粉煤在铅侧吹还原炉生产实践中的运用

2021-08-01何勇毅

中国金属通报 2021年3期

杨伟，何勇毅

（云南驰宏锌锗股份有限公司矿冶研究院，云南曲靖 655000）

在国内能源消费结构中，煤炭作为其中规模最大的化石能源类型，怎样“清洁、高效、安全”的使用煤炭是传统冶炼行业亟待解决的问题。粉煤是原煤经球磨机磨制成200 目以下的细粉制成的，即便粉煤在使用过程中伴随着一定的问题，但其优越的燃烧性质依旧是众多冶炼企业选择煤炭用于燃料的主要因素。所以，做好粉煤开发利用，是提升能源利用率、合理控制环境污染等的主要方式[1]。

云南驰宏锌锗股份有限公司在这些年发展中，在全国范围内逐渐形成三大铅锌冶炼基地，分别为“呼伦贝尔驰宏矿业、曲靖资源综合利用、会泽冶炼”。三大铅锌冶炼基地粗铅冶炼系统生产均以“富氧顶吹熔炼-液态铅渣侧吹还原”炼铅工艺为主。其中呼伦贝尔驰宏矿业与曲靖资源综合利用、会泽冶炼粗铅冶炼系统所使用的燃料上存在较大的差异，呼伦贝尔驰宏矿业铅系统富氧顶吹熔炼炉及侧吹还原炉均使用粉煤作为燃料。侧吹还原炉用于处理上游富氧顶吹熔炼炉产出的液态富铅渣，产出粗铅及还原渣，还原渣放入下游烟化炉，烟化挥发回收各种有价金属。呼伦贝尔驰宏矿业侧吹还原炉整体呈矩形状，炉体两侧设有25 个一次风嘴及4 支粉煤喷枪，炉身采用整体铜水套设计，炉缸区域、炉底、虹吸道用铝铬质耐火砖进行砌筑形成一个整体。

1 粉煤在呼伦贝尔驰宏矿业的使用情况

呼伦贝尔驰宏矿业侧吹还原炉使用粉煤快1 年，从粉煤在冶炼过程中的使用情况来看，主要是为冶炼过程提供足够的反应热，并不参与粗铅冶炼过程的还原反应。

1.1 粉煤作为燃料为冶炼过程提供熔池反应热

从成分结构上看，粉煤的组成元素主要包括灰分、固定碳、以及氮、硫或其它元素。呼伦贝尔驰宏矿业侧吹还原炉使用的粉煤主要成分见表1。

表1 呼伦贝尔驰宏矿业粉煤主要成分

粉煤经特制的喷枪由粉煤输送系统强制送入炉内，在氧势过剩的条件下，粉煤全部燃烧，为熔炼提供充足的反应热，不参与熔炼过程中炉内的还原反应。其主要反应方程式如下：

1.2 侧吹熔炼还原炉熔池运动状态

侧吹还原炉熔池的运动状态是由特制的喷枪强制鼓入炉内的燃料、氧气、氮气及其他气体的共同作用的结果。燃料、气体射流由特制的喷枪喷射出后，沿射流的正前方向熔池扩散，该工况状态下射流四周的高温熔融渣、半熔融的冷料沿射流束流来。射流速度越大渣、半熔融液流向射流的运动速度也就越大。射流带动高温熔体向喷枪出口四周扩散运动，高温熔体的阻力衰减射流的动能，减缓射流向炉内四周扩散，在相互运动的过程中高温熔体完成传热、传质发生物理化学反应。此时，射流依旧保持着气柱或火舌的形状，当达到一定高度后，在主射流的顶端发生气相与液相的交融混合，进而形成气泡不断的向熔池液面扩展。气体上升到熔池表面，就会溢出，高温熔融液体流向四周产生回流，促使熔池内的高温熔融液体进行往复循环流动。此过程往复循环，使氧气及其他助燃气体促使粉煤剧烈燃烧将热量传递给熔池，保证熔池足够的反应热。侧吹还原炉熔炼的熔池运动状态有别于顶吹、底吹炉熔炼过程的熔池运动状态及高温熔体的流动特征，侧吹还原熔炼热循环自喷枪及风嘴侧向熔池中心传递，气流束使熔池得到更充分的搅动动能，具有更为良好的传热、传质，鼓入的气体及燃料利用效率更为高效[2]。

侧吹还原熔炼期间，应用的主要设备便是侧吹还原炉。其中关键技术是还原炉喷枪。

1.3 侧吹还原炉粉煤喷枪的工作原理

还原炉喷枪开发使用近10 年的时间内，其理论研究的资料相对少，以下借鉴公司内部其他侧吹还原炉喷枪的基本原理，对侧吹还原炉粉煤喷枪进行初步分析。

1.3.1 喷枪出口的结瘤

在喷枪内，助燃气体以及粉煤在其中具有较高的流速，内部停留时间有限，不超过1/100s，流量大、受热比表面积小，因此其单位质量气体与其周围环境的热交换可忽略不计，故而气体在喷枪内的高速流动是绝热的。当喷枪内的气体及粉煤流速越快，气体的温度随之降低，尤其是当流速达到170m/s 以上时，温度降幅较快，故而气体对喷枪出口产生冷却的作用。由于高速气体的冷却，当喷枪出口与铜水套温度低于高温熔体固化温度，高温熔体同喷枪出口端部接触，高温熔体开始固化，结瘤生成，致使喷枪出口逐渐堵塞，该情况对喷枪整体运行不利。

