富氧顶吹镍熔炼烟气单质硫析出的原因及对策

林 泉，姜德权，邵德刚，贾宏杰，张海龙，王 奎

（金川集团股份有限公司，甘肃金昌 737100）

JAE富氧顶吹熔炼工艺是一种基于物料中硫化物、金属组分、氧化铁与氧发生反应的高强度熔池熔炼系统。其主要过程包括进料熔解、能量传递、化学反应及燃烧，这些过程都在熔渣层中进行。该工艺处理的原料是杂质含量高[w(MgO)＞10%]、低品位铜镍[w(Ni)在6%]混合精矿[1]。精矿经干燥、制粒、配料后从镍熔炼炉顶部进入，在熔池中与喷枪提供的富氧充分反应，产出烟气、烟尘、低镍锍和炉渣等产物。富氧顶吹镍熔炼时产生的含SO2烟气经余热锅炉冷却及电收尘器收尘后，送制酸系统。JAE富氧顶吹熔炼工艺具有物料适应性强、反应速度快、处理能力大、烟尘产率低、环境保护好、动力耗能小等特点[2]。

冶炼烟气制酸系统利用冶炼生产过程中产生的二氧化硫烟气生产硫酸，是冶炼系统产业链中不可或缺的部分。某公司镍熔炼烟气中单质硫含量过高，严重影响制酸系统的工艺指标，造成了部分重要设备的损坏，甚至引起设备、工艺事故。制酸系统电除雾器、干燥塔、风机叶轮均有不同程度的积硫，导致除雾效率下降，干燥塔、转化器压降逐步增大，风机叶轮振幅增加，系统被迫停车检修。电除雾器积硫情况见图1，风机叶轮积硫情况见图2。

图1 电除雾器积硫情况

图2 风机叶轮积硫情况

为避免制酸烟气析出单质硫带来的严重影响，该公司组织冶炼、制酸系统技术人员进行联合攻关，找出单质硫析出的原因，并确定改善措施，为有色冶炼行业冶炼烟气中单质硫的有效控制提供了新的思路。

1 单质硫析出原因分析

根据制酸系统设备内积硫现象，技术人员分析认为，积硫的主要原因是冶炼富氧顶吹镍熔炼炉还原气氛过强，物料氧化不充分，部分硫元素以单质形式进入冶炼烟气。烟气中大量气态单质硫在制酸系统净化、干吸工序洗涤、冷却过程中形成固态单质硫，并在设备内部大量沉积和富集。造成富氧顶吹镍熔炼炉还原气氛过强、产生单质硫的原因有以下3点：

1）操作不稳定或块煤加入量过大。在含镍的硫化矿火法冶炼过程中，操作温度在1 000～1 300℃，操作不稳定或块煤加入量过大会造成炉内还原气氛过强，入炉物料中的硫化物未完全氧化成二氧化硫，硫元素以单质形式进入烟气系统[3]。

2）物料反应不充分。从富氧顶吹镍熔炼炉反应区域分布位置可以看出，喷枪位置在炉体中心，炉料进入熔池距喷枪位置仍有一段距离。靠近中心位置的物料迅速完成加热、熔化、氧化、造镍锍和造渣的熔炼过程；部分物料出现过氧化，部分物料在熔池内高温缺氧条件下熔化。这时，精矿中高价硫化物在高温低氧环境下分解产生单质硫。富氧顶吹镍熔炼炉反应区域示意见图3。

3）为控制顶吹炉炉渣中磁性铁含量，根据磁铁量配入相应的二次煤。煤在炉膛内的二次燃烧区及以上部位燃烧。由于该区域氧量不足，煤在炉膛内形成大量的高温CO气体。高温CO气体将部分SO2还原成单质硫[4]，化学反应方程式如下：

SO2+ CO→ CO2+ 1/2S2

2 单质硫析出控制措施

2.1 喷枪套筒风内配氧

通过喷枪套筒风内合理配氧，控制残氧量，可有效解决单质硫的析出[5]。喷枪的主要作用是将工艺反应需要的空气、氧气和燃料输送到反应区内参与反应，在输送的同时强烈搅拌熔池内的熔渣，使加入熔池内的物料和熔渣充分混合，为反应提供必要的动力学条件。喷枪结构中套筒风的作用是对喷枪外壁进行充分冷却，飞溅物遇冷形成挂渣，在炉内恶劣环境中利用固化的渣层保护喷枪，延长喷枪的使用寿命；同时，套筒风在二次燃烧区内完成对挥发物和喷溅可燃物的二次燃烧。喷枪结构示意见图4。

技术人员利用富氧顶吹镍熔炼主厂房▽21.75 m平面上的原有φ720 mm氧气管道，新引出1条氧气管道，延伸至镍熔炼主厂房C柱线处垂直向上敷设，最后敷设到▽46.00 m南侧套筒风管与金属软管的连接处，斜插并入氧气管。纯氧经新敷设的φ219 mm×6 mm氧气管道通过金属软管及喷枪喷入顶吹炉。在新敷设的φ219 mm×6 mm氧气管道上安装调节阀、流量计、压力变送器等检测仪表，通过DCS系统完成余热锅炉出口烟气中的氧气分析。通过调节套筒风量及配氧量，将余热锅炉出口烟气中φ(O2)控制在3%～8%。套筒风配氧管道敷设示意见图5。

图4 喷枪结构示意

图5 套筒风配氧管道敷设示意

2.2 优化控制烟气中残氧量

根据富氧顶吹镍熔炼工艺投料量，技术人员对比余热锅炉出口烟气管道上的氧气分析仪数据，利用DCS系统调节喷枪和套筒风配氧量，将烟气中φ(O2)控制在3%～8%，使硫化物在进入余热锅炉前充分燃烧成SO2，彻底消除单质硫的析出。同时，对DCS系统控制程序进行部分修改，增加套筒风管道内风压联锁控制。当套筒风管道内风压低于0.013 MPa时，新敷设氧气管道上的紧急切断阀自动切断输送的氧气，同时利用套筒工艺风多次、间歇对筒风管道进行全面吹扫，保证套筒风管道内配氧安全。

2.3 实际效果

通过喷枪套筒风内合理配氧，对DCS系统控制程序进行部分修改，增加套筒风管道内风压联锁控制，控制残氧量，经多次测试使余热锅炉出口烟气中φ(O2)控制在3%～8%，彻底解决了在硫酸系统出现单体硫造成的喷淋塔喷头堵塞，冷却塔板式换热器堵塞，两级电除雾极线、底部气流分布板单体硫堆积等问题，多年来制酸系统运行正常。

3 结语

富氧顶吹镍熔炼工艺是一种新型的火法冶金技术，适用于处理多种复杂成分的镍原料，可实现不同投料量的熔池熔炼工艺的灵活控制。技术人员对喷枪套筒风进行合理配氧，提高了喷枪套筒富氧风的流速。喷枪套筒富氧风在富氧顶吹镍熔炼炉的二次燃烧区内，完成了对挥发物和喷溅可燃物的二次燃烧，使硫化物中硫元素在进入余热锅炉前充分燃烧成SO2，消除了单质硫的形成，延长了喷枪使用寿命，提高了富氧顶吹镍熔炼炉的作业率。