個月就要停爐檢修,更換水套,嚴重影響煙化爐的作業率。因此以往鉛冶煉項目中,每個渣處理車間都配有兩臺同規格煙化爐,互為備用,以防因單個煙化爐頻繁檢修,而影響整體的冶煉生產。

如果水套壽命不提高,而盲目的擴大爐子,會設置更多的水套,那么停爐檢修水套的機率反而會增加,大型化反而成了劣勢。而且本項目工藝單系列底吹煉鉛生產線只配一臺煙化爐,不設備用。因此水套壽命是煙化爐能否成功大型化的關鍵問題。

1.2 煙化爐骨架結構增強

煙化爐是立式矩形爐體(如圖1 所示),爐身由幾十塊水套拼接而成,爐身水套主要由外圍骨架上伸出的支撐桿固定,這些支撐桿不僅要承受爐內熔池壓力,還有熔體攪動產生的振動,這就要求骨架及支撐桿要非常穩固。

圖1 32 m2煙化爐簡圖

本煙化爐上部直接與鍋爐對接,形成一體式結構,爐身頂部在側面無法再設計拉桿、拉梁等拉緊結構,對于10～13 m2煙化爐,爐體骨架側面的跨度一般為6～8 m,而32 m2煙化爐骨架側面跨度達到16 m,這就給骨架結構設計提出了挑戰,如何在不使用頂部拉緊結構情況下,提高骨架側面梁的強度。如果支撐不穩固,爐身水套容易產生變形和振動問題。因此,對于大型煙化爐,足夠的骨架強度,成為亟需解決的問題。

1.3 粉煤的均勻分配

煙化爐生產時,粉煤通過位于爐身兩側的粉煤噴嘴噴入熔池,以實現對爐渣的升溫與還原。粉煤能否在各個風嘴間被均勻的分配噴吹,是保證熔池熔煉效果、提升粉煤利用率、平衡風嘴壽命的關鍵。

由工藝一次風煤管帶來的粉煤,通過粉煤分配器來進行分配。一般煙化爐單側風嘴為12～20 個,目前常用的三級粉煤分配器(如圖2 所示)可實現粉煤的均勻分配。但對于32 m2大型煙化爐,其單側風嘴數量達到42 個,如何還能實現粉煤的均勻分配,也是實現煙化爐大型化中必須解決的問題。

2 大型煙化爐設計

上述的設計難點,對32 m2大型煙化爐的設計提出了更高的要求和挑戰。利用恩菲多年的技術和經驗累積,經過認真的研究核算,最終設計的32 m2煙化爐下圖所示:煙化爐爐身由三層水套組成,最下層水套為風口銅水套,上兩層水套為鋼水套;底部為爐缸式爐底;爐身頂部通過膨脹節與鍋爐的膜式壁相接;爐身水套通過骨架上伸出的支撐桿進行固定。

2.1 風口銅水套的應用

由于純銅水套冷卻能力強,生產時可在其表面形成薄渣層,避免被熔渣不斷的侵蝕沖刷,因此銅水套使用壽命長,本次設計在風口區采用銅水套,取代原有壽命低的鋼水套,以解決風口水套壽命低,檢修頻繁,影響煙化爐作業率的問題。根據目前的實踐估計,銅水套的壽命可達3～5 年。

同時,設計中也對風口區水套高度進行了提高,原風口鋼水套高度(800～1 400 mm)較矮,并不能完全覆蓋整個熔池,除了風口鋼水套,其上層鋼水套也處在熔池區域,同樣容易損壞。新設計的風口銅水套高度約2 000 mm,基本可以覆蓋整個熔池區域,規避了風口上層鋼水套局部處于熔池區域的尷尬位置,能有效提高上層鋼水套的壽命。

對于加高的風口銅水套,由于銅材本身強度低,需要采取加固措施,以防水套發生變形。本次設計采用了增加爐箍和水套外圍支撐的方式,來提高銅水套的結構強度。

另外,還可用給銅水套安裝鋼框架的方式來提高水套強度。如果經濟條件允許,可直接采用強度更高的銅鋼復合水套。

2.2 煙化爐骨架加強

對于骨架側面跨度大,骨架頂部無法設計拉緊結構的問題,通過核算,采用了兩項措施:一是增大了骨架圈梁型鋼的規格;二是如圖1 所示,在爐側骨架中間增加一對立柱,并在立柱外側增加斜撐進行加固。并且,對于骨架中用于支撐風口銅水套的橫梁也在其上下兩側增加了筋板進行加強。另外,對于風口銅水套,不僅采用雙層支撐桿進行支撐,還在風口銅水套的底部,設計了頂緊結構。

2.3 粉煤的均勻分配

粉煤分配器最早有大的連箱結構,但逐漸被多級分配的形式所取代。實際應用中有水平主管的三級粉煤分配器(圖2 所示)應用效果最好。煙化爐大型化后,風嘴數量增加較多,粉煤分配雖然也可以增加級數,設計成帶四級、五級主管的多級分配形式,但級數增加后結構會更加復雜,而且隨著級數的增加,由上至下,每級間分配的誤差會逐漸累積,分配均勻性反而會變差。

圖2 粉煤分配器簡圖

另外,還有一種立式圓柱分配器(圖3 所示),每級分配圓柱底部可設3～4 個支管,支管末端可以再接下一級分配圓柱進行分配。這種結構一般應用為二級結構,在級數增多后,也存在前述結構同樣的問題。

圖3 粉煤分配器簡圖

在單個粉煤分配器能力受限的情況下,最后設計采用增加單側一次風管數量的方案,解決了這個問題。通常爐身兩側的各設一根一次風煤管,將粉煤輸送到爐側,然后與粉煤分配器對接。本煙化爐,每側有三根一次風煤管,分別與三個粉煤分配器(圖2 所示)連接,這就將問題簡化,只需保證三根一次風煤管的粉煤量相當,就可以確保3 組風嘴(每組12 個風嘴),42 個風嘴粉煤的均勻分布。

2.4 爐缸

本煙化爐另一個特點是,考慮到粗鉛的匯集與排放,爐底采用了爐缸結構。在爐缸殼體內,由耐火磚砌成了反拱形爐底,拱腳磚之上設置一層平水套與上側的風口銅水套進行過渡銜接。

3 實踐與總結

本32 m2煙化爐于2020 年7 月投產,并很快達到設計的處理能力,各項指標也達到了工藝要求。到目前為止,煙化爐風口銅水套并沒有發生損壞;煙化的骨架、支撐結構也并沒有出現變形;采用單側多支路一次風煤管方法,也實現粉煤的均勻分配。可以說,前述大型化所涉及的問題都得到很好的解決。

32 m2大型煙化爐的應用,實現了煙化爐的跨越式發展,驗證了單臺煙化爐的渣處理能力和使用壽命,可以滿足項目大型化的需求,且使車間的配置更簡單,投資更省,以及達到更低的檢修維護成本。此次大型煙化爐成功實踐僅是一個開始,隨著冶煉項目的大型化及冶金渣資源化需求的增加,會有越來越多的大型煙化爐得到應用,煙化爐相關技術和裝備也會得到進一步發展。