经还原炉粉煤喷枪供入炉内的为粉煤、高纯氧气以及氮气，入炉瞬间氧气与粉煤发生剧烈燃烧放出大量的热，较高的温度及高速喷出的气体及燃料使其喷枪出口处不结瘤，结瘤存在于还原炉一次风嘴出口处。根据公司内其他侧吹还原炉喷枪使用情况得出，在喷枪出口的外围高速喷出的氧气或者其他惰性气体，不仅能够对喷枪出口进行强制的冷却，同时也能够在喷枪出口位置之后，也能够产生惰性气体或者氧气遮护，能够对高温熔体以及氧气之间的接触起初阻隔效果，对喷枪起到保护的作用，避免高温熔渣出现侵蚀、烧损喷枪，增加喷枪使用年限。不过起到的保护作用效果有限，结合结瘤必要条件，运用氧气、氮气、压缩空气对喷枪出口、一次风嘴出口进行强制冷却，包括增加氧气、氮气、压缩空气流量，以及从喷枪中供入一定量的水等，人为造成喷枪出口及风嘴出口位置处结瘤的条件，生成结瘤及蘑菇头。蘑菇头形成阻隔了高温熔体对喷枪、风嘴端头及四周炉体、耐火材料的侵蚀、烧损，更加有效的保护了喷枪、风嘴端头及其炉体[1]。

侧吹还原炉喷枪生成和保持稳定的蘑菇头，取决于喷入炉内气体的冷却作用与高温熔体之间热量传递的平衡。结合炼钢工业顶底复吹转炉，根据蘑菇头热量收支平衡，推导出下列方程式：

由此能够得到，生成蘑菇头与高温熔融熔体过热度Ts 之间存在密切关系。侧吹还原炉还原炼铅，由于喷枪插入渣层其过热度高达1050℃以上，需采用相应的措施才能生成稳定的蘑菇头。

1.3.2 还原炉喷枪侵蚀的原因

还原炉喷枪蚀损的主要原因是烧损。喷枪喷出的氧气、氮气、粉煤，进入高温熔体，熔体中的物质与氧、煤发生氧化反应，氧势过剩情形下，都以放热反应为主，并且能够给正常熔炼提供热量，只有这样，才能够确保反应过程有序开展，同时喷枪出口端也生成高温区域。在实际生产过程中，测量侧吹还原炉水套炉壁的温度，侧吹还原炉粉煤喷枪区域温度高于其它区域温度约几十度，说明侧吹还原炉粉煤喷枪出口端的温度比其它区域单位温度更高。高温区域靠近喷枪端出口，造成了喷枪被逐渐的烧损。侧吹还原炉粉煤喷枪出口端生成高温区域造成粉煤喷枪逐渐烧损，就应使生成高温区域，在满足生成工艺要求的前提下，尽可能使高温区域的温度降低，这样既可以减缓粉煤喷枪的烧损，也能满足日常生产需求。在生产实践表明，当粉煤喷枪的粉煤、氧气的供入量和这两种物质的量的比例在一定范围内时，粉煤喷枪的使用的寿命会相应的延长，反之，粉煤喷枪的使用寿命短。

1.4 侧吹还原炉粉煤喷枪通道结构

还原炉粉煤燃烧器为特制的粉煤喷枪，粉煤喷枪为4 层同心套管（如图1 所示），由内而外粉煤从最内层通过，氮气从第二层通过，氧气从第三层通过，粉煤及氧气的量最低按照1:2 进行配比，严禁氧气量低于粉煤的给入量，保证粉煤的充分燃烧。侧吹还原炉粉煤喷枪气体通道在设计过程中均呈“凹”槽状，其主要目的是为保证气体在通过喷枪出口时能形成多个细小气流束，这些气流束高速喷入熔池，有利于粉煤燃烧加速传热、传质，避免熔融炉渣的喷溅；另外，在气体压力低、断流切换应急气源时，避免高温熔体倒灌堵塞喷枪通道，从而影响喷枪的使用。“凹”槽结构设计下高速喷出的气束，穿透力、搅动力强，传热、传质效果好。气流束强大的穿透能力，对高温熔池而言，将会产生喷溅，不过能够合理避免有关恶性有害的喷溅，整台冶金炉的震荡幅度小、频率低。另外，气束强大的穿透能力，熔池表面呈熔融状，而不是翻腾状，此状态并不影响冷料的加入以及物料快速的混合及反应，熔池面具有平稳性，这样能够确保在完成冶金还原反应基础上，沉淀铅金属，及渣含铅的进一步降低。