鋅浸出渣側吹熔化爐的設計

馮雙杰

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 概述

目前，鋅冶煉廠80%以上采用濕法煉鋅工藝，我國現在每年都產生幾百萬噸屬于危害固體廢渣的鋅浸出渣，只有少數鋅冶煉企業對其進行了回收處理利用，而多數只是建庫堆存。鋅浸出渣的堆存，既造成了大量有價金屬的損失，又帶來了巨大的環境污染風險。目前處理鋅浸出渣的主要方式有回轉窯揮發法、奧斯麥特爐還原熔煉揮發法、煙化爐揮發法等?；剞D窯處理鋅浸出渣，其工藝操作簡單，技術比較成熟，但是存在占地面積大、加工成本高、操作環境差、銀回收率低等缺點。奧斯麥特爐處理鋅浸出渣引進該技術費用過高，建設投資大。而煙化爐處理鋅浸出渣冷料存在床能率低等問題[1-4]。

針對以上工藝存在的問題，中國恩菲開發了側吹浸沒燃燒熔池熔煉處理鋅浸出渣工藝，采用側吹爐熔化+煙化爐煙化的工藝路線。鋅浸出渣和熔劑等物料經配料后先進入側吹熔化爐熔化，部分鉛鋅銀銦等有價金屬揮發進入煙塵加以回收。側吹熔化爐產出的熔化渣間斷排入煙化爐進一步回收鉛鋅銀銦等有價金屬，最后產出的爐渣為無害渣，水碎后可外售。

1 側吹浸沒燃燒熔池熔煉技術原理

側吹浸沒燃燒熔池熔煉技術是由中國恩菲工程技術有限公司開發的具有自主知識產權的一種強化熔池熔煉技術，其原理是通過側吹噴槍將富氧空氣和燃料以接近音速噴入熔池，富氧空氣和燃料在熔池內進行燃燒，直接提供熔池反應所需的能量，燃燒產生的氣體同時能夠攪動熔池，加快與周圍熔體的傳熱、傳質，完成爐料的加熱、熔化、反應等過程，特別適用于不發熱物料的處理[5]。其技術優勢如下：

(1)噴槍可直接向熔體內部輸送燃料，富氧濃度高，熱利用率高。側吹浸沒燃燒熔池熔煉工藝一般采用富氧熔煉，燃料及助燃富氧空氣噴人熔池內，在熔池內燃燒，傳質傳熱快，熱利用率高。

(2)噴槍壽命長，自動化水平高。經過精心設計的噴槍，氣體噴出速度快，對噴槍本身的冷卻效果好，同時燃燒燃料能夠遠離噴槍頭部，噴槍使用壽命達6個月以上，省去了傳統側吹爐頻繁的人工風口封堵操作，生產自動化水平高，改善了職工的生產勞動環境。

(3)煙塵率低。爐子煙氣出口直接與余熱鍋爐連接，尺寸大，煙氣流速低，有利于煙塵的沉降，大大降低了煙塵率。

(4)側吹熔化爐采用了合理的、先進的水冷技術，可保證爐子長期穩定、安全的運行，爐壽很長。

(5)側吹熔化爐爐體、噴槍都是固定的，沒有傳動部件，爐型簡單，維修工作量小，操作方便，相比其他方法，占地小投資低。

側吹浸沒燃燒熔池熔煉技術在處理鋅浸出渣方面的核心是側吹熔化爐。

2 側吹熔化爐的設計

為適應側吹熔化工藝，選用了長圓形爐床，噴槍以上爐膛逐漸擴大，并具有較高的爐膛高度，這樣的爐型有利于側墻噴吹，熔體攪拌均勻，氣流上升通暢，可減少噴濺粘結，爐膛內煙氣中可燃成分得以充分燃燒。側吹熔化爐的結構如圖1所示。主要部件有：底梁、爐殼、骨架、出煙口、水套冷卻系統、磚體、噴槍、水冷系統的檢測裝置等。

圖1 側吹熔化爐

2.1 底梁

側吹熔化爐采用架空爐底的方式，底梁采用型鋼焊接成“井”字的架空結構，如圖2所示。安裝時可采用爐底基礎二次灌漿的方式控制、保證底梁上表面的水平度，以此可保證爐體正確安裝和穩定性；此外，底梁是架空結構，爐底可以自然通風冷卻，必要時也可強制通風冷卻。

圖2 側吹熔化爐底梁

2.2 爐殼

側吹熔化爐需要有穩定的熱強度，需要爐子有比較穩固的鋼結構；側吹浸沒燃燒時在氣體流速太低時會發生反沖現象，如果是非密閉爐型，燃料和富氧空氣會泄露，達到一定的溫度就會著火，從而造成生產現場到處冒火，存在安全隱患，燃料在爐外燃燒沒有把熱量送到爐內造成能源浪費，為了避免此種事情發生，在熔池區及鼓泡區設計了整體密閉性爐殼，如圖3所示。將爐內充滿熔體以及熔體噴濺區形成一個密閉的空間，同時控制好噴槍的操作壓力，將燃料的燃燒控制在爐內熔體區，最大限度的利用能源，從而達到節能的目的。

