30 m2铋熔炼炉烟气净化技术研究

熊跃辉

(湖南有色冶金劳动保护研究院,湖南长沙 410014)

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30 m2铋熔炼炉烟气净化技术研究

熊跃辉

(湖南有色冶金劳动保护研究院,湖南长沙 410014)

30 m2铋熔炼炉是目前世界上规模最大的粗铋生产装备,文章从分析10 m2铋反射炉烟气净化技术现状入手,探讨了目前铋熔炼烟尘净化回收技术上存在的一些问题,结合铋熔炼炉烟尘净化回收技术动向分析,开创性提出了30 m2铋熔炼炉烟气净化技术新方法,技术实施后取得了很好的效果,为大型铋熔炼炉烟气净化领域探索出新的技术路线。

30 m2铋熔炼炉;烟气净化;四状态清灰;预附层

湖南柿竹园有色金属责任公司现有铋冶炼反射炉两座,年产精铋700 t,目前反射炉炉床面积均为10 m2。对于铋的熔炼过程一般分为粗炼和精炼两个部分,反射炉熔炼属火法粗炼过程,原料主要采用从钨、钼共生的辉铋矿、铋华等矿源中用选矿方法分离得到的铋精矿。该公司采用的反射炉熔炼技术为沉淀熔炼法,熔炼时将加入足够的铁屑和适量的溶剂及还原剂,在高温下铁屑将硫化铋精矿中的铋置换出来。

熔炼过程分为装料、熔化、放渣、造铜锍、放铜锍、降温、放铋等七个时段,每炉熔炼总作业时间一般为16～18 h,所产出的粗铋品位较高,含铋达90%～98%。

针对这种火法熔炼工艺,其生产中将产生一定量的烟尘类比分析认为其烟尘量将占产出物的5%～9%,若对这部分烟尘不进行有效的收集和回收,将影响铋熔炼的金属回收率,同时也会造成内外环境的污染。

1 现有铋熔炼烟尘回收系统存在技术问题分析

通过对柿竹园有色金属责任公司铋熔炼反射炉烟尘回收系统的技术现状调查,结合国内同类企业铋熔炼反射炉烟尘回收技术的类比,研究认为,目前该公司铋熔炼反射炉烟尘回收系统存在的主要技术问题如下:

1.烟气冷却系统配置达不到降温要求。烟气温度波动大,极易出现布袋损伤,从而造成有价物料外排状况严重。针对处理冶金炉窑的烟气收尘系统而言,由于熔炼过程产生的烟气温度大都高于1 000℃,而目前采用的主要净化设施一般是袋式除尘器,由于袋式除尘器所采用的滤料其耐温性能有限,这样一来,熔炼炉窑产生的高温烟气必须经降温处理后才能进入袋式除尘器。在铋反射炉熔炼过程中其炉尾烟气最高将达1 200～1 250℃,类比调查中10 m2铋熔炼反射炉所产生的工况烟气量为11 000 m3/h左右,而使用的袋式除尘器所能耐受的温度不大于120℃,由此要将11 000 m3/h的烟气量从1 250℃降到120℃以下,理论计算表明,所采用空气表面冷却方式其冷却面积将需要670 m2,而该公司现有表面冷却器的冷却面积仅为136 m2,这显然难以达到理想的降温效果,另外就现有的冷却器结构而言,采用的是Φ600的冷却管,烟气在管内流速极低,其管内内膜换热系数也不能达到设计要求,在这种冷却效果达不到要求的情况下,主收尘设备的布袋是极易烧坏,为此厂方在表面冷却器下部加设冷却水槽,实际上也不能达到有组织冷却要求。据厂方提供的数据和现场调研表明,由于袋式除尘器的破损,每年从布袋收尘器出口至烟囱之间的水平砖砌烟道中清理出的外溢烟尘在4 t以上,据此推算该系统每年外排烟尘大约在20 t以上,造成了有价物料的大量流失。

