年產(chǎn)30～40 萬噸鉛大型底吹氧化爐與底吹還原爐的設(shè)計(jì)運(yùn)行與探討

李 棟,林 屹,曹珂菲

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 引言

第一代氧氣底吹煉鉛技術(shù)自開發(fā)以來,以其強(qiáng)大的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保優(yōu)勢獲得了迅速推廣,其中鼓風(fēng)爐用于還原底吹氧化爐所產(chǎn)高鉛渣。為了解決高鉛渣鑄塊損失物理熱及鼓風(fēng)爐還原需要使用冶金焦的問題,2008—2011 年熔融側(cè)吹還原爐、熔融底吹還原爐被相繼開發(fā)出來,稱為第二代、第三代氧氣底吹煉鉛技術(shù)。其取代了鼓風(fēng)爐,各底吹煉鉛廠紛紛進(jìn)行了升級(jí)改造。然而,各廠單條生產(chǎn)線的產(chǎn)能規(guī)模多在年產(chǎn)10 萬t 電鉛以內(nèi),僅有一條生產(chǎn)線的產(chǎn)能規(guī)模為年產(chǎn)16 萬噸電鉛,擴(kuò)大規(guī)模和關(guān)鍵爐體的大型化設(shè)計(jì)勢在必行。

2020 年7 月投產(chǎn)的河南某鉛冶煉搬遷技改工程,設(shè)計(jì)年處理鉛精礦90 萬t、年產(chǎn)電鉛30～40 萬t。火法冶煉工藝路線為第三代氧氣底吹煉鉛技術(shù),精礦熔煉采用底吹氧化爐、高鉛渣還原采用底吹還原爐。截至目前,按小時(shí)投料量推算,該生產(chǎn)線已經(jīng)突破年產(chǎn)30 萬t 電鉛,目前穩(wěn)定在35 萬t 電鉛規(guī)模,計(jì)劃向40 萬t 的產(chǎn)能目標(biāo)進(jìn)發(fā)。其中,該工程中的底吹氧化爐和底吹還原爐設(shè)計(jì)規(guī)格均為φ5×28 m,是當(dāng)今世界上單系列產(chǎn)能最大的鉛冶煉設(shè)備。在此之前,底吹氧化爐最大規(guī)模為年產(chǎn)16 萬t 電鉛、底吹還原爐最大規(guī)模為年產(chǎn)10 萬t 電鉛。因此,本工程中底吹氧化爐和底吹還原爐的大型化設(shè)計(jì)備受關(guān)注。本文介紹了φ5×28 m 底吹氧化爐和φ5×28 m 底吹還原爐的設(shè)計(jì)情況,并結(jié)合生產(chǎn)運(yùn)行對(duì)一些具體問題進(jìn)行了分析和探討。

1 底吹氧化爐和底吹還原爐設(shè)計(jì)

1.1 工藝條件

底吹氧化爐年有效工作時(shí)間7 920 h,入爐濕基含鉛物料量約123.5 t/h、入爐濕基混合物料量約148.5 t/h、氧氣用量約16 500 Nm3/h。底吹氧化爐不產(chǎn)粗鉛,產(chǎn)出高鉛渣約109 t/h,出爐煙氣量約35 200 Nm3/h。底吹氧化爐連續(xù)進(jìn)料,間斷放渣,約1.5 h 放渣一次,放渣時(shí)間約1 h。

底吹還原爐年有效工作時(shí)間7 920 h,還原通過溜槽及出煙口自流而入的氧化爐高鉛渣。底吹還原爐需加入碎煤作為還原劑,碎煤加入量約3.5 t/h;采用粉煤補(bǔ)熱,粉煤量約3.8 t/h,氧氣用量約3 850 Nm3/h。底吹還原爐產(chǎn)出粗鉛約1 260 t/h,產(chǎn)出還原渣約1 250 t/h,出爐煙氣量約39 500 Nm3/h。底吹還原爐間斷進(jìn)料,間斷放渣,作業(yè)周期約2.5 h,其中約進(jìn)渣1 h、還原1 h、放渣0.5 h。

