解增光， 路 彬， 呂 勇

(1.中冶葫蘆島有色金屬集團(tuán)有限公司， 遼寧 葫蘆島 125003； 2.葫蘆島環(huán)境監(jiān)測中心站， 遼寧 葫蘆島 125000)

葫蘆島鋅廠老系統(tǒng)(下文稱“精鋅冶煉廠”)采用豎罐煉鋅工藝生產(chǎn)鋅，生產(chǎn)能力為每年20萬t精鋅。該工藝生產(chǎn)系統(tǒng)主要有沸騰焙燒、氧化礦制團(tuán)、團(tuán)礦焦結(jié)、蒸餾和精餾工序。改造前冶金加熱過程(不含蒸汽和發(fā)電)使用的主要燃料為自產(chǎn)煤氣，共有16臺(tái)3AД-13型煤氣發(fā)生爐(開動(dòng)9～11臺(tái))用于生產(chǎn)煤氣，年消耗中塊煤約14萬t。煤氣站采用單段煤氣發(fā)生爐，工藝相對(duì)落后，自動(dòng)化程度低，煤氣質(zhì)量較差。在當(dāng)前國家和各級(jí)政府對(duì)環(huán)保節(jié)能工作越來越重視的情況下，現(xiàn)有的煤氣發(fā)生爐系統(tǒng)已經(jīng)無法適應(yīng)環(huán)保要求。因此，對(duì)精鋅冶煉廠燃燒系統(tǒng)的改造勢(shì)在必行。

1 天然氣替代煤氣優(yōu)勢(shì)分析

1.1 發(fā)生爐煤氣使用情況及存在的問題

精鋅冶煉廠所有以煤氣為燃料的冶金爐窯，共計(jì)42個(gè)使用點(diǎn)，分別分布在4個(gè)工序，共計(jì)5種冶金爐窯。詳細(xì)地點(diǎn)、名稱、煤氣用量統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 精鋅冶煉廠原煤氣使用量統(tǒng)計(jì)

發(fā)生爐煤氣在使用過程中存在如下問題。

1)工藝落后、自動(dòng)化程度低，無法適應(yīng)環(huán)保要求。煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生的煤氣除N2外含量最高的是CO(約 23%～27%)，為有毒氣體，煤氣在制氣、輸送、使用的過程中一旦發(fā)生泄漏，容易造成人員CO中毒，產(chǎn)生的煤焦油為危險(xiǎn)固廢，處理困難。

2)煤氣管道檢修勞動(dòng)強(qiáng)度大，且有重大安全隱患。在煤氣管道檢修過程中，煤氣系統(tǒng)開產(chǎn)與停產(chǎn)，都要進(jìn)行煤氣置換、清掃，多次出現(xiàn)煤氣管內(nèi)著火事故，存有重大安全隱患。煤氣中含有部分灰塵和煤焦油，在輸送到各用氣點(diǎn)時(shí)，灰塵和煤焦油易沉積在煤氣管道中，造成管道內(nèi)壁結(jié)垢，每隔1～2 年要切割開煤氣管道，人工鉆到管道內(nèi)對(duì)積塵和煤焦油進(jìn)行清理，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。另外，煤氣爐生產(chǎn)和管網(wǎng)維護(hù)需要設(shè)置眾多的勞動(dòng)崗位，同時(shí)煤氣爐的運(yùn)行負(fù)荷要與用氣負(fù)荷協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，既增加了工廠運(yùn)行調(diào)度管理的工作量，也增加了工廠的勞動(dòng)力成本。

1.2 使用天然氣的優(yōu)點(diǎn)及意義

天然氣是安全、清潔能源，與燃煤(煤氣)、燃油相比，具有以下優(yōu)勢(shì)。

1)環(huán)保、安全。天然氣是一種潔凈環(huán)保的優(yōu)質(zhì)能源，燃燒天然氣時(shí)可減少SO2和粉塵排放量近100%，減少CO2排放量近60%，NOx排放量50%[1]，一旦泄漏，立即會(huì)向上擴(kuò)散，不易積聚形成爆炸性氣體，安全性較高。

2)爐窯升溫快。天然氣熱值較高，一般在31.5～37.5 MJ/Nm3，使用常溫空氣助燃時(shí)，爐膛溫度也可達(dá) 1 400 ℃，容易實(shí)現(xiàn)爐窯的快速升溫，縮短作業(yè)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源。

