岳鳳洲

（陜西鋅業(yè)有限公司，陜西商洛726007）

流態(tài)化技術(shù)是強(qiáng)化流體與固體顆粒間相互接觸的工程技術(shù)。世界上第一座流態(tài)化工業(yè)裝置——德國(guó)Winkler粉煤氣化爐于1926年正常運(yùn)轉(zhuǎn)。至20世紀(jì)40年代初期，流態(tài)化技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用，1956年南京永利寧廠首先把流態(tài)化焙燒爐成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)硫酸生產(chǎn)[1]。中國(guó)硫酸產(chǎn)量從1949年的40 kt分別提高到1959年和1989年的1 061 kt和11 526 kt[2]，年均增長(zhǎng)率分別為38.79%和8.28%，在1990—2020年的30年間，中國(guó)硫酸產(chǎn)量又從11 506 kt提高到98 586 kt，年均增長(zhǎng)7.42%；鋅錠產(chǎn)量從550.8 kt提高到6 425 kt，年均增長(zhǎng)8.53%。目前，中國(guó)硫酸和鋅錠的生產(chǎn)和消費(fèi)數(shù)量都位列全球首位[3]。流態(tài)化焙燒爐號(hào)稱硫酸和鋅錠生產(chǎn)的“龍頭”設(shè)備，流態(tài)化焙燒爐設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，直接推動(dòng)了硫鐵礦和鋅精礦制硫酸行業(yè)的跨越式發(fā)展。筆者在回顧近30年來硫鐵礦和鋅精礦流態(tài)化焙燒爐設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)步的基礎(chǔ)上，展望流態(tài)化焙燒爐技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 流態(tài)化焙燒爐設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐回顧

1.1 流態(tài)化焙燒爐設(shè)計(jì)技術(shù)

在鋅冶煉行業(yè)，國(guó)內(nèi)第一臺(tái)109 m2流態(tài)化焙燒爐于1992年在西北冶煉廠建成投產(chǎn)。經(jīng)過系統(tǒng)改進(jìn)后，1994年原株洲冶煉廠投產(chǎn)了國(guó)內(nèi)第二臺(tái)109 m2流態(tài)化焙燒爐，之后流態(tài)化焙燒爐得到廣泛應(yīng)用。中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱恩菲公司）在消化吸收國(guó)內(nèi)外流態(tài)化焙燒爐技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過全面優(yōu)化和集成創(chuàng)新，在2016年年底為西北冶煉廠開發(fā)設(shè)計(jì)建成了全球第一臺(tái)152 m2流態(tài)化焙燒爐[4]。恩菲公司近期正在開發(fā)186 m2流態(tài)化焙燒爐，以期單系列焙燒系統(tǒng)生產(chǎn)能力達(dá)到200 kt/a[5]。

在硫鐵礦制硫酸行業(yè)，近30年成功開發(fā)了3種先進(jìn)流態(tài)化焙燒爐設(shè)計(jì)技術(shù)，分別為：①由四川省化工設(shè)計(jì)院研發(fā)設(shè)計(jì)的70 m2流態(tài)化焙燒爐，用硫酸法鈦白粉生產(chǎn)過程中排出的硫酸亞鐵摻燒硫鐵礦和硫黃生產(chǎn)硫酸，設(shè)計(jì)配套硫酸產(chǎn)能400 kt/a，于2003年成功應(yīng)用于龍蟒集團(tuán)下屬企業(yè)的多套硫酸裝置[6]；②由中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)瑞林）為銅陵銅冠冶化分公司開發(fā)的2臺(tái)138 m2流態(tài)化焙燒爐，利用冬瓜山選銅尾礦磁黃鐵精砂焙燒生產(chǎn)硫酸，設(shè)計(jì)了2套400 kt/a硫鐵礦制酸裝置，分別于2007年8月和2009年8月試產(chǎn)成功[7]；③由中國(guó)瑞林為紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司利用青海德爾尼銅礦資源，在紫金礦業(yè)集團(tuán)青海有限公司設(shè)計(jì)建設(shè)了150 m2流態(tài)化焙燒爐，配套設(shè)計(jì)硫酸產(chǎn)能400 kt/a，于2008年設(shè)計(jì)建成投產(chǎn)[8]。

目前，硫酸生產(chǎn)常用的2種基本爐型是硫鐵礦流態(tài)化焙燒爐（以下簡(jiǎn)稱硫鐵礦焙燒爐）和鋅精礦流態(tài)化焙燒爐（以下簡(jiǎn)稱鋅焙燒爐）。硫酸生產(chǎn)用流態(tài)化焙燒爐由風(fēng)箱、底梁、風(fēng)帽、下直段、擴(kuò)大段、上直段和爐頂7個(gè)部分組成，結(jié)構(gòu)尺寸示意見圖1，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，風(fēng)帽主要技術(shù)參數(shù)見表2，主要運(yùn)行參數(shù)見表3。