1.2 底吹氧化爐和底吹還原爐設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝條件和爐體計(jì)算,確定底吹氧化爐規(guī)格取φ5×28 m。爐頂設(shè)3 個(gè)加料口,平均每個(gè)加料口承擔(dān)的鉛精礦投入量為每年30 萬t,盡量避免爐內(nèi)發(fā)生堆料現(xiàn)象。爐底0 度角位置設(shè)氧槍14 支,平均每支槍供氧量約為1 180 Nm3/h。

根據(jù)工藝條件和爐體計(jì)算,確定底吹還原爐規(guī)格取φ5×28 m。爐頂設(shè)2 個(gè)加料口,用于加入還原所需的還原劑碎煤。爐底30 度角位置設(shè)還原槍13支,平均每支槍供粉煤量約為300 kg/h。

圖1 為φ5×28 m 底吹氧化爐簡圖,圖2 為φ5×28 m 底吹還原爐簡圖。

圖1 φ5×28 m 底吹氧化爐簡圖

圖2 φ5×28 m 底吹還原爐簡圖

2 投產(chǎn)運(yùn)行與分析探討

該技改工程于2020 年7 月投產(chǎn),截至目前,底吹氧化爐和底吹還原爐運(yùn)行平穩(wěn)、正常,各項(xiàng)工藝指標(biāo)也滿足設(shè)計(jì)要求,表明第三代氧氣底吹煉鉛技術(shù)中關(guān)鍵設(shè)備的大型化設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果。但本工程為第三代氧氣底吹煉鉛技術(shù)首次擴(kuò)大規(guī)模實(shí)踐,為穩(wěn)妥于2021 年4 月主動(dòng)停爐,對(duì)包括底吹氧化爐和底吹還原爐在內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行檢查、檢修。

2.1 底吹氧化爐

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),底吹氧化爐掛渣較多,爐襯侵蝕在可控范圍之內(nèi),預(yù)計(jì)整爐壽命可達(dá)到2～3 年。由于底吹氧化爐不產(chǎn)粗鉛,所以氧化槍的壽命較長,平均可達(dá)3 個(gè)月。圖3 為檢修完畢底吹氧化爐掛渣照片。

圖3 檢修完畢底吹氧化爐掛渣照片

本次底吹氧化爐大型化設(shè)計(jì)中,較為成功的是長爐子的烘爐設(shè)計(jì)。在噴槍閥站增設(shè)天然氣管路,用6 支左右氧化槍配合端頭燃燒器烘爐,這樣烘爐溫度對(duì)長爐子來說比較均勻。另外,本次設(shè)計(jì)的加料口水套內(nèi)襯了不銹鋼圈,經(jīng)實(shí)踐證明該設(shè)計(jì)增強(qiáng)了水套側(cè)壁的安全性,操作人員在清理粘接時(shí)接觸不銹鋼圈,可以定期更換,保護(hù)了水套本體。

2.2 底吹還原爐

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),底吹還原爐氣相區(qū)加料口周圍耐火磚燒損嚴(yán)重,殘磚最短處僅110 mm 左右,必須挖補(bǔ)。圖4 為還原爐準(zhǔn)備挖修時(shí)的照片,其氣相區(qū)殘磚厚度的漸變清晰可見。分析發(fā)生如此嚴(yán)重?zé)龘p原因,可能與全粉煤還原操作模式有關(guān)。在實(shí)際運(yùn)行中,取消了爐頂加料口加入塊煤進(jìn)行還原的操作,只用還原槍往爐內(nèi)供入粉煤,粉煤既做燃料又做還原劑使用,單支還原槍的供煤量可達(dá)到600 kg/h 左右。單支槍供入的粉煤量過大,而熔池所能利用的沒有提高太多,所以大量的粉煤進(jìn)入爐膛空間,遇到從加料口來的漏風(fēng)便發(fā)生了嚴(yán)重二次燃燒,產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致氣相區(qū)加料口周圍耐火磚燒損嚴(yán)重。

