铅锌密闭鼓风炉熔炼卧式热风炉的开发研究

李 阳， 白 桦

(1.长沙电力职业技术学院， 湖南 长沙 410131； 2.长沙有色冶金设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410011)



设备及自动化

铅锌密闭鼓风炉熔炼卧式热风炉的开发研究

李 阳1， 白 桦2

(1.长沙电力职业技术学院， 湖南 长沙 410131； 2.长沙有色冶金设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410011)

密闭鼓风炉炼铅锌时需从风口鼓入900 ℃左右的热风，热风由立式热风炉提供。立式热风炉体积庞大，结构复杂，运行中不便检修维护。笔者开发设计出一种卧式热风炉，不仅体积相对小，运行过程中还可以对其中的某个箱体进行更换、清扫、维护，并且热效率高。

铅锌密闭鼓风炉； 卧式热风炉； 维护； 体积； 热效率

1 卧式热风炉设计的目的及思路

密闭鼓风炉熔炼铅锌物料时需从风口鼓入900 ℃左右的热风。目前，给密闭鼓风炉提供高温热风的普遍是立式热风炉，这种热风炉体积庞大、结构复杂、不便检修。例如10万t/a铅锌(其中，锌约6.8万t、铅约3.2万t)规模配套的热风炉，单个热风炉直径6 m多、总高约33 m，总重1 400多t。炉内蓄热体为格子砖，格子砖总蓄热面积约9 000 m2，格子砖的比表面积在30～40 m2/m3。对于15万t/a铅锌(其中，锌约10.3万t、铅约4.7万t)规模配套的热风炉，单个热风炉直径约7.7 m、总高42 m，格子砖总蓄热面积约15 000 m2。

笔者开发设计的卧式热风炉，采用蜂窝陶瓷蓄热体，这种蜂窝陶瓷蓄热体比表面积最高可达1 300 m2/m3，一般在700～800 m2/m3，是立式热风炉格子砖比表面积的20～37倍。如果这种卧式热风炉为10万t/a铅锌规模的工程配套，卧式热风炉蓄热室置放蓄热体的空腔横断面积设2 m×2 m，蓄热面积仍取9 000 m2，则蓄热室的轴向长度仅1.8～3 m。即使再加上陶瓷燃烧器、燃烧室、烟气排出室，总长度10 m左右。如果用卧式热风炉为15万t/a铅锌规模的工程配套，将蓄热室置放蓄热体的空腔横断面积设为2.5 m×2.5 m，蓄热面积取15 000 m2，则蓄热室的轴向长度仅需1.8～3 m，加上陶瓷燃烧器、燃烧室、烟气排出室，总长度10 m左右。

热风炉属于半直接式换热器，运行时炉内蓄热体反复受到热流体的加热和冷流体的冷却。立式热风炉内的格子砖通常由高铝质材料和粘土质材料制成，由于长时间反复冷热交替，格子砖会出现开裂。运行状态下立式热风炉中的格子砖的维护、检修、更换十分困难，生产企业通常是在格子砖损坏一定数量后停炉进行大修。

而卧式热风炉，当总蓄热面积及置放蓄热体的内空腔横断面积确定后，可比较容易地确定置放蓄热体内空腔的轴向长度并将蓄热室分为多个箱体。每个蓄热室箱体之间采用法兰连接，其中的一个蓄热室箱体能够很方便地拆下(同时将一个备用的蓄热室箱体换上)，维护、检修不需停炉。故卧式热风炉不会因为本体原因造成生产主流程停产。

在密闭鼓风炉炼铅锌实际生产中，热风炉的操作制度是“二烧一送”，一条密闭鼓风炉炼铅锌生产线配备3台热风炉，一台热风炉送风时，另两台处于燃烧期。这种操作制度使卧式热风炉更换蓄热室箱体可行，在短时间内实行“一烧一送”，更换完蓄热室箱体后，恢复“二烧一送”。

立式热风炉的排烟温度一般在300～360 ℃。有些企业在立式热风炉之后接一个热管换热器，对300～360 ℃的烟气进行余热回收，预热用于热风炉陶瓷燃烧器的低热值煤气和空气。加一个热管换热器不仅要增加投资外，而且热管换热器烟气温度波动不能过大，否则热管容易爆管(我国某铅锌冶炼厂就曾出现过热管换热器爆管现象)。因此，也有企业对立式热风炉排烟不设余热回收装置，直接通过烟囱排空。