表3 常用硫鐵礦焙燒爐和鋅焙燒爐主要運(yùn)行參數(shù)

圖1 流化態(tài)焙燒爐結(jié)構(gòu)尺寸示意

表1 常用硫鐵礦焙燒爐和鋅焙燒爐主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 常用硫鐵礦焙燒爐和鋅焙燒爐風(fēng)帽主要技術(shù)參數(shù)

1.2 流態(tài)化焙燒爐生產(chǎn)實(shí)踐

目前，國(guó)內(nèi)硫酸生產(chǎn)常用焙燒爐及其制酸裝置實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)差異較大。國(guó)內(nèi)先進(jìn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)比較情況見表4～5。主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)較好的企業(yè)一般表現(xiàn)在2個(gè)方面：

表4 鋅焙燒爐2021年度實(shí)際較好生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)比較

1）焙燒強(qiáng)度較高。例如，H廠采用富氧焙燒技術(shù)后，109 m2流態(tài)化焙燒爐的焙燒強(qiáng)度可以提高到8.03 t/(m2·d)[9]。

2）開車率較高。據(jù)筆者實(shí)際調(diào)研，S廠用鋅精礦w(Zn)46%、w(S)28%時(shí)，2021年度開車率達(dá)到96.59%，鋅焙砂產(chǎn)量（以鋅計(jì)）比設(shè)計(jì)能力提高3.61%，硫酸產(chǎn)量比設(shè)計(jì)能力低1.72%；Y廠用鋅精礦w(Zn)50%、w(S)30%時(shí)，2021年度開車率達(dá)到98.78%，硫酸產(chǎn)量高出設(shè)計(jì)能力24%，鋅焙砂產(chǎn)量（以鋅計(jì)）比設(shè)計(jì)能力提高43.63%；Z廠用鋅精礦w(Zn)46%、w(S)27%時(shí)，2021年度開車率達(dá)到98.50%，鋅焙砂產(chǎn)量（以鋅計(jì)）比設(shè)計(jì)能力提高8.47%，硫酸產(chǎn)量比設(shè)計(jì)能力低8.03%。

表5 硫鐵礦焙燒爐2021年度實(shí)際較好生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)比較

1.3 先進(jìn)大型流態(tài)化焙燒爐設(shè)計(jì)成果

回顧先進(jìn)大型流態(tài)化焙燒爐近30年的設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐成果，筆者認(rèn)為，先進(jìn)大型流態(tài)化焙燒爐的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在以下三方面。

1.3.1 床能力逐步提高

流態(tài)化床和焙燒爐內(nèi)的反應(yīng)基于連續(xù)流動(dòng)的活塞流反應(yīng)原理，物料以“隊(duì)列”的方式流經(jīng)反應(yīng)器，在流動(dòng)方向上無擴(kuò)散，任何兩個(gè)流體微團(tuán)幾乎沒有速度差[10]。焙燒爐床能力的確定本質(zhì)上是流態(tài)化床線速度的確定[11]。設(shè)計(jì)原理和生產(chǎn)實(shí)踐均表明，床能力與流態(tài)化床線速度、原料粒度均呈正相關(guān)變化規(guī)律。以鋅焙燒爐為例，先進(jìn)大型焙燒爐的床能力已經(jīng)從傳統(tǒng)的5.5～6.0 t/(m2·d)提高到7.0～7.5 t/(m2·d)，采用弱富氧焙燒工藝的焙燒爐床能力已經(jīng)突破8 t/(m2·d)，實(shí)際達(dá)到8.03 t/(m2·d)[9]，為設(shè)計(jì)和建設(shè)更大面積的焙燒爐提供了成功經(jīng)驗(yàn)。

1.3.2 多目標(biāo)整體設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化

多目標(biāo)整體設(shè)計(jì)優(yōu)化主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）爐底梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安裝形式簡(jiǎn)化且更加安全。焙燒爐底梁需要承擔(dān)風(fēng)帽分布板、爐底隔熱耐火材料、風(fēng)帽和固定床爐料的重量，是很重要的受力構(gòu)件，需要同時(shí)滿足強(qiáng)度和撓度的要求，還要考慮溫度折減系數(shù)。目前大型焙燒爐底梁設(shè)計(jì)一般選用700 mm×300 mm的H型平行條梁結(jié)構(gòu)，制作安裝施工比較簡(jiǎn)便，生產(chǎn)實(shí)踐證明該底梁設(shè)計(jì)安全可靠。