2.系统负压段内砖砌烟道过多,其漏风严重,造成系统的有效风量率低,在目前有组织冷却降温达不到要求的状况下,砖砌烟道的无组织冷渗风在参与冷却降温,给系统的经济运行带来不利影响。从该系统的整体观察不难发现,烟气从反射炉出来进入砖砌水平烟道,在冷却器低部也是砖砌烟道,冷却器出口至袋式收尘器入口是一段长距离的水平砖砌烟道。初步测算:该烟气系统的负压段内砖砌烟道的总表面达230 m2以上,由于烟道内为负压或微负压,按砖砌体冷渗风面积系数1‰测算,该系统的烟道上等于开了一个0.23 m2的孔,相当于掺冷风口,这种无组织的掺冷风虽然起到帮助烟气降温的效果,但它对系统的有效排烟造成不良后果,炉子出口负压难于保障,排烟尘所需的有效风达不到设计要求,若要保证炉子排烟正常就必须加大引风机的出力,增加无谓的动力消耗。

3.主体收尘设备技术滞后,设施的工业化程度低,工人管理、操作、维护劳动强度大,无法达到高效、连续低能耗运行的要求。为考察收尘系统收集烟尘对袋式除尘器的适应性,对主收尘设备收下的烟尘进行了取样分析,因为烟尘的物理特性参数关系到收尘装置的选型及系统的整体配置,如烟尘分散度高、粘性大时采用袋式收尘器就必须严格考虑滤袋材质和清灰方法,本次测试就该公司铋反射炉粉尘的真比重、堆比重、安息角、分散度等几项参数进行了检测,测定结果列于表1、表2。粉尘样品取自袋式收尘器灰仓内的积尘。

表1 铋反射炉熔炼烟尘的特性参数

表2 铋反射炉烟尘分散度 %

从检测的结果分析,该烟尘回收系统采用袋式除尘器是可行的,但该系统中现采用的主收尘设备由于技术滞后,设计应用了480 m2简易布袋收尘室。其外壳体为砖砌结构,布袋为内滤圆袋,清灰方式为人工敲打,卸灰为人工扫灰,这种结构的袋式除尘器设备密封性差,漏风率高达15%以上,占地面积大,运行稳定性差,无法保障正常的清灰再生,给系统的整体运行造成非常不利的影响。工人管理、操作、维护的劳动强度大,达不到袋式除尘器高效、连续、低能耗运行的要求。

2 铋熔炼烟尘回收技术的动向分析

铋熔炼反射炉属冶金炉窑的一种,现在对冶金炉窑的烟气净化技术方面:一是须对烟气进行冷却降温,另一个是应用袋式收尘器的适应性。这两个方面的技术趋向决定了铋熔炼烟尘回收技术动向。

2.1 烟气冷却降温技术方面

由于铋熔炼炉炉尾烟气温度较高,而净化收尘设备的滤袋材料耐温性能局限,这样超过织物可耐温度的高温烟气在进入过滤器之前,一般都要进行冷却(保持在露点之上)。以便滤袋能够安全使用,同时可以减少需要的过滤织物面积,这是因为高温时不但气体的实际体积大,而且滤袋的压力损失会增加,若要保持同样的压力损失就得降低过滤速度,因而需要的过滤面积会大大增多,因此烟气冷却降温技术在冶金炉窑烟气净化系统中是一重要组成部分。

目前在高温烟气冷却方式上基本可分为两大类,即间接冷却和直接冷却。

间接冷却方式是不改变原来烟气标准状态的流量及其成分。利用辐射,对流和传导进行热交换,从而降低烟气温度。属于这种冷却方式的主要设施有:自然风冷风管、风冷套管、水冷套管、喷淋间接冷却塔、粗除尘器水套冷却、热交换器(余热锅炉)和热管换热器等,其冷却介质有空气和水两种,水冷式传热系数大,设备和运行费用较低,故一般优先采用,其不足之处是存在结水垢问题。而风冷式的优点是不用水,其缺点是传热系数小、耗钢量大、设备和运行费用较高,故为辅助采用。

直接冷却又分为蒸发(喷水冷却)和掺冷风,直接喷雾冷却是烟道内将水喷成雾状,水在高温烟气中蒸发而吸热,从而降低烟气的温度,其优点是:设备费低、占空间小、能严格地迅速控制烟气温度,同时喷雾能洗涤部分烟尘和有害气体。但其缺点是:可能蒸发不完全,以致造成后部过滤器受潮或腐蚀,增加了低于露点的危险性,还可能造成被过滤的气体体积增加。对于掺冷风冷却,它是将冷空气直接掺入高温烟气中,经混合后使烟气温度降低,这种方法简单可靠,但当烟气温度较高时,所需掺入的空气量很大,整个排烟净化系统相应扩大,经济性差。所以这种方法一般用于烟气温度低于300℃的系统,或者在设备有冷却器降温仍不能达到要求时,作为一种辅助的冷却措施来采用。

