袁富明

(株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司,湖南株洲 412004)

·機(jī)械設(shè)備·

魯奇式大型焙燒爐的參數(shù)分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

袁富明

(株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司,湖南株洲 412004)

文章論述了魯奇式大型沸騰爐的床能率、流化層高度、爐體直徑和高度等主要參數(shù),以及爐殼、空氣分布板、磚體等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,提出了采用墻體噴補(bǔ)、爐頂整體澆注等多項(xiàng)改進(jìn)方法。

流態(tài)化沸騰爐;床能率;床面積;鼓風(fēng)量;高度;溫度

流態(tài)化焙燒(沸騰焙燒)1944年開始于硫鐵礦的焙燒,1952年引入濕法煉鋅行業(yè),1957年我國第1臺沸騰爐在葫蘆島鋅廠投產(chǎn)。1992年第1臺109 m2魯奇式大型焙燒爐在西北冶煉廠、1996年第2臺在株洲冶煉集團(tuán)建成投產(chǎn),以后又在云冶集團(tuán)、豫光金鉛、商洛冶煉廠等地建成了多臺109 m2沸騰爐,經(jīng)過近20年的努力,煉鋅焙燒爐已實(shí)現(xiàn)了由小型道爾式爐向魯奇式大型沸騰爐的成功跨越。這種魯奇式大型沸騰爐有兩大優(yōu)點(diǎn):一是爐床面積大,爐內(nèi)熱容量大且均勻、溫差小、物料與空氣接觸的表面積大、反應(yīng)速度快、傳熱傳質(zhì)效率高;二是上部增加了擴(kuò)大段,使得煙氣流速和煙塵率降低,延長了煙氣在爐內(nèi)的停留時間,煙氣中的煙塵得到充分焙燒,煙塵中的含硫量降低,提高了煙塵質(zhì)量。

1 魯奇式大型焙燒爐的主要技術(shù)參數(shù)分析

1.1 床能率

焙燒爐床能率是衡量爐子生產(chǎn)能力的一個重要參數(shù),標(biāo)志著爐子處理精礦能力的大小。床能率與精礦含硫量有直接關(guān)系,在焙燒參數(shù)(操作溫度、線速度、鼓風(fēng)量)不變的條件下,若精礦中的含硫量增加,而鼓入空氣量不變,則脫硫量不能增加,為維持爐內(nèi)的操作穩(wěn)定,此時處理的精礦則要減少,床能率下降,反之亦然。因此,在設(shè)計(jì)中確定床能率和日處理量時,要特別注意精礦含硫量的穩(wěn)定性,不宜選擇精礦含硫量的低限。

床能率由綜合因素決定,其大小取決于流態(tài)化層的操作氣流速度、鼓風(fēng)量和流化層內(nèi)的溫度,即:

式中W操作為流化層的操作氣流速度/m·s-1;V為鼓風(fēng)量/m3·t-1;t層為流化層內(nèi)的溫度/℃。

操作氣流速度是爐子流態(tài)化的先決條件,若操作氣流速度過小,不能形成流態(tài)化;過大,則形成氣動狀態(tài),二者均影響爐子的正常穩(wěn)定;操作氣流速度可通過物料的粒度和重度求得。另操作氣流速度與煙塵率有關(guān),操作氣流速度大,煙塵率亦大,故應(yīng)在保持良好穩(wěn)定的流態(tài)狀態(tài)和一定的煙塵率的情況下,選擇合理的操作氣流速度。鼓風(fēng)量取決于精礦中含硫量,而硫化層內(nèi)的溫度取決于物料的性質(zhì)。

當(dāng)今鋅精礦流態(tài)化焙燒爐的床能率已經(jīng)是一個成熟的參數(shù),一般5～7 t/m2·d,例如株冶集團(tuán)的109 m2爐,使用的鋅精礦含硫28%～30%,則確定其床能率為6.09 t/m2·d。

1.2 流化層的高度

鋅精礦流態(tài)化焙燒爐正常生產(chǎn)時,流化層是變化的,液化層高度一般由爐料在爐內(nèi)停留時間、流化層的穩(wěn)定性和排熱裝置的安裝條件等因素確定,一般確定為0.9～1.2 m左右。提高流化層高度,物料在層內(nèi)停留時間延長,則焙燒反應(yīng)時間也愈長,化學(xué)反應(yīng)愈充分,焙砂質(zhì)量愈好;另可使流化層物料容量增加,層內(nèi)的熱容量增加,流態(tài)化狀況穩(wěn)定,易于操作,方便布置排熱裝置;但是流化層過高,勢必增加鼓風(fēng)機(jī)壓力,動力消耗增大。而流化層高度過低,容易產(chǎn)生氣溝,正常穩(wěn)定的流態(tài)化難以維持。

根據(jù)鋅精礦焙燒物料在流化層內(nèi)平均停留時間,可以確定流化層高度,即:

式中τ為物料在流化層平均停留時間/s;F為爐床面積/m2;r為物料的松裝密度/t·m-3;H為料層靜止時的高度,大約為流態(tài)層高的70%/m;q為每小時加料量/t·h-1;η為煙塵率/%。

