轉爐車間的環集煙氣治理探析
2024-07-11 07:23:02付紅春
有色冶金設計與研究 2024年3期
〔摘 要〕以某轉爐銅冶煉車間為例，分析了轉爐車間環集煙氣的發生源及煙氣治理的難點，通過實際現場調研，提出了轉爐車間環集煙氣系統的工藝流程、系統設置、風量計算、設備選型，以及工藝管道碰撞問題的解決等角度詳細論述了銅冶煉項目環境集煙系統的設計。根據該項目環境集煙系統的運行效果，提出了環集系統未來改進優化的建議。
〔關鍵詞〕銅冶煉;轉爐車間;環境集煙系統;風量計算
中圖分類號：X758 ? 文獻標志碼：B? 文章編號：1004-4345（2024）03-0021-05
Discussion and Analysis of Fugitive Gas Handling in the PSC Plant
FU Hongchun
（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）
Abstract? The handling of fugitive gas generated during the PSC production period is an important factor affecting the promotion and application of the PSC converting technology. Taking a PSC copper smelting plant as an example， this paper analyzes the sources of fugitive gas in the PSC plant and the difficulties in the gas handling. The paper discusses the process flow， system settings， gas volume calculation， and equipment selection of the fugitive gas handling system in the PSC plant in detail through actual on-site investigation， and puts forward a new type of PSC fugitive gas hood and crane-through type building fugitive gas hood proposal. According to the operation effect of the fugitive gas handling system in this project， the paper proposes the optimization suggestions for the automation level and gas volume distribution issues of the fugitive gas handling system.
Keywords? copper smelting; PSC plant; fugitive gas handling system; gas volume calculation
收稿日期：2023-09-26
基金項目：廣西科技計劃項目（科技重大專項）（項目編號：2020AA17001AA）
作者簡介：付紅春（1981—），男，高級工程師，主要從事暖通專業的設計工作。
火法煉銅原料適應性強、能耗低、效率高、金屬回收率高，是目前世界范圍內生產銅的主要方法。該工藝主要處理的是硫化礦，主要工藝過程包括造锍熔煉、銅锍（冰銅）吹煉、粗銅火法精煉和陽極銅電解精煉4個步驟。其中，轉爐用于冰銅吹煉工序，將冰銅進一步氧化、造渣，脫除冰銅中的鐵和硫，生產得到粗銅。
轉爐吹煉為間斷作業，分造渣期和造銅期。造渣完成后，停止鼓入空氣，傾斜爐體，將表層熔渣倒入渣包內。造銅期轉爐產出的粗銅倒入粗銅包內，再經包子吊車送往陽極爐精煉工序進行精煉。
轉爐的初期投資相對較低，操作相對簡單，在物料的轉運、出銅、出渣過程中，含有大量SO2和有害煙塵的煙氣逸散出來，造成嚴重的低空污染，影響人體健康，惡化車間環境。能否對生產過程中產生的環集煙氣進行有效治理，已經成為影響轉爐吹煉工藝應用推廣的重要因素。本文擬以國內某30 kt銅冶煉項目轉爐車間為例，分析轉爐車間環集煙氣的發生源及煙氣治理難點，并對該項目轉爐車間環境集煙系統設計進行探討。