卧式热风炉排烟温度在160～200 ℃，这是因为蜂窝陶瓷蓄热体的比表面积远远大于格子砖，蓄热放热速度快，时效性远优于格子砖。因此采用蜂窝陶瓷蓄热体的卧式热风炉比用格子砖作为蓄热体的立式热风炉热效率高。

蜂窝陶瓷蓄热体要达到高的比表面积，气体通道孔径一般在φ2.5～5 mm，较容易被烟气中的灰尘所污染或堵塞，影响换热效果，必须周期性地清理。而卧式热风炉既可以对蜂窝陶瓷蓄热体周期性清理，又不影响热风炉的运行。

2 卧式热风炉的结构和操作

2.1 卧式热风炉的结构

卧式热风炉由陶瓷燃烧器、燃烧室、蓄热室、烟气排出室构成，见图1。

1-陶瓷燃烧器; 2-燃烧室; 3-蓄热室; 4-烟气排出室; 5-尾气排出口; 6-阀门; 7-冷空气入口; 8-热风出口; 9-空气入口; 10-煤气入口图1 卧式热风炉结构示意图

2.1.1 陶瓷燃烧器

陶瓷燃烧器为圆筒形，外壳用钢板制作，一个煤气入口、一个助燃空气入口，煤气通道及空气通道都由耐火材料砌筑而成，煤气通道在内空气通道包裹在外，喷头端与燃烧室相连。

其内部结构与普通的套筒式钢结构煤气烧嘴相似，只是用耐火砖砌筑而成，能承受热风炉在送风期高温风的反灌。

2.1.2 燃烧室

燃烧室断面为方形，外壳为钢结构，内衬耐火材料。断面外形尺寸与其后的蓄热室断面外形尺寸相同，由耐火材料围成的内空腔断面也与其后的蓄热室耐火材料围成的内空腔断面大小一致，轴向长度依燃烧计算所需的燃烧空间而定。

燃烧室一端与陶瓷燃烧器相连，另一端为法兰结构与其后蓄热室相连。燃烧室的一个面上设有热风排出管，热风排出管上设有阀门(应采用水冷阀门)。

2.1.3 蓄热室

蓄热室断面为方形，外壳为钢结构，内衬耐火材料，在耐火材料构成的空腔内填满蜂窝陶瓷蓄热体。断面(长×宽)尺寸的确定包括外壳钢板厚度、所衬耐火材料厚度及填装蜂窝陶瓷蓄热体所需的内空腔横断面。

蓄热室耐火材料围成的内空腔横断面大小是在综合考虑燃烧烟气通过蜂窝陶瓷蓄热体时的流速及蓄热体的开孔率等因素后所确定。依计算所需的总蓄热面积，以及达到蓄热面积要求的蜂窝陶瓷蓄热体所形成的总体积，再分成多个蓄热室(至少2个以上)来确定每个蓄热室的长度。两端为法兰结构。

2.1.4 烟气排出室

烟气排出室断面为方形，断面外形尺寸与其前的蓄热室断面外形尺寸相同，前端为法兰结构与蓄热室相连。外壳为钢结构，内衬耐火材料(由于烟气排出室所承受的温度不高，用粘土质耐火材料砌筑即可)。耐火材料围成的内空腔断面与其前的蓄热室耐火材料围成的内空腔断面大小相同。烟气排出室的一个面上设冷空气入管，可以是烟气排出室朝上的一面或两侧面，依管道的走向配置而定，冷空气入管上设有阀门；一个面上(一般是沿轴向的端面)设尾气排出管，尾气排出管上同样设有阀门。烟气排出室的轴向长度不需太长，可以安装冷空气入管即可。

2.2 卧式热风炉的操作

煤气从煤气入口进入陶瓷燃烧器内的煤气通道，助燃空气从空气入口进入陶瓷燃烧器内的空气通道。煤气及助燃空气从陶瓷燃烧器喷出口喷出在燃烧室内燃烧。燃烧时燃烧室热风排出管上的阀门是关闭的。燃烧产生的高温烟气进入蓄热室，将蜂窝陶瓷蓄热体加热后进入烟气排出室，这时烟气排出室上的冷空气入管阀门关闭，尾气排出管阀门打开，烟气从尾气排出管排出。

