側吹爐煙氣處理系統的技術改造*

周亮亮，楊衛嚴，連明磊

（1.中國瑞林工程技術股份有限公司，江西 南昌 330031；2.六盤水師范學院化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004）

1 引言

富氧側吹熔煉工藝具有投資小、物料處理能力強、操作簡單、環保效果好等特點，充分適應我國產能分散、精礦雜質高、成分復雜等狀況［1-2］。目前側吹爐工藝已非常成熟并廣泛應用于高鉛渣還原、銅精礦冶煉和其他一些原料的處理領域，同時還逐漸擴展到錫冶煉、銻冶煉、垃圾焚燒、固廢處理及尾渣提鐵等領域［3］。富氧側吹熔煉工藝原型來源于前蘇聯瓦紐科夫教授的一項技術發明［4］。

華東某銅冶煉廠是一家具有近40 年歷史，專業從事銅冶煉生產的企業。為了滿足企業多元化的發展需求，該企業計劃拆除1 臺現有的反射爐，并在充分利用反射爐現有煙氣處理系統的基礎上新建1 臺富氧側吹爐。現有煙氣處理系統的工藝流程為：反射爐出口煙氣→余熱鍋爐→空氣冷卻器→布袋收塵器→排風機→煙囪。

新建的側吹爐投產運行后，現有的煙氣處理系統出現一系列的問題：（1）布袋收塵器入口溫度高達250℃，導致濾袋溫度超過了200℃的耐溫極限；（2）排風機達到額定轉速后，側吹爐爐膛仍處于正壓狀態，逸出的含SO2煙氣和含PbO 煙塵造成了廠房內的環境污染；（3）側吹爐出口管段和余熱鍋爐輻射部積塵較嚴重，需要采用彈簧振打錘裝置清除受熱面的積塵［5］。根據現場實測，側吹爐出口煙氣波動達到38.5%，煙氣溫度高達1800 ℃，煙氣含水率10.15%，含塵濃度163.62 g/Nm3。根據現場實測數據并進行單因素實驗，找到了適宜新建側吹爐和現有煙氣處理系統的最佳運行條件，為同類型工藝避免出現或處置解決類似問題提供了參考和借鑒。

2 煙氣處理系統

2.1 側吹爐出口煙氣狀況

華東某銅冶煉廠新建的側吹爐爐床面積約4.8 m2，用于回收含銅物料中的有價金屬，側吹爐出口煙氣狀況如表1 所示。

表1 側吹爐出口煙氣狀況

2.2 現有煙氣處理設備技術規格

現有煙氣處理系統的主要設備有余熱鍋爐、空氣冷卻器、布袋收塵器和排風機，各設備技術規格如表2 所示。

表2 煙氣處理系統主要設備規格

由表1、表2 可知，新建側吹爐出口煙氣量（10827～15000 Nm3/h，煙氣波動達到38.5%）和煙氣溫度（1800 ℃），均超過了余熱鍋爐的額定入口煙氣處理量（14000 Nm3/h）和煙氣溫度（1300 ℃）。

2.3 側吹爐煙氣處理工藝流程

為了解決側吹爐出口最大煙氣量、煙氣溫度均超過了余熱鍋爐原有的額定處理能力的問題，在側吹爐出口、余熱鍋爐入口之間的煙管上增加了冷卻水噴頭，使煙氣溫度從1800 ℃驟冷降到1200 ℃，并進入余熱鍋爐冷卻降溫，然后再進入空氣冷卻器強制降溫；同時在空氣冷卻器出口煙管上設置調節閥吸入冷空氣，以此確保通過空氣冷卻器出口的煙氣溫度降到150 ℃以內后，再進入到布袋收塵器中凈化，最后由排風機排入煙囪。