3)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、投資少。天然氣易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)和控制，減少了維修工作量，降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，天然氣管網(wǎng)的建設(shè)由專業(yè)燃?xì)夤就瓿桑ǔ珊缶S護(hù)的工作量要小于煤氣管網(wǎng)，同時(shí)也由燃?xì)夤矩?fù)責(zé)，用戶基本沒有維護(hù)工作量，只需使用即可，極大地方便了用戶，同時(shí)降低了用戶的成本。

基于以上原因，采用天然氣替代煤氣后，將緩解環(huán)保壓力，同時(shí)減少了維修工作量，可一定程度上提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源，有助于降低生產(chǎn)成本[2]。國內(nèi)類似企業(yè)如株冶、馳宏鋅鍺、漢中鋅業(yè)、水口山有色公司等多家企業(yè)近幾年均完成了由煤氣、直接燃煤、燃油向天然氣的轉(zhuǎn)換，生產(chǎn)成本均有不同程度的降低。

2 天然氣替代發(fā)生爐煤氣的方案實(shí)施

改造方案在確保安全的前提下，保持爐、窯、塔、器主體工藝流程不變，裝備水平以簡單實(shí)用為原則，便于崗位人員操作。在解決環(huán)保問題的基礎(chǔ)上，根據(jù)各部燃?xì)庥昧考叭紵攸c(diǎn)采用不同的燃燒方案，對(duì)具備條件的系統(tǒng)實(shí)施以燃燒廢氣余熱回收為核心的綜合節(jié)能改造，達(dá)到天然氣使用經(jīng)濟(jì)性。

2.1 制團(tuán)系統(tǒng)改造

制團(tuán)是豎罐煉鋅生產(chǎn)的備料工序，主要生產(chǎn)工藝是將洗煤、黏合劑、混合礦、返回物四種原料經(jīng)過干煤、配料、棒磨、碾磨、制團(tuán)、團(tuán)礦干燥等工藝，生產(chǎn)合格團(tuán)礦供焦結(jié)蒸餾使用。依據(jù)工藝特點(diǎn)改造為常規(guī)固定式燃燒，示意圖見圖1[3]。

2.2 焦結(jié)系統(tǒng)改造

焦結(jié)爐開爐升溫階段需要天燃?xì)馓峁嵩?，在焦結(jié)室進(jìn)出口、燃燒室適當(dāng)位置預(yù)留足夠多燒嘴口，升溫前使用金屬軟連接將噴射式移動(dòng)燒嘴接入預(yù)留燒嘴口，根據(jù)不同升溫階段要求，按照升溫曲線開關(guān)燒嘴、調(diào)整燒嘴位置控制溫度，達(dá)到加料要求，加入生團(tuán)礦，正常生產(chǎn)后，撤去金屬軟連接及燒嘴，將預(yù)留的燒嘴口用金屬門封閉。正常生產(chǎn)期間焦結(jié)系統(tǒng)利用團(tuán)礦中碳和揮發(fā)份燃燒的熱量，在焦結(jié)室中與生團(tuán)礦進(jìn)行熱交換，不再需要天然氣提供熱源。采用噴射式移動(dòng)燃燒方案，具體詳情見圖2。

2.3 蒸餾系統(tǒng)改造

蒸餾是通過連續(xù)豎罐蒸餾的過程，此工序使得焦結(jié)團(tuán)礦中的鋅，盡可能完全被還原出來。采用天然氣替代發(fā)生爐煤氣作為豎罐蒸餾爐的熱源，改造期間豎罐蒸餾爐連續(xù)生產(chǎn)，爐體壽命處在不同的周期，蒸餾爐正面爐外環(huán)境溫度高且需要日常作業(yè)，不適合在生產(chǎn)期間進(jìn)行天然氣施工改造。如果停爐進(jìn)行改造，將造成較高設(shè)備殘值的損失，并直接影響精餾工序生產(chǎn)。通過天然氣管道在蒸餾爐側(cè)面布線、使用部分配風(fēng)燒嘴從燃燒室正面補(bǔ)爐門多點(diǎn)送入，保證在連續(xù)生產(chǎn)的情況下進(jìn)行施工改造，解決了連續(xù)生產(chǎn)狀態(tài)下蒸餾爐天然氣替代發(fā)生爐煤氣的技術(shù)問題。