随着技术的发展,国外近年研究了正交冷却器,它是利用低温移动钢球和烟气正交直接换热。其冷却效率高,但结构比较复杂,目前还未广泛应用。该技术对大型炉窑其烟气量大,烟气热利用价值高,余热锅炉的应用取得了好的效果。热管利用方面也取得了新的进展,利用热管加热空气作为炉窑的进风,提高了生产设备的热能利用率。

2.2 袋式收尘器方面

袋式收尘器由于其高效率,运行稳定而被广泛应用于工业烟尘净化工程中。袋式除尘器经历了人工敲打、机械抖动、脉冲清灰、反吹风清灰型式后,随着现代化工业的发展,目前应用较好的清灰方式是脉冲和反吹风,特别是在大型布袋除尘器中,反吹风布袋除尘器显示出它的独特优点,得到了广泛应用。

国内外工业发达国家,早已将大型反吹风布袋除尘器应用于各生产实践中,特别是近年来无论是在滤布新型材质的研究上,或是在特殊粉尘的清灰再生技术方面,以及在设备的操作控制自动化技术上都取得了长足的进步,并已形成了许多专业化定型设备生产。

特别值得一提的是日本在战后的十五年内,主要是发展工业生产,上世纪60年代以后随着工业化大发展,环境污染成为突出问题。因此,日本开始从美国西欧等国引进了各种除尘器的技术和专利进行应用和研究,近年来在发展大型反吹风袋式除尘器方面有新的进展。

我国上世纪50年代的除尘设备主要采用旋风和湿式除尘,在高温烟气净化方面也有采用电收尘器的,当时应用的袋式除尘器主要是简易袋房和仿苏的机械抖动逆气流清灰型袋式除尘器。主要应用在有色冶金、水泥、耐火材料等工业方面。进入七十年代国内曾大力发展了一个时期的脉冲袋式除尘器,经过国内有关单位的协作,使脉冲袋式除尘器在常温小型化应用方面迅速推开,由于我国在当时技术条件下脉冲阀元件技术和气源技术方面存在差距,使得这一技术出现较大的问题,各应用的脉冲袋式除尘器几乎处于停用状态。尔后自从上海宝钢建设以来,从国外引进了大量的反吹风袋式除尘器,这种技术的引进,对大型除尘系统的应用显示了巨大的优越性,目前国内在碳黑、水泥、冶金、有色冶炼等领域均大量采用反吹风袋式除尘器。近几年国内又开始研究应用长袋低压脉冲袋式除尘器,应用了直通脉冲阀技术,气源压力要求也低,耗量不高,这一技术极大地扩展了袋式除尘器的应用面,尽管脉冲喷吹袋式除尘器具有过滤风速高,可以在工作状态下进行清灰等优点,但在工业应用中由于脉冲喷吹袋式除尘器的膜片、脉冲阀、电磁阀数量多,故障点多,需要经常维修,对于袋式除尘器而言反吹风袋式除尘器却相应比较简单,使设备的维护量大大减小,容易保障袋式除尘器的连续正常运行,尤其是大型反吹风布袋除尘器显示出它的耐用优越性。

通过近几年的努力,国内外在大布袋反吹风清灰除尘技术方面取得了一些成果,并在冶金炉窑烟气净化领域取得了新的突破,特别是在处理高粘性、高分散性粉尘方面、大布袋除尘技术的四状态清灰方法应用达到了很好的效果。

3 铋熔炼炉烟尘回收提高技术方案的提出

根据柿竹园有色金属责任公司铋熔炼反射炉烟尘回收系统的技术现状,考虑到扩产的需要,同时结合国内同类生产设施的成功经验,参考公司对烟尘回收提高技术的具体要求,本技术方案的基本原则是:(1)方案先进合理,可行;(2)系统布局合理,便于生产维护管理;(3)技术方案实施后必须达到长期安全运行的要求;(4)经济性优越。因此新的技术方案整体的技术路线为:从反射炉出来的烟气用砖烟道引至表面淋水冷却器,然后用钢管送入空气表面冷却器,两级降温后烟气最高温度低于120℃,此含尘烟气进入多层隔板的沉降室,同时考虑铋熔炼炉的烘炉要求,加之燃烧系统的运行特性,在技术上采用了WMB碎矿粉料添加系统进行预涂层处理,之后的烟气进入多状态清灰袋式除尘器,最后由引风机排入主烟囱。技术方案系统如图1所示。