煙氣處理工藝流程簡圖如圖1 所示。

圖1 煙氣處理工藝流程簡圖

3 煙氣參數的確定

3.1 側吹爐出口適宜的煙氣量

側吹爐出口煙氣量為10827～15000 Nm3/h。現有余熱鍋爐的額定處理能力為Q=14000 Nm3/h，溫度T=1300℃；現有空氣冷卻器冷卻面積F=300 m2，溫度T=350℃。分別對以下三種類型的煙氣參數進行計算，煙氣處理設備處理能力對比情況如表3 所示。

（1）側吹爐出口煙氣量為10827 Nm3/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度為350 ℃；

（2）側吹爐出口煙氣量為12000 Nm3/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度為350 ℃；

（3）側吹爐出口煙氣量為13000 Nm3/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度為350 ℃。

由表3 得到的結論：

表3 煙氣處理設備處理能力對比

（1）側吹爐出口適宜的煙氣量范圍為10827～12000 Nm3/h，當煙氣量繼續增加時，現有煙氣處理設備的處理能力不足；

（2）因現有余熱鍋爐出口設計溫度為350 ℃，在該溫度下需要摻入的冷空氣量相對最少，整個煙氣處理系統的總煙氣量明顯是最少的，后續煙氣處理設備的負荷也最小。

3.2 余熱鍋爐出口適宜的煙氣溫度

確定了側吹爐出口適宜的煙氣量范圍（10827～12000 Nm3/h）后，再分別對以下三種類型的煙氣溫度進行計算，煙氣處理設備處理能力對比情況如表4 所示。

表4 煙氣處理設備能力對比

（1）側吹爐出口煙氣量為10827 Nm3/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度為400 ℃；

（2）側吹爐出口煙氣量為10827 Nm3/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度為450 ℃；

（3）側吹爐出口煙氣量為12000 Nm3/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度為400 ℃。

由表4 得出結論：余熱鍋爐出口適宜的煙氣溫度范圍為350～400 ℃，當溫度繼續增加時，現有煙氣處理設備的處理能力不足。

3.3 適宜的噴水量及冷空氣摻入量

（1）適宜的噴水量。

噴霧冷卻是將水霧化噴入熱態煙氣中，利用煙氣的熱量蒸發水分而降低煙氣溫度的方法。常用的裝置有噴霧煙道、噴霧塔、噴霧冷卻器等，其中噴霧煙道常用于高溫出爐煙氣［6］。

側吹爐出口適宜的煙氣量范圍為10827～12000 Nm3/h，煙氣溫度為1800 ℃；余熱鍋爐出口適宜的煙氣溫度范圍為350～400 ℃。由于現有余熱鍋爐技術規格為Q=14000 Nm3/h，T=1300 ℃，將導致余熱鍋爐冷卻元件和后續的煙氣處理設備因煙氣溫度過高而損壞，因此需要在側吹爐出口、余熱鍋爐入口之間的煙管上增加冷卻水噴頭，使煙氣溫度從1800 ℃驟冷降到1200 ℃，耗用冷卻水及壓縮空氣情況如表5 所示。

表5 耗用冷卻水及壓縮空氣情況

（2）適宜的冷空氣摻入量。

吸風冷卻主要用于布袋收塵器入口前的煙氣冷卻，就是在煙道系統中裝設一個帶有調節閥的支管，支管一端與大氣相通，吸收自然風來輔助冷卻煙氣。調節閥的控制可利用溫度控制器進行自動操作或人工操作，從而控制吸入煙道系統的空氣量，以降低煙氣溫度。吸風冷卻僅適用于降溫幅度小，且煙氣量不太大的情況，對于因增加含氧量易引起燃燒爆炸的氣體不能使用［6］。

當側吹爐出口煙氣量為10827 Nm3/h，余熱鍋爐出口煙氣溫度為350 ℃時，計算得到的空氣冷卻器冷卻面積F=488 m2，而現有的空氣冷卻器冷卻面積F=300 m2，處理能力不夠，換熱效果差［7］，需要在冷卻器出口設置調節閥輔助摻入冷空氣使煙氣降溫，確保布袋收塵器入口煙氣溫度控制在150℃以內，摻入的冷空氣量及調節閥數量如表6 所示。