当陶瓷燃烧器燃烧一段时间蜂窝陶瓷蓄热体被加热到预定的温度后，停止燃烧，打开燃烧室热风排出管上的阀门；同时关闭烟气排出室尾气排出管阀门，并打开冷空气入管上的阀门。

空气从冷空气入管进入烟气排出室(生产上称送风期)，逆向通过蓄热室被热态蜂窝陶瓷蓄热体加热，热空气从蓄热室流出进入燃烧室，从燃烧室上的热风排出管排出。

随着冷空气流过热态蜂窝陶瓷蓄热体，蜂窝陶瓷蓄热体的温度不断下降，当蜂窝陶瓷蓄热体温度降低到一定值(或者说当冷空气只能被加热到某一温度时)，停止冷空气的供给，开始新一轮陶瓷燃烧器的燃烧。

3 结语

本文提出将热风炉现有立式格子砖换热材料，代之以卧式蜂窝陶瓷换热材料，增加单位体积内的换热面积，从而总体尺寸大为缩小，易于更换和维护、操作。卧式热风炉与立式热风炉相比，体积小、热效率高、检修维护方便、投资省，值得推广应用。

光制氢技术新突破：纳米新技术让光制氢效率提高两倍

氢能被普遍认为是理想的绿色能源之一,通过光解水制氢的技术一直备受关注。倘若有一种神奇的催化剂，能够只依靠太阳光完全分解水，生成氢气和氧气，那么人类也许可以永远摆脱能源危机的阴影。然而，光解水制氢长期面临转化效率低、光催化剂稳定性差等难题，利用普通的光解水化学池来分解水的效率仅约2%。

最近，美国斯坦福大学材料科学与工程学院崔屹课题组设计出一种钙钛矿太阳能电池驱动的光解水复合体系，可使光解水制氢的转化效率达到6.2%，是利用普通方法转化效率的3倍。相关研究成果发表在近日出版的《科学进展》杂志上。

为提升光到氢燃料的转化效率，主要研究人员设计出一种全新的光催化剂纳米结构的电极，将光解水性能优越的钼掺杂的矾酸铋薄膜沉积于导电的纳米锥阵列上，从而使得基于纳米锥阵列的光解水电极具有较大的性能提升。

对比于传统的光解水电极的平面结构，纳米锥阵列结构的电极具有更好的光利用、电荷收集和限光特性。不仅如此，基于纳米锥阵列的光解水池在一天中的不同时间段都会有很好的光利用效果。

此外，为了使该性能大幅提升的光解水池能够在不需要外加电源的条件下独立工作，他们设计了一种利用太阳能电池来直接驱动光解水池的复合体系。该复合体系的太阳能电池是由目前已知的性能最为优越的钙钛矿材料组成。钙钛矿太阳能电池在吸收太阳光后输出的电可直接用来驱动光解水池分解水，从而使得光至氢的转化效率达到6.2%。

未来，利用该钙钛矿太阳能电池光解水池的复合体系，光到氢的能源转换效率有望提升到新高度，从而为获取绿色氢能源提供一个重要途径。

Development of horizontal hot-air furnace for lead-zinc imperial smelting furnace

LI Yang, BAI Hua

Hot air at a temperature of about 900 ℃ is required to be blown into the imperial smelting furnace for lead-zinc smelting, which is supplied by the vertical hot-air furnace. The vertical hot-air furnace features large volume and complicated structure and inconvenience for maintenance during operation. The author of the paper has developed a kind of horizontal hot-air furnace, which not only has smaller volume and higher heat efficiency, but also is convenient for replacing, cleaning and maintaining some of chambers during operation.

lead-zinc imperial smelting furnace; horizontal hot-air furnace; maintenance; volume; heat efficiency

李阳(1964—)，女，湖南长沙人，副教授，主要从事教学及课题项目的研发工作。

2015-09-17

TF812； TF813

B

1672-6103(2016)04-0042-03