圖3 側吹熔化爐整體密閉爐殼

2.3 骨架

側吹熔化爐在高度上比較高，屬于豎式爐，爐體本身有各種類型的水冷元件、耐材等需要支撐，單靠爐殼本身不足以支撐這些重量；另外生產中爐內還有高溫熔體的劇烈翻騰，會對設備本體產生強烈的沖擊，對爐子外圍骨架要求更高。在設計中外圍骨架采用立柱、圈梁、橫梁和拉桿的組合形式，立柱下端用地腳螺栓固定在土建基礎上，上部采用橫梁約束后用拉桿拉緊，在立柱和爐殼之間設計了多層圈梁，有效的分散了來自爐體的膨脹力，同時將來自爐體的膨脹力均勻的傳遞到立柱上進而傳遞到土建基礎上，如圖4所示。骨架是支撐爐體、防止爐體變形、保證爐體穩定性的部件，其結構的合理性、強度、剛度，都有充分的考慮。

圖4 側吹爐骨架

2.4 出煙口

出煙口較大，上部與余熱鍋爐對接，為保證出煙口壽命和安全，出煙口為銅板鉆孔水套內襯澆注料結構；出煙口裝置是獨立支撐于骨架上，不會對爐頂造成影響。

2.5 水套冷卻系統

用于處理鋅浸出渣的側吹熔化爐，通過噴槍向爐內輸送的氣體量比較大，爐內熔體的攪動比較劇烈，還加入大量的煤，爐子熱強度比較高，為保證爐子的使用壽命，單靠耐材襯里是不行的，為此根據爐內的不同部位工作條件，對耐材襯里設計了不同的冷卻裝置。整個熔體攪拌區及熔體噴濺區采用銅水套冷卻磚體；爐體上部煙氣中含有較多的CO，需在上部爐膛燃燒，爐內溫度很高，但不存在熔體沖刷的情況，因此采用了鋼板焊接水套冷卻磚體。合理配置水冷部件，既可以保證爐壽，也可以控制爐體的造價。

2.6 磚體

耐火材料的選型和磚體設計對于爐子的壽命至關重要，需要根據不同的處理原料和爐內狀況進行全面的分析和設計。爐底下層用高鋁磚墊底，然后用鎂鉻質搗打料起弧，上面再砌兩層抗侵蝕的優質鎂鉻磚；側墻全部采用水套內部襯耐火澆注料的形式；爐頂要承受爐內的高溫，還要保持爐子整體的密閉性，采用鋼纖維澆注料整體澆筑成形。

2.7 噴槍

噴槍是側吹浸沒燃燒技術的核心裝備，要通過噴槍向爐內輸送燃料和助燃空氣，燃料、富氧空氣噴進熔池進行富氧燃燒，噴槍設計的是否合理直接關系到側墻的使用壽命。燃料和富氧空氣從噴槍噴出后，在爐內高溫熔體中進行燃燒，由于采用富氧助燃，燃料的燃燒溫度很高，如果噴槍的噴出速度過低，燃料燃燒離側墻很近會直接燒爐墻，再加上高溫熔體的沖刷，側墻壽命受很大影響，因此要求噴槍具有較高的噴出速度，使燃料燃燒盡量遠離側墻，就要求氣體有一定壓力，根據計算要求氣源壓力≥0.4 MPa。噴槍為中國恩菲專利技術，能夠根據不同的工況要求進行設計，燃料可以是粉煤、天然氣、發生爐煤氣、柴油等。

2.8 水套檢測系統

實踐已經證明“水是最好的耐火材料”的觀點是有道理的。使用水套就存在水套被燒壞，漏水造成事故的隱患，所以安全使用水套必不可少。對制造好的水套進行相應的通球、氣密性和水壓試驗以及超聲波檢測，確保水套的制造質量，達到設計要求；在進水總管設置水壓和水溫檢測儀表，在各個水套的出水支管設置水溫檢測儀表，自動檢測并配合經常性的人工巡檢，嚴防事故發生，保證生產安全。

3 應用展望

側吹浸沒燃燒熔池熔煉技術已成功的應用于液態高鉛渣直接還原熔煉、鉛膏熔煉；目前已完成鋅浸出渣無害化和固體廢棄物無害化處理方面的設計；由于其浸沒燃燒直接在熔體中進行補熱的特點，該技術在處理二次鉛雜料、二次鋅雜料、銻精礦、銻氧塵、錫精礦及錫中礦、廢舊印刷電子線路板等不發熱物料方面具有廣闊的應用前景。