1?? 環集煙氣發生源及治理難點
在轉爐的整個生產過程中，會發生煙塵逸散的主要節點有以下幾處：1）轉爐水冷煙罩處。正常造渣期和造銅期，由于爐內壓力的波動，有大量的工藝煙氣外逸出轉爐水冷煙罩。為防止此部分煙氣逸散至廠房內造成低空污染，設置轉爐爐體環集煙罩對煙氣進行捕集。2）轉運過程中的冰銅包。在行車轉運冰銅包的過程中，會有大量的煙氣從包子中逸散至車間，聚集在車間上部，造成低空污染。3）傾轉爐體時的爐口。在轉爐加料、出銅、出渣的過程中，轉爐爐體需要傾轉，此時有大量的煙氣從爐口脫離轉爐爐體環集煙罩的控制范圍，逸散至車間內部。
這些逸散至車間的環集煙氣聚集在車間頂部，如果不進行有效處理，會嚴重影響行車操作人員的視線，存在重大安全隱患。同時，環集煙氣通過屋頂逸散至室外，會污染廠房周邊環境，腐蝕周邊建筑的結構，縮短建筑的使用壽命。因此，必須在環集煙氣產生的點設置集煙罩，收集逸散的煙氣。各個環集煙氣點通過管道連接組成一個大的環集系統，再通過環集風機抽吸使各集煙罩內產生負壓以防止煙氣外逸。收集到的煙氣處理達標后由煙囪高空排放，從而改善車間內及車間周邊的環境。
具體設置為：1）轉爐爐體上方設置爐體環集煙罩。2）在轉爐區域廠房頂部設置環集煙罩。轉爐車間環境集煙系統流程如圖1所示。
2?? 環集系統設置
2.1? 煙罩的設置
1）轉爐爐體環集煙罩。傳統的轉爐爐體環集煙罩采用的是爐前旋轉型煙罩。此煙罩兩側固定，爐前加料口可旋轉，密閉性較差。生產時，有較多的煙氣自縫隙處外逸;旋轉煙罩開啟后，還會遮擋行車操作人員的部分視線。
本項目采用了一種新型推拉型轉爐煙罩。該煙罩主要由上部固定煙罩、左右推拉門、下部擋火門、移動小車、下部固定煙罩構成，結構更加精巧，工作時密閉性更高。該環集煙罩在水冷煙罩基礎上形成一個較為封閉的密封腔體，有利于在內部形成負壓，增強抽吸效果。推拉門內側基本為光面，且在爐口輻射區域設置有水冷結構，爐口噴濺物可以自動脫落或手工清除。推拉門式的二次煙罩在出銅放渣操作時效果非常好，煙氣收集率高。兩種爐體煙罩實景對比見圖2。
2）廠房環集煙罩。早期的轉爐車間均未設置廠房環集系統，廠房內的環集煙氣直接通過屋頂的氣樓直接排向大氣。隨著國家環保要求越來越嚴，冶煉企業對此部分環集煙氣也必須進行收集處理，否則將面臨停產的風險。因此，對現有廠房進行改造成為必然。
受到現有廠房的結構限制，廠房改造通常采用以下兩種方式：（1）不改變現有廠房的結構，將通風氣樓整體進行封閉，將氣樓作為廠房環集煙罩使用。（2）在不對廠房結構進行大調整的情況下，對通風氣樓進行改造，將氣樓延伸至轉爐廠房主立柱，將轉爐爐口覆蓋在煙罩的范圍內。具體如圖3所示。
新建轉爐廠房則須在設計初期就考慮到廠房環集煙罩的設置，通過在爐體上方行車與廠房頂部之間設置環集煙罩，將加料和出銅過程中逸散的煙氣控制在一個較小的區域，避免其逸散至其它區域，以減少環境集煙的排煙量。
新建轉爐廠房環集煙罩主要有兩種方式：（1）采用整個屋頂做為集煙裝置。但一般屋頂離行車頂部及爐口距離相對較遠，爐口逸散出的煙氣不能在第一時間通過局部排風進行排除。待煙氣逸散至整個車間頂部時，煙氣量已經比較大，不利影響也已經產生。且由于煙氣逸散范圍較廣，為排出屋頂的煙氣，系統所需的風量大。（2）行車通過式廠房環集煙罩，在爐體正上方設置一個局部排煙罩，將煙罩盡量靠近逸散的煙氣，使煙氣限制在一個較小的范圍內，并通過局部排風第一時間將逸散的煙氣排出廠房，最大限度地減少對行車操作人員的視線影響，并且保證操作人員所在的駕駛室不在煙氣籠罩的范圍內，保證人員的身體健康。新建轉爐廠房環集煙罩見圖4。
結合本項目轉爐設備配置及廠房結構，本次設計采用行車通過式廠房環集煙罩。設計時要求該煙罩須滿足以下條件：（1）能將爐口逸散的煙氣全部覆蓋，并且具有一定的儲煙能力;（2）不能影響行車的通行及操作;（3）需要和廠房的結構良好地結合，同時不影響建筑的外立面布置。
