铜浮渣反射炉水冷烟道设计

郝小红

（中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038）

1 概述

铜浮渣是炼铅过程中除铜的产物，一般采用火法工艺处理，铜浮渣与加入的苏打、铁屑、氧化铅、焦炭等在反射炉熔炼，生成冰铜与铅液，冰铜与铅液因比重不同而分层分别放出。

反射炉为火焰炉，炉膛温度～1 300℃，出炉烟气温度很高，在1 000～1 250℃。烟气含尘较高，其中含有PbO等有价金属，必须回收。传统的工艺配置中，烟道出口的烟气首先进入一人字形烟管，然后进入表面冷却器将温度降至150℃以下，最后进入布袋收尘。而表面冷却器换热系数低，设备庞大，占地面积大，投资大。

新设计的水冷烟道如图1所示，其由沉尘室、第一段水冷烟道、空气换热器及第二段水冷烟道组成，具有结构新颖、紧凑、冷却效果好、部分余热得到回收利用的特点。烟道出口烟气温度≤150℃，可直接进布袋收尘。采用这种设计的水冷烟道系统已在金德铅项目中投入使用，取得了令人满意的效果。

图1 水冷烟道结构图

2 水冷烟道设计

2.1 水冷烟道计算

2.1.1 水冷管结构

水冷管是水冷烟道的单元组件，数根管组成一排，整个烟道由多排水冷管构成，单个水冷管结构如图2所示。

图2 水冷管示意图

冷却水不断地流入中心管，在底部进入中心管与外管夹缝，再流到上面的溢流槽。内外管之间的缝隙，实际上形成了一个夹层水套。外管与烟气直接接触，烟气的热量通过外管壁传给流水，达到降低烟气温度的目的。这种水冷管，热水可自动溢流，其结构简单，便于操作、管理和维修。根据工艺条件：进入烟道的烟气量、烟气温度以及达到烟气温度≤150℃的要求，可以计算确定烟道的大小、烟道的长度，之后进行结构配置设计。

2.1.2 换热量计算

水冷烟道中，高温烟气以辐射和对流方式将热量传给管壁，而管壁则以导热、对流的方式将热量传给管内的冷却水，其换热量为：

F——传热面积，m2；

ΔtLM—对数平均温差。

其中：

式中：αi——烟气与管壁的换热系数

αc——管壁与冷却水的换热系数

Δt1——烟道进口处管内外流体温差，∘C；

Δt2——烟道出口处管内外流体温差，∘C；

αci、αri——分别为对流换热系数及辐射换热系

d——管内径，m；

u——烟气平均流速，m/s；

V——烟气的运动粘度，m/s；

Pr——普兰特准数；

tg——烟气绝对温度，K；

tw——烟道壁绝对温度，K；

εg——烟气黑度；

εg'——烟气在壁温下的黑度；

εw——烟道壁黑度。

2.1.3 总管长计算

总管长按下式计算：

式中：F——传热面积，m2；

L——换热管长度，m；

d——换热管外管直径，m。

2.1.4 冷却水量计算

冷却水量按下式计算：

式中：Q——烟气换热量，W；

C——水的比热，kJ/（kg·K）；

t1——水的进口温度，℃；

t2——水的出口温度，℃。

2.2 水冷烟道设计

烟道的主体包括：沉尘室、第一段水冷烟道、换热器及第二段水冷烟道。浮渣反射炉出炉的高温烟气温度为～1 200℃，带有大量烟尘的高温烟气从炉尾进入沉尘室，突然降速使得大颗粒烟尘沉降，然后进入一段水冷烟道。烟气经过第一段水冷烟道后，要求温度降至～700℃。～700℃的烟气进入空气换热器，将助燃风预热到～300℃，热风助燃可提高燃烧温度，提高熔化速度，降低能耗。出换热器的烟气经过二段水冷烟道温度降至150℃以下，直接进布袋收尘。