109 m2焙燒爐流化層高度確定為1 000 mm。

1.3 焙燒爐的直徑及高度

魯奇式流態(tài)化焙燒爐的爐床面積主要取決于床能率和精礦處理量。

床面積由下式?jīng)Q定:

式中F為爐床面積/m2;A為爐子日精礦處理量/t·d-1;a為床能率/t·(m2·d)-1。

在流化層操作氣流速度確定的情況下,床能率也可由下式確定:

式中V總為每小時鼓風(fēng)量/m3·h-1;W操作為流化層操作氣流速度/m·s-1。

通過工藝計(jì)算,得知每噸物料產(chǎn)生的煙氣量,根據(jù)最大顆粒煙塵帶出速度,即可確定上部爐膛面積,上部爐膛面積與爐床面積之比多為1.7～1.9,太大了擴(kuò)大段容易積灰。

流化層以上應(yīng)有一定的直線高度,以防止固體不被拋入空中而被煙氣帶走。這段高度要大于分離高度,分離高度是被煙氣夾帶的固體顆粒達(dá)到一定高度后能夠大部分重返流化層的高度。鋅精礦流態(tài)化焙燒爐的分離高度大約3 m,過高增加投資。

爐子的總高度取決于煙氣在爐內(nèi)的停留時間,要求被煙氣夾帶的固體顆粒能有足夠的時間在空中完成化學(xué)反應(yīng),一般煙氣停留時間15～20 s。

式中H為爐膛有效高度,以爐氣出口中心線為準(zhǔn)/ m;a為床能率/t·(m2·d)-1;t膛為爐膛溫度/℃;F床為爐床面積/m2;F膛為爐膛面積/m2;τ塵為煙氣停留時間/s。

株冶集團(tuán)109 m2沸騰爐爐膛有效高度13 350 mm。

2 魯奇式大型焙燒爐的主要結(jié)構(gòu)

2.1 爐殼結(jié)構(gòu)

魯奇式大型焙燒爐的圓筒形爐殼為一整體,支承著爐子的全部重量。要求精確設(shè)計(jì),高精度制造安裝,確保砌體質(zhì)量和砌體的整體性,以保證爐子壽命。

爐底設(shè)置環(huán)形支承板,要求平整度3 mm。垂直段與擴(kuò)大段、擴(kuò)大段與爐膛、爐膛與爐頂設(shè)置3塊環(huán)形支承板,要求平整度＜5 mm。垂直段殼體直徑Φ12 800 mm,要求圓弧度偏差＜20 mm,垂直度偏差＜5 mm。爐膛爐殼圓弧度偏差＜25 mm,同軸度偏差＜30 mm。

2.2 空氣分布板的設(shè)計(jì)

空氣分布板是流態(tài)化焙燒爐的關(guān)鍵部分,直接影響焙燒爐的操作與正常運(yùn)行,要求結(jié)構(gòu)合理、布風(fēng)均勻,且有足夠的靜壓。109 m2沸騰爐分布板由56塊箱形孔板組成,固定在14根700 mm高H型鋼梁上。箱形孔板間填石棉板密封,上邊用扁鋼點(diǎn)焊連接。這種箱形結(jié)構(gòu)的分布板制造、安裝容易,精度易于保證,且使空分布均勻,在大型流態(tài)化焙燒爐上的成功應(yīng)用,解決了大型沸騰爐分布板結(jié)構(gòu)的難題。分布板共安裝了10 900個與傳統(tǒng)風(fēng)帽不同的直形風(fēng)帽,風(fēng)帽之間澆注152 mm厚的耐火澆注料。

2.3 磚體設(shè)計(jì)

109 m2焙燒爐爐墻厚度500 mm,靠爐殼貼10 mm厚的石棉板,外砌185 mm厚的輕質(zhì)保溫磚,內(nèi)砌310 mm厚的高鋁磚。拱頂設(shè)計(jì)為球形,用帶有凹凸槽、厚380高鋁磚砌成,爐頂荷重全部傳遞給爐殼上的拱腳圈梁。

3 運(yùn)行情況

自1992年西北冶煉廠引進(jìn)第1臺109 m2沸騰爐起,在全國各地已建有多臺,近20年來,109 m2沸騰爐運(yùn)行狀況比較好,投料量超過設(shè)計(jì)指標(biāo),床能率達(dá)6 t/m2·d以上,焙砂質(zhì)量、煙塵率等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但是運(yùn)行中存在如下問題:

1.冷卻埋管容易磨損穿孔,影響沸騰爐的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

2.流化段、爐氣出口、爐頂、3圈環(huán)形支承板處磚體炸裂嚴(yán)重,特別是爐頂磚體炸裂,已影響到爐頂結(jié)構(gòu)的安全和停爐期間爐內(nèi)作業(yè)人員的安全。停爐時,操作人員必須到爐內(nèi)清礦、檢修,曾經(jīng)爐頂炸裂的大半塊磚從10多米高處砸下來,幸未發(fā)生安全事故。