图1 铋反射烟尘回收系统配置

这套新的技术方案的技术要点如下:

1.考虑到熔炼炉规模扩大的要求,确定拟定反射炉容量扩大至30 m2,这样所产生的烟气量将大大增加,由此新的烟气系统的烟气降温要求更高,采用在烟气的高温段(即炉尾出口处)设置表面淋水冷却器,其目的是强化烟气的降温效果,减小冷却设备的耗钢量和设备的占地面积,其降温要求是表面淋水冷却器出口温度小于300℃,设备冷却面积为210 m2。

2.由于空气冷却的传热系数低,大致为淋水冷却的三分之一左右,但烟气的冷却是一个充分均匀的传导过程,本技术方案采用在淋水冷却后设置长距离空气冷却管来进一步降温,空气冷却器为并列Φ400的冷却管,总冷却面积达600 m2,其出口温度控制为小于120℃。

3.带多隔板沉降室在系统中的作用。一般情况下,袋式收尘器的出口浓度并不受入口浓度波动的影响,即使在处理高含尘浓度的气体时,也能使排出口含尘浓度降到允许的浓度范围之内,因此,在采用以袋式收尘器为主体的烟尘收集系统中,使用预收尘器的目的并不是为了强行降低袋式收尘器的出口含尘浓度,而主要目的是为防止袋式收尘器的磨损,减轻袋式收尘器的运行负荷,同时对带有大量的大颗粒烟尘进行有效的收集,提高整个系统运行的可靠性,本技术方案中,采用带多垂直挡板的沉降室,其结构简单,阻力损失较低,收尘效率达40%左右,其收尘断面风速控制在0.5 m/s以下。

4.主收尘设备——四状态清灰袋式除尘器。四状态清灰袋式除尘器是近年研究开发的高效低阻除尘设备,采用长袋技术设备,占地面积小,清灰方式为四状态反吹风技术,特别适宜有色冶炼炉窑烟尘,其滤料采用F729材料已成功应用于高粘性粉料净化工程中,滤袋寿命长,粉体剥离效果好,设备运行过滤风速为0.5～0.8 m/min,运行阻力800～1 000 Pa,本方案中按扩产1 600 t/a后烟气量配置,四状态清灰袋式除尘器过滤面积为1 500 m2。

综合考虑各方面因素,按改造成30 m2铋熔炼炉测算,新的技术方案下烟尘回收系统设备配置列于表3。

表3 30 m2铋反射炉烟尘系统设备

4 应用效果

30 m2铋熔炼炉烟尘回收在新的技术方案实施后,系统总收尘效率大于99.5%,外排烟尘浓度小于50 mg/m3,系统运行实际工况参数列于表4。

表4 系统运行实际参数

系统连续运行表明:系统能在高效、低能耗的状况下连续运行,同时对生产企业的金属回收率将带来显著的提高,具有直接的经济效益,而且还将带来十分可观的社会效益。

Research on 30 m2Bi Melting Furnace Flue G as Purification Technology

XIONG Yue-hui
(Hunan Research Institute of Nonferrous Metallurgy L abor Protection,Changsha410014,China)

The 30 m2Bi Melting furnace is the world’s largest crude bismuth production equipment.From the sta-tus analysis of the 10 m2Bi reverberatory furnace flue gas purification technology,the text has explored some problems which existed in the current smoke purification and recovery of Bi smelting technology,and combining with the technology trends analysis,it has presented the groundbreaking new methods for 30 m2bismuth melting furnace flue gas purification technology.The technology has gained good results after implementation,which explores new routes for large-scale Bi melting furnace flue gas purification.

30 m2bismuth melting furnace;gas purification;four state deashing;pre-attached layer

T701.2

A

1003-5540(2011)03-0043-05

熊跃辉(1962-),男,高级工程师,主要从事工厂净化收尘技术研究工作。

2011-04-10