表6 摻入的冷空氣量

（3）布袋收塵器入口煙氣露點。

布袋收塵器主要通過棉織物、毛氈物等濾料對煙氣中的粉塵進行過濾，促使煙氣得到有效凈化。

在煙氣的凈化流程中分為兩個環節：

①通過干凈的濾料對煙氣進行處理，使煙氣中的粉塵滯留在濾料纖維中；

②隨著濾料表面截留的粉塵不斷增多，形成的粉塵層對煙氣中的粉塵進行有效過濾［8］。

布袋收塵器入口布置的空氣冷卻器，在壓力和溫度降低的工況下有利于除塵。

隨著溫度的降低必須考慮腐蝕對設備的影響。布置在高含塵段的空氣冷卻器會存在積塵的問題［9］。

在一定壓力下，含有可凝組分的氣體混合物在被冷卻到一定溫度時達到氣液相平衡的臨界狀態，可凝組分在氣相中達到飽和而凝結成液體，即達到煙氣露點，此時的溫度即為露點溫度［10-11］。煙氣的露點可通過查詢空氣的飽和含水氣量表得到。布袋收塵器入口煙氣露點情況如表7 所示。

表7 布袋收塵器入口煙氣狀況

布袋收塵器入口的煙氣露點為55.7～60.2 ℃，遠小于布袋收塵器的操作溫度150 ℃，布袋收塵器入口煙氣不會結露。

（4）排入煙囪的煙氣狀況。排入煙囪的煙氣狀況如表8 所示。

表8 排入煙囪的煙氣狀況

4 結論和建議

（1）本次技術改造得到的結論：側吹爐出口的適宜煙氣量范圍為10827～12000 Nm3/h，余熱鍋爐出口的適宜煙氣溫度范圍為350～400 ℃。在側吹爐出口、余熱鍋爐入口之間的煙管上的適宜噴水量為3078～3411 kg/h，壓力為0.35 MPa，壓縮空氣用量為6.04～6.70 Nm3/min，壓力為0.4～0.5 MPa，噴槍數量為4 支。在空氣冷卻器出口煙管上設置帶有調節閥的支管用以吸入冷空氣來冷卻煙氣，冷空氣摻入量10860～21560 Nm3/h，帶有調節閥的支管規格為DN700，調節閥數量為1 套。

（2）本次技術改造采取的主要技術措施：在側吹爐出口、余熱鍋爐入口之間的煙管上增加冷卻水噴頭，使煙氣溫度從1800 ℃驟冷降到1200 ℃。在空氣冷卻器出口煙管上設置調節閥吸入冷空氣，以確保空氣冷卻器出口溫度降到150 ℃以內，滿足布袋收塵器入口溫度的要求。

（3）側吹爐出口、余熱鍋爐入口之間的煙管長度約8 m，煙氣停留時間僅為0.4 s，難以保證將煙氣溫度從1800 ℃驟冷降到1200 ℃。

（4）現有余熱鍋爐入口煙氣量為14657～16245 Nm3/h，煙氣溫度為1200 ℃，超過了余熱鍋爐設計處理能力Q=14000 Nm3/h，T=1300 ℃，而且該設備已使用了多年，難以保證將出口溫度降到350～400 ℃范圍內。

（5）排風機計算規格的壓頭為4800 Pa，與現有煙氣處理設備規格（Q=96000 m3/h，H=4800 Pa，N=200 kW）一致，建議清理現有設備和煙氣管道內部的積塵，以減少煙氣處理系統的阻力。

（6）側吹爐出口的適宜煙氣量范圍為10827～12000 Nm3/h，余熱鍋爐出口的適宜煙氣溫度范圍為350～400 ℃，如果余熱鍋爐出口溫度過高，建議適當增加煙管上的噴水量。