铜冶炼闪速炉精矿喷嘴优化与改造的生产实践

马永明

（紫金矿业集团股份有限公司，福建 龙岩 364200）

闪速炉炼铜中，干燥的铜精矿与溶剂以及富氧空气通过精矿喷嘴喷射入闪速炉反应塔中进行混合并产生激烈反应，从而生成冰铜和炉渣。精矿喷嘴的结构和性能对铜精矿的着火点、反应塔内回流量、炉内Fe3O4的生成与结瘤及烟灰发生率产生显著影响[1，2]。紫金铜业闪速炉于2011年12月投产，初始设计采用中央扩散型喷嘴（CJD），设计产量20万吨。近年来随着产能的提升，原设计精矿喷嘴难以满足铜闪速炉生产的要求，严重影响闪速炉各项生产指标的提升。

1 闪速炉工艺及精矿喷嘴简介

1.1 闪速炉工艺简介

闪速熔炼将富氧空气随干燥的精矿、石英溶剂通过反应塔顶部的精矿喷嘴喷入闪速炉的反应塔空间，使原料在高温氧化性气流的作用下迅速熔化、分解和氧化，生成冰铜、炉渣和烟尘的反应过程。其原理主要为：

1.2 精矿喷嘴简介

精矿喷嘴是闪速炉的核心设备，干精矿、溶剂、烟尘及富氧空气通过精矿喷嘴喷射入炉内，精矿喷嘴的结构与性能直接影响着闪速炉整体运行。因此，闪速熔炼自50年代发展至今，精矿喷嘴也在不断的发展完善。20世纪70年代以前精矿喷嘴主要是文丘里喷嘴，1971年闪速炉开始实行富氧熔炼后，由芬兰奥托昆普公司研制成功的中央扩散型精矿喷嘴，成为大部分闪速熔炼工艺采用的喷嘴。中央扩散型精矿喷嘴由壳体、调风锥、分配器、分散锥、中央氧枪及内部冷却水管等组成。

图1 精矿喷嘴结构图

2 原精矿喷嘴存在的问题及影响

通过对原中央扩散型喷嘴（CJD）进行分析，原精矿喷嘴分配器为直齿翅片，分配风环为单排直孔型。当生产负荷增大时，会导致精矿在反应塔中停留时间不足，精矿分散不均匀，物料偏析严重。对于部分着火点高的国内矿，炉内甚至出现“下生料”现象，造成炉内渣铜不分，排放困难，熔池变小。少部分未完全反应铜精矿被炉内气流带至后方烟灰处理工序，导致闪速炉锅炉、鹅颈烟道、沉尘室及电收尘积灰严重[3]。国内各冶炼厂纷纷着手对精矿喷嘴进行改造，取得了一定的成果[4-7]。

3 精矿喷嘴分配器的优化改造

3.1 对分配器翅片的改造

为提高铜精矿在闪速炉反应塔中停留时间，加长反应物料的反应时间，将原中央扩散型喷嘴直翅片更改为螺旋翅片。通过不断调整螺旋起点，螺旋长度，螺旋角度等参数并试验，最终确定螺旋翅片分配器下方1000mm处开始螺旋，螺旋角度90°时，对炉内反应效果较好。同时，螺旋型翅片可改变来料落点，使得来料方向中部集中的物料随着螺旋的轨迹分散落于侧方及后方，增强了反应塔物料的均匀性。