本項目煙罩形式設計為傘型頂吸式煙罩。該煙罩由4面側板、頂板、下部圈梁及排風口組成，各個部件之間通過焊接連接，整個煙罩的荷載通過設置圈梁進行支撐。排風口盡量靠近煙罩的頂部，煙罩的底部與行車最高點之間保證300～500 mm的安全距離。各個側板與車間廠房密切結合，充分利用建筑的屋面板及檁條，減少罩體的鋼材耗量及整體荷載。其中，后側板直接與廠房墻體結合，做成一體式結構，向下沿伸至行車軌道梁下沿。這種結構不僅可以減少橫向風對上升煙氣的干擾，還可以避免集煙罩吸入爐體后部的空氣。在煙罩的下部設一圈圈梁，以減少從煙罩外邊沿上部吸入大量的冷空氣，從而降低整個集煙罩的排氣量。具體形式詳見圖5。
2.2? 閥門設置
整個環集系統各排煙點均設置電動調節型通風蝶閥，可根據排煙需要控制電動閥門的啟閉。同時，通過調節閥門的開度還可以進行風量調節，使煙罩內保持穩定的負壓狀態。閥門的運行狀態可在控制室顯示，并進行調整。
2.3? 系統管路設置
整個環集系統排煙點較多，為保證各排煙點的排煙效果，保持各環路的壓力平衡非常關鍵。系統風管呈枝狀布置，環集管道按不低于規范要求的最低風速確定管徑，并根據系統最大排煙量確定最不利環路，計算系統的管路壓力損失。其他各環路通常是利用管徑的變化來平衡壓力損失，但管段煙氣的流速只能控制在一定的范圍之內，調節管道阻力的能力有限，故還需要通過調節各個抽風點的閥門開度來平衡系統各環路的壓力損失，盡量減少系統的總排煙量，以達到降低能耗、節省費用的目的。
系統管道的壓力損失包括沿程阻力損失和局部阻力損失。通常在運行情況下，系統最終的排煙溫度大于80 ℃，煙囪的熱抬升力大于煙囪本體的阻力損失，故在計算系統壓力損失的時候，煙囪的壓損不予計算。沿程壓力損失、局部壓力損失、總壓力損失計算公式分別見下式：
Pm=;
PZ=ξ ;
P= Pm+ PZ 。
式中：Pm 為沿程壓力損失，Pa;PZ 為局部壓力損失，Pa;P為系統的總壓力損失，Pa;λ為沿程阻力系數; L 為管段長度，m;d為管徑，m;v 為管道內煙氣流速，m/s;ρ為煙氣密度，kg/m3;ξ為局部阻力系數。
經計算，最大排風量時，系統的最不利環路的壓力損失為3 500 Pa（不含除塵器的壓損），系統總壓力損失為5 000 Pa。
3?? 主要設備的選型
轉爐車間內爐體及廠房環集煙罩系統的布置如圖6、圖7所示，各點排煙量及排煙溫度見表1。
通過表1計算得到，環集系統的最大排煙量為404 800 m3/h，折算到工況為513 752 m3/h，溫度73.5 ℃。
3.1? 除塵器的選型
根據轉爐環集煙氣中粉塵的特點，選用1臺離線脈沖袋式除塵器，除塵器的處理風量按環集系統最大排煙量選取，濾袋材質為PTFE基材+PTFE覆膜，規格為
3.2? 環集風機的選型
環境集煙系統的總排煙量會在工藝生產過程不斷發生變化。在選擇風機時，既要滿足各排煙點最大同時排煙量的要求，又要確保風機在正常工況下環保節能。因此，優先選用變頻風機。
根據所需風量、風壓，選定環集風機的型號。在確定環集風機的型號時，風機的風量、風壓應附加一定的安全系數[3]。風量、風壓計算公式分別見下式：
Q'=KQ×Q;
P'=Kp×P 。
式中：Q為系統的風量，m3/h;P 為系統的設計風壓， Pa;KQ為風量附加安全系數，KQ=1.05～1.15（本文取1.05）;Kp為風壓附加安全系數，取Kp=1.15～1.30。
經計算，環集風機所需風量為539 440 m3/h，所需風壓為5 500 Pa。本項目選用1臺雙吸雙支撐離心風機，Q =539 440 m3/h，全壓P=5 500 Pa。另外，由于風機全壓未計算環集脫硫裝置的壓損，環集脫硫系統需配置脫硫風機，以克服環集脫硫裝置的壓損。
4?? 改進及優化措施
綜上所述，該項目轉爐車間采用了新型的轉爐爐體環集煙罩和行車通過式廠房環集煙罩，較好地解決了車間環集煙氣低空污染的問題。但整個環集系統的自動化水平相對較低，后續該企業可提升系統的自動化水平，增加各環集排風點電動閥門與爐體運行的連鎖關系，同時在各個抽風點設置壓力檢測裝置，通過調節閥門的開度以及環集風機的轉速來控制各個排風點的負壓，以保證各個環集抽風點的抽風效果。
另外，廠房環集系統的風量分配方面還可以進一步優化。1）加大爐體上方的行車通過式環集煙罩的抽風量，以保證加料、出銅過程中爐口逸散的煙氣及時排出;適當減小屋頂另外的抽風口風量則。2）屋頂抽風點的閥門應該與行車的位置進行聯鎖控制，根據行車運行的位置，適時開啟/調節相應的電動閥門，確保需要抽風的點有足夠的抽風量，避免環集煙氣逸散至車間。
參考文獻
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