2.2.1 第一段水冷烟道

水冷烟道由水冷列管和溢流水槽组成，溢流水槽（槽钢）支撑于两侧砖体之上。水管与槽钢焊接，各槽钢之间采用螺栓连接成整体，槽钢一端开有方孔，溢流水由此进入回水槽，见图3。

根据热平衡计算，确定第一段烟道冷却水带走的热量。根据上述公式计算出换热面积，而后算出换热管根数，并确定冷却水管的排列方式。

每个水冷管单独供水，水来自供水总管。各水管的水量要及时调节，保持平衡，否则易引起各支路水流不均，温升偏差过大，甚至产生局部过热等现象。

图3 水冷管布置图

2.2.2 空气换热器

烟气经过第一段水冷管后温度降至700℃左右，然后进入换热器，将空气温度预热到～300℃。特殊设计的列管旋流式换热器，具有结构简单、密封性好、便于制造、换热系数高、空气阻力小、烟尘粘结少易清理等优点。

换热器产生的热风送到反射炉炉头作为煤或油的助燃风，热风助燃可提高燃烧温度，维持火焰稳定，降低燃料消耗。

换热器放在烟道的中间段比较合适，因为前段烟气温度太高，影响换热器寿命；而后段烟气温度低，换热系数太小，换热面积太大，换热器结构庞大。

2.2.3 第二段水冷烟道

烟气经过换热器温度降到～540℃，再通过第二段水冷烟道将温度降至150℃，直接进布袋收尘。第二段水冷烟道结构与第一段相同，计算与第一段烟道类似。由于烟气温度低，所以此段换热系数相比较小。

3 投产情况及改进

3.1 投产情况

第一台水冷烟道安装于15 m2浮渣反射炉，并已投产。反射炉烟气量4 000 m3/h，烟气温度1 200℃，助燃风量3 000 m3/h，助燃风预热温度～250℃，按照上述条件及思路设计的烟道全长12 360 mm，反射炉与烟道之间的沉尘室间距约1 500 mm，第一段水冷器长2 560 mm，第二段水冷器长3 830 mm。

反射炉投入运行后，第一段水冷管粘结严重，严重时中间换热器也出现粘结现象，致使第二段水冷器出口烟气温度～400℃，远远高于150℃的要求，导致烟气不能直接进布袋收尘。烟道前段烟尘粘结严重，需要频繁清理才能正常操作运行。根据实际情况，在第二段水冷管后增加了一表面冷却器，烟气温度降至150℃后再进布袋收尘。

3.2 烟道改进

从第一座水冷烟道的投产使用情况看，这种冷却方式是可行的，但其也暴露出一些问题，原因是对烟气温度、烟尘性质认识不足，实际中反射炉烟气温度比较高，含尘量大，烟尘中的铅、锌熔点低，大量低熔点烟尘会很快将烟道粘结、堵塞，并且缺乏有效的清理手段，给操作带来不便。

针对反射炉及烟道投产后出现的问题，进行了如下改进：

（1）反射炉烧嘴与水平夹角增大，避免燃烧火焰直吹出烟口，减少烟气夹带的烟尘量。

（2）加高水平烟道，同时增加沉尘室长度，加大沉尘室，使烟尘得以沉淀。

改进后烟道运行状况良好，不需要操作工频繁清理一段和二段水冷管以及中间换热管，大大降低了操作工作量，保证了生产的正常运行。

4 结语

全新设计的水冷烟道结构新颖简单、实用可靠，实际使用效果令人满意。针对发生的问题又进行了改进，使之更加完善。已有多台反射炉即将采用这种水冷烟道，相信会有更好的效果。

[1]《有色冶金炉设计手册》编委会.有色冶金炉设计手册[M].北京:冶金工业出版社，2004.

[2]《重有色金属冶炼设计手册》编委会.重有色金属冶炼设计手册·铅锌铋卷[M].北京:冶金工业出版社，1995.