改造图如图2所示：

图2 原精矿喷嘴中央分配器（左一）及其精矿在反应塔中的布料情况（右上）。与改造后的精矿喷嘴中央分配器（左二）及其精矿在反应塔中的布料情况（右下）对比图

图3 原精矿喷嘴分配器（左）与改造后喷嘴分配器（右）实物对比图

3.2 对分配器分配风环的改造

图4 分配风环实物图及分配风改造前后对比图，中图为改造前分配风风向示意图，右图为改造后分配风风向示意图

原分配器分配风环为单环结构，为增强铜精矿的分散性，加强铜精矿、溶剂与富氧空气的混合效果，先后试验了单排孔孔径改造，单排孔内部方向改造，双排孔改造，双排孔内部方向改造等。经过数值模拟及现场试验。确定双排孔，45°倾角分配风环效果较好。改造后，分配风风向由原来的中心直接发散型改为倾角45度向外，配合翅片改造可以使得精矿在反应塔中呈旋转状态分布，精矿在横截面上分布更均匀。此外，改造后分配风环出风面积较改造前减少了三分之一，在同样的风量下可以产生更大的风压，射入炉内的物料分散更均匀。

4 喷嘴改造使用对比

为保障投料效果，采用同样精矿成分，相似生产条件对原精矿喷嘴及改造后的精矿喷嘴进行对比分析，工艺参数如表1所示。

表1 精矿喷嘴对比分析生产参数

4.1 闪速炉炉况对比分析

在同等配料单的使用下，两种分配器使用后的检尺均正常，分离清晰，均未出现炉况问题。炉前铜渣排放均正常。渣含铜无明显区别。但使用原喷嘴时上升烟道烧嘴内部较容易结焦，容易堆积，需要点化石燃料维护。使用改造后的喷嘴上升烟道烧嘴内部结焦情况较少，上升烟道烧嘴较容易维护，证明精矿喷嘴改造后，整体炉内反应效果有了较好的提升，烟尘较不容易在上升烟道粘结。

4.2 锅炉结灰情况分析

使用原精矿喷嘴锅炉挡渣屏结灰较严重，结灰粘性较大，最厚的结灰达到20cm左右，日常和炉内点检清理难度较大。

图5 使用原喷嘴锅炉区域烟灰粘结情况

使用改造后的精矿喷嘴锅炉挡渣屏结灰较疏松，厚度3cm～4cm，较容易清理。锅炉开口部维护较好，锅炉、沉尘室及电收尘结灰情况及需要清理频次明显下降。

图6 使用改造后的喷嘴锅炉区域粘结情况

从熔池及烟尘系统状态分析，精矿喷嘴改造后，使用期间炉内生产正常，不会对生产带来不利影响。吨耗氧明显增加，且闪速炉整体烟灰发生率从7.8%下降到5.8%，证明铜精矿在炉内反应更为充分。上升烟道、锅炉及电收尘系统结灰情况有明显改善。

5 精矿喷嘴改造效果分析

使用ANSYS软件对改造后精矿喷嘴进行数值模拟，探讨使用改造后精矿喷嘴时炉内情况。如图7所示。

图7 新精矿喷嘴沿炉长方向速度云图及速度矢量图

图8 反应塔不同高度横截面氧气浓度分布

图9 闪速炉内颗粒相运动轨迹及颗粒运动分布图

从新精矿喷嘴沿炉长方向速度云图及速度矢量图可以看出反应塔内气流集中于反应塔中心一定范围内，但在反应塔中存在明显回流。

结合以上数值模拟结果可以分析得出：中央扩散型喷嘴螺旋齿片分配器通过螺旋齿片使得物料外旋，形成料层内部真空气流反旋，进一步缩减物料在反应塔内部反应的物料偏析，以达到反应程度的稳步均匀。足够的分配风将进一步分配器投影正下方位置的小颗粒与大颗粒物料送至反应区域，达到反应集中、更好完成碰撞交互反应的效果。精矿反应更为完全，使得烟尘发生率进一步降低，且熔融态与半熔融态烟尘能够在锅炉合理分布，使得锅炉内部基本不结块。

6 结论

本次改造的精矿喷嘴在提高反应效率，减少物料在反应塔内偏析，降低烟灰发生率等方面具有较好的效果。改造后的精矿喷嘴对于铜精矿的适应性有一定的提升，改善了闪速炉烟尘性质，对于上升烟道及后部锅炉、沉尘室、电收尘等设备的稳定运行有较好的帮助。