圖4 還原爐準(zhǔn)備挖修時(shí)照片

全粉煤還原操作模式需注意解決爐膛空間可燃?xì)怏w的二次燃燒,可燃?xì)怏w全部在爐膛空間燃燒,溫度太高對(duì)氣相區(qū)耐火磚不利;全部在鍋爐燃燒,氣相區(qū)還原氣氛太強(qiáng)對(duì)磚也不利,所以加料口可用纖維氈封閉保持適度漏風(fēng),使?fàn)t膛空間發(fā)生適度的二次燃燒,這樣的話溫度不會(huì)太高,還原氣氛不會(huì)太強(qiáng)。

為了延長底吹還原爐耐火磚的壽命,還可在爐殼外增加夾套水冷。經(jīng)過初步設(shè)計(jì)和傳熱計(jì)算,爐殼外增加夾套水冷之后,爐殼溫度可從現(xiàn)在的250℃降低到50 ℃左右。爐襯的掛渣保護(hù)變得相對(duì)容易,耐火磚的耐熱性會(huì)增強(qiáng),爐壽延長是可預(yù)期的。同時(shí),爐殼溫度的降低,還可改善操作環(huán)境。由于爐襯掛渣,整體的散熱損失不會(huì)大幅提高,但延長爐壽的好處大于能耗的小幅提高。詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí),需注意爐殼膨脹量的變化,膨脹計(jì)算需按照新的溫度分布來修正;另外,夾套應(yīng)盡量均勻設(shè)置鋪滿,以減小爐殼溫度的不均勻性。

本次底吹還原爐大型化設(shè)計(jì)中,較為成功的是還原槍30 度角。由于還原槍偏離爐底中心30 度角,使得其能避開大部分粗鉛的侵蝕,所以壽命長于其他廠還原槍1 個(gè)月的壽命,達(dá)到了平均2 個(gè)月,正往3 個(gè)月努力。除此之外,還原槍可在原來0.8～1.0 MPa 壓力的基礎(chǔ)上降壓至0.5～0.6 MPa 運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。底吹氧化爐從傳統(tǒng)的產(chǎn)鉛到現(xiàn)在的不產(chǎn)鉛,氧化槍壽命從1 個(gè)月延長至3 個(gè)月。它也可以降壓,節(jié)能的同時(shí)解決噴濺較重問題,可以嘗試適當(dāng)提高單槍氧氣流量。

另外,有一個(gè)現(xiàn)象尚未明確其原因,過去產(chǎn)鉛的底吹氧化爐虹吸道沖刷非常嚴(yán)重,而大型化設(shè)計(jì)后底吹還原爐產(chǎn)鉛量大于前者,虹吸道卻沒有沖刷,這是一個(gè)值得探討的疑題。

3 總結(jié)

φ5×28 m 底吹氧化爐和φ5×28 m 底吹還原爐已經(jīng)成為世界上單系列產(chǎn)能最大的鉛冶煉設(shè)備,該生產(chǎn)線在投產(chǎn)不久突破了年產(chǎn)30 萬t 電鉛、目前穩(wěn)定在35 萬t 電鉛規(guī)模,正計(jì)劃向40 萬t 產(chǎn)能目標(biāo)進(jìn)發(fā),為第三代氧氣底吹煉鉛技術(shù)的擴(kuò)大規(guī)模設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn),有眾多總結(jié)之處。本文從爐體設(shè)計(jì)、投產(chǎn)運(yùn)行、分析探討等方面對(duì)兩臺(tái)爐子進(jìn)行了敘述,重點(diǎn)就爐壽、槍壽幾個(gè)相關(guān)問題展開詳述。φ5×28 m底吹氧化爐和φ5×28 m 底吹還原爐大型化的設(shè)計(jì),為企業(yè)帶來了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。