1-燃?xì)膺^濾器； 2-壓力表； 3-/； 4-燃?xì)鉁p壓閥； 5-壓力開關(guān)； 6-燃?xì)怆妱?dòng)調(diào)節(jié)閥； 7-空氣電動(dòng)調(diào)節(jié)閥； 8-燃?xì)馐謩?dòng)閥； 9-燃?xì)庵麟姶砰y； 10-燃?xì)恻c(diǎn)火電磁閥； 11-空氣手動(dòng)閥； 12-主燒嘴； 13-點(diǎn)火燒嘴； 14-火焰UV； 15-點(diǎn)火變壓器； 16-熱電偶； 17-燒嘴控制箱； 18-鼓風(fēng)機(jī)圖1 常規(guī)固定式燃燒改造示意圖

1-燃?xì)鉁p壓閥； 2-壓力表； 3-燃?xì)馐謩?dòng)閥； 4-金屬燃?xì)廛浌埽?5-燃?xì)饨M合閥； 6-燃燒機(jī)圖2 噴射式移動(dòng)燃燒方案示意圖

1-天然氣； 2-減壓閥； 3-送風(fēng)機(jī)； 4-壓力開關(guān)； 5-燒嘴點(diǎn)火控制箱； 6-燒嘴； 7-點(diǎn)火變壓器； 8-PLC； 9-計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)圖3 蒸餾系統(tǒng)天然氣替代煤氣示意圖

蒸餾爐燃燒室廢氣與蒸餾爐冷凝洗滌廢氣的一部分直接混合消氧，通過燃燒廢氣總道供余熱鍋爐回收余熱及廢熱焦結(jié)爐焦結(jié)團(tuán)礦。另一部分的冷凝廢氣經(jīng)另一條分支管線引到蒸餾爐底部與換熱室煤氣筒磚相聯(lián)，作為蒸餾爐熱工備用燃料使用。方案見圖3。

蒸餾爐冷凝廢氣一部分可直接與天然氣作為蒸餾爐燃料燃燒后的廢氣混合，通過燃燒廢氣總道供廢熱焦結(jié)爐和余熱鍋爐利用。富余的冷凝廢氣經(jīng)另一條分支管線引到蒸餾爐底部與換熱室煤氣筒磚相聯(lián)，作為蒸餾爐熱工備用燃料使用。

2.4 精餾系統(tǒng)改造

精餾爐是精餾系統(tǒng)主體設(shè)備，分為鉛塔、鎘塔。精餾爐鉛塔用于脫除鋅液中的鉛、銅等高沸點(diǎn)雜質(zhì)，鎘塔用于脫除低沸點(diǎn)的鎘，以得到精鋅。精餾爐鉛塔和鎘塔的結(jié)構(gòu)類似，均設(shè)置了換熱室，換熱室內(nèi)為套筒磚結(jié)構(gòu)。煙氣流經(jīng)套筒磚外，煤氣和助燃空氣在套筒磚內(nèi)通過，煙氣和煤氣、助燃空氣通過套筒磚進(jìn)行間接預(yù)熱。精餾爐爐內(nèi)溫度最高約1 200 ℃，空氣預(yù)熱溫度約600～700 ℃，煤氣預(yù)熱溫度約500～600 ℃。精餾爐的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用了部分煙氣的余熱，提高了爐子的熱效率。

采用天然氣置換煤氣之后，由于天然氣熱值較高，即便使用冷空氣助燃也完全可以達(dá)到工藝要求的溫度。為了繼續(xù)使用煙氣余熱，同時(shí)處于減少改造工作量考慮，助燃空氣依舊由換熱室底部進(jìn)入換熱室預(yù)熱，原理見圖4[3]。

1-燃?xì)膺^濾器； 2-壓力表； 3-燃?xì)庥?jì)量計(jì)； 4-燃?xì)鉁p壓閥； 5-壓力開關(guān)； 6-燃?xì)怆妱?dòng)調(diào)節(jié)閥； 7-/； 8-燃?xì)馐謩?dòng)閥； 9-燃?xì)庵麟姶砰y； 10-燃?xì)恻c(diǎn)火電磁閥； 11-/； 12-燃?xì)鈬姽埽?13-點(diǎn)火燒嘴； 14-/； 15-點(diǎn)火變壓器； 16-/； 17-燒嘴控制箱； 18-/圖4 精餾爐燃燒系統(tǒng)原理圖

由于套筒磚之間的密封性不高，煤氣在換熱室內(nèi)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“串氣”現(xiàn)象，煤氣與空氣、煙氣接觸而發(fā)生燃燒，增加了煤氣的消耗；同時(shí)未燃燒的煤氣隨煙氣進(jìn)入后續(xù)除塵系統(tǒng)，會(huì)帶來一定的安全隱患。如果天然氣依舊通過換熱室，由于天然氣燃燒溫度更高，“串氣”現(xiàn)象會(huì)造成換熱室損壞，同時(shí)會(huì)帶來更大的安全隱患。因此，本方案采用天然氣不經(jīng)過換熱室，改由燃燒室頂部多點(diǎn)送入，天然氣負(fù)荷調(diào)節(jié)采用統(tǒng)一調(diào)節(jié)的方式。