3.膨脹節(jié)、爐頂冒煙嚴(yán)重,污染了現(xiàn)場環(huán)境。

4.錐形段處的殼體產(chǎn)生變形,有的地方往外鼓,這是一個非常嚴(yán)重的問題,任其發(fā)展下去,整座爐子都可能倒坍。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

針對上述存在的問題,應(yīng)采用如下改進(jìn)方案。

冷卻埋管是維持爐內(nèi)熱平衡的重要元件,對其易磨損穿孔,采用下列方法解決:

1.提高管材性能,將過去常用的20#中低壓鍋爐鋼管改為20G高壓鍋爐鋼管,當(dāng)流化層操作溫度在850℃左右時,20G高壓鍋爐鋼管使用壽命達(dá)1 a以上。

2.在冷卻埋管的彎頭、易磨損部位,采用耐磨堆焊技術(shù),提高管子的耐磨、耐熱性能。

109 m2焙燒爐爐型大,受力大,要求磚的強(qiáng)度高,同時沸騰爐是酸性環(huán)境,選用強(qiáng)度高的中性高鋁磚有合理的一面,但是當(dāng)時設(shè)計(jì)沒有考慮到高鋁磚的熱震穩(wěn)定性較差,溫度變化時容易炸裂。針對流化段、環(huán)形支承圈等處磚體的炸裂,蘭州中順石化公司在西北冶煉廠進(jìn)行噴涂保護(hù),具體做法是:清除原有的炸裂磚體并用高壓風(fēng)吹掃干凈,在原磚體上布置錨固筋和掛鋼絲網(wǎng),最后噴涂80 mm左右的專用噴涂料。這種噴涂料可以使用2 a以上,有效保護(hù)了還未炸裂的殘存磚體。

針對爐氣出口炸裂的磚體,必須全部拆除至殼體,然后焊錨固筋,筑高強(qiáng)度低水泥澆注料。株冶集團(tuán)2005年?duì)t氣出口磚體炸裂倒塌后,改筑澆注料,已安全使用到現(xiàn)在。

沸騰爐爐氣出口與鍋爐入口如果水平對接,則必須留出足夠的膨脹節(jié),一般200 mm寬,膨脹節(jié)外罩耐高溫的玻璃布。但是玻璃布容易腐蝕穿孔?？梢杂靡韵聝煞N方法之一解決此問題:

1.降低鍋爐位置,爐氣出口做成箱體式結(jié)構(gòu),煙氣由水平進(jìn)入鍋爐改為從上往下垂直進(jìn)入鍋爐,上邊、二側(cè)邊消除了水平對接的膨脹節(jié),只在箱體下邊留一定膨脹縫。例如株冶集團(tuán)的6#沸騰爐就采用此結(jié)構(gòu),成功解決了膨脹節(jié)冒煙問題(這點(diǎn)對已建成的老爐沒法采用,但對新上的大型沸騰爐一定要注意此問題)。

2.將直通式膨脹節(jié)改為密宮式膨脹,膨脹節(jié)內(nèi)筑一層加耐火纖維的澆注料+一層纖維板+一層鋼絲網(wǎng),然后再澆注料+纖維板+鋼絲網(wǎng),……,外加耐高溫的玻璃布;株冶集團(tuán)2007年采用此結(jié)構(gòu),可保證半年不漏煙氣。

大型沸騰爐爐墻采用高鋁磚是考慮強(qiáng)度原因,但是爐頂采用熱震穩(wěn)定性較差的高鋁磚絕對是個錯誤。要改進(jìn)此錯誤,可以采用如下方式:

1.拆除高鋁磚,改用粘土磚,同時改變磚型,消除頂磚內(nèi)部容易產(chǎn)生應(yīng)力的凹凸槽,采用四面楔形結(jié)構(gòu)。

2.采用河南洛華公司的整體澆注技術(shù):拱腳外殼若干毫米厚的抱箍圈+支撐內(nèi)模+澆注拱腳+支撐第一圈外模+澆注第一圈+支撐第二圈外模+澆注第二圈……,一直澆注到拱頂最上圈。每圈內(nèi)留出一定高度的膨脹縫(不是通縫),每圈的膨脹縫呈品字形,每圈之間用異形錨固件連接。采用整體澆注技術(shù),爐頂?shù)拿芊庑员却u砌好,成功解決了爐頂冒煙的環(huán)保問題,現(xiàn)在洛華公司正在大力推廣此技術(shù)。

為了解決錐形段殼體外鼓,必須加強(qiáng)殼體支撐:在錐形段殼體上加焊支撐鋼板。

[1] 《有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊》編委會.有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊.北京:冶金工業(yè)出版社,2000.

[2] 葛霖.筑爐手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1994.

The Parameter Analysis and Structre Innovation of the Fluidization Roaster

YUAN FU-ming
(Zhuzhou S melter Group Co.,Ltd,Zhuzhou412004,China)

The paper introduced the parameter analysis and structre innovation of the Fluidization roaster,and the improved solution bassed on the production practice was put forward.

the Fluidization roaste;bed capacity;bed area;drum amount of wind;hight;temperature

TF806.11

A

1003-5540(2010)06-0039-03

袁富明(1969-),男,高級工程師,主要從事冶金爐窯及土建的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理工作。

2010-08-10