3 改造后的效益分析

3.1 天然氣使用量

天然氣用氣量按照擬改造各爐窯原燃料消耗量進(jìn)行等熱值代換，發(fā)生爐煤氣按照1 200～1 500 kcal/Nm3，天然氣按照8 000 kcal/Nm3(33 500 kJ/Nm3)進(jìn)行計(jì)算[4]。將精鋅廠原來使用發(fā)生爐煤氣折算為天然氣量，詳細(xì)見表2。

表2 精鋅冶煉廠折算天然氣使用量計(jì)算

由表2，可以依據(jù)煤氣消耗量折算天然氣消耗量，精鋅冶煉廠4個(gè)作業(yè)區(qū)最大用氣總量合計(jì)4 678.24萬Nm3/a。改造過程中，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)主要爐體進(jìn)行了保溫以及燃燒點(diǎn)位置優(yōu)化，減少了天然氣消耗。2018年精鋅冶煉廠實(shí)際使用天然氣4 077.28萬Nm3，對(duì)比煤氣折算節(jié)省天然氣600.96萬Nm3。

3.2 燃料費(fèi)核算

2014年全年購入中塊煤14.47萬t，入爐煤量12.20萬t，其中精鋅廠消耗中塊煤8.06萬t，折合發(fā)生爐煤氣22 565.403 Nm3；2018年精鋅冶煉廠實(shí)際使用天然氣4 077.28萬Nm3。兩種燃料費(fèi)用對(duì)比見表3。

表3 燃料費(fèi)用對(duì)比

通過表3可見，改用天然氣之后，燃料費(fèi)用下降1 469.82萬元，降幅為14.05%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.3 能耗對(duì)比

根據(jù)精鋅冶煉廠的歷史能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與改造后的預(yù)計(jì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出的結(jié)果見表4。

由表4可見，完成天然氣改造后，每年可節(jié)能1 757.04 t標(biāo)煤，節(jié)能率達(dá)到了3.63%，碳排放量也隨之減少，每年可減排CO2約4 568.24 t、SO2約42.16 t、NOx約12.98 t[5]。

表4 能耗對(duì)比

4 天然氣改造過程中遇到的問題及應(yīng)對(duì)措施

1)助燃空氣量不夠用，燒嘴口打門補(bǔ)風(fēng)影響爐墻密閉保溫。采取措施：將換熱室原預(yù)熱煤氣筒磚道改造為預(yù)熱空氣，滿足了燃燒需要。

2)燃燒不完全造成燃燒室積碳。采取措施：燒嘴增加外套筒保溫，另加裝燒嘴口內(nèi)清灰裝置，定期掃除。

3)燃燒室各部溫度分布不均，造成爐本體易裂漏。采取措施：增加燒嘴數(shù)量，調(diào)整燒嘴位置分布。

4)燃燒廢氣量增加，蒸餾爐系統(tǒng)總負(fù)壓不足。采取措施：啟動(dòng)自熱焦結(jié)爐代替廢熱焦結(jié)爐，在蒸餾爐燃燒室廢氣總道尾端新接一條副煙道。

5)TD爐燃燒筒易燒斷，使用周期縮短。采取措施：使用蒸餾爐冷凝洗滌廢氣代替天然氣，避免燃燒筒內(nèi)局部高溫。

豎罐煉鋅冶煉工藝，生產(chǎn)流程長，改造過程中要與現(xiàn)有的工藝和設(shè)備兼容，燃燒系統(tǒng)改造是一個(gè)較系統(tǒng)的工程，需要持續(xù)改進(jìn)。

5 結(jié)論

通過對(duì)精鋅廠燃燒系統(tǒng)進(jìn)行天然氣替代煤氣改造，生產(chǎn)達(dá)到了環(huán)保指標(biāo)要求，在確保安全的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推動(dòng)了清潔生產(chǎn)，每年可節(jié)能1 757.04 t標(biāo)煤，減排CO2約4 568.24 t、SO2約42.16 t、NOx約12.98 t，燃料費(fèi)用下降1 469.82萬元。該項(xiàng)目實(shí)施有助于企業(yè)充分利用社會(huì)資源、促進(jìn)環(huán)保節(jié)能、降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)自身市場競爭力。