2）永久型單孔風(fēng)帽設(shè)計(jì)制造國(guó)產(chǎn)化技術(shù)成熟先進(jìn)。據(jù)筆者實(shí)際調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)新建28～152 m2鋅焙燒爐，普遍成功使用了孔徑6 mm的單孔直吹式風(fēng)帽，材質(zhì)選用國(guó)內(nèi)獨(dú)特配方的稀土材料精密鑄造，開孔率0.28%～0.31%，孔速50～60 m/s，風(fēng)帽安裝密度為100～110個(gè)/m2，流態(tài)化更趨均勻穩(wěn)定，焙砂質(zhì)量好，脫硫率高，原料應(yīng)變能力相對(duì)提高，安全生產(chǎn)運(yùn)行周期延長(zhǎng)，生產(chǎn)效率顯著提高。在(900±50)℃爐溫下，風(fēng)帽使用壽命一般可以達(dá)到10年以上[12]。同時(shí)，該單孔直吹式風(fēng)帽可以避免外側(cè)風(fēng)帽高速直吹下直段爐墻，延長(zhǎng)了爐體的安全生產(chǎn)周期。

3）主要高度尺寸更加合理。焙燒爐下直段高度降低、擴(kuò)大段和上直段高度均逐步提高是主要變化趨勢(shì)，爐內(nèi)反應(yīng)空間擴(kuò)大后有利于提高焙燒爐生產(chǎn)能力和焙砂質(zhì)量。

4）擴(kuò)大角提高。大型鋅焙燒爐的擴(kuò)大角由7°～15°提高到20°，有利于擴(kuò)大爐膛容積，煙氣在爐膛內(nèi)的反應(yīng)和停留時(shí)間可以穩(wěn)定在24～28 s，脫硫、氧化、酸化反應(yīng)更加充分均勻、高效。

5）煙氣出口方式更加安全合理。新建大型硫鐵礦焙燒爐借鑒鋅焙燒爐的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成功經(jīng)驗(yàn)，煙氣出口設(shè)計(jì)在擴(kuò)大段爐身側(cè)面，筑爐施工更加方便快捷，生產(chǎn)操作和檢修清理結(jié)塊更加安全高效。

6）爐頂設(shè)計(jì)采用球形拱頂和整體澆筑施工技術(shù)。與錐形拱頂相比，球形拱頂受力更加合理，徹底消除了外側(cè)拱頂磚斷裂的隱患，加之球拱采用特制鋼纖維粉體材料整體澆筑施工技術(shù)，一次成形，強(qiáng)度高，密封性能好，有利于提高焙燒爐的使用壽命。

7）焙燒爐和余熱鍋爐連接處采用迷宮式和含鋯纖維氈特制材料。大型焙燒爐煙氣出口跟余熱鍋爐煙氣進(jìn)口的連接處，設(shè)計(jì)和施工成功采用了簡(jiǎn)潔、方便的迷宮式結(jié)構(gòu)形式，并在砌筑過程中科學(xué)使用了含鋯纖維氈特制材料，施工和維護(hù)都很方便，只要嚴(yán)格按要求施工，都能較好地解決兩爐連接處的密封難題。

8）取消了下直段的操作門。新建大型焙燒爐下直段均未設(shè)計(jì)升溫和探爐專用的操作人孔門，點(diǎn)火升溫采用密封的高效燃燒器，煤粉加料采用進(jìn)料皮帶和拋料機(jī)，探爐和扎爐臨時(shí)操作在拋料機(jī)進(jìn)料孔和排料溢流孔均可完成。下直段的操作門取消后，減少了爐內(nèi)漏風(fēng)率，爐內(nèi)更容易實(shí)現(xiàn)微負(fù)壓清潔生產(chǎn)，改善了操作環(huán)境。

9）爐底排渣采用底部側(cè)墻斜管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。焙燒爐在長(zhǎng)期生產(chǎn)運(yùn)行期間，靠近風(fēng)帽層處會(huì)有大顆粒積渣形成，必須每班及時(shí)檢查排渣2～4次，這種精細(xì)操作有利于降低沸騰層阻力，消除生產(chǎn)隱患。排渣管一般設(shè)計(jì)在溢流口附近，斜管上設(shè)計(jì)一個(gè)插板，人工間斷排料操作比較方便、安全。

10）焙燒爐風(fēng)帽分布板采用積木式拼塊精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。由于大型鋅焙燒爐風(fēng)帽設(shè)計(jì)安裝密度比傳統(tǒng)蘑菇頭形式的風(fēng)帽高1～1.2倍，風(fēng)帽分布板上每個(gè)風(fēng)帽的開孔必須全部避讓底梁H型鋼，所以必須采用積木式拼塊精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，施工選用成本較低、焊接性能好的奧402焊條，采用“剛性?shī)A持法”和機(jī)械矯正法可以減少焊接變形量[13]。

1.3.3 全面協(xié)同集成創(chuàng)新，改進(jìn)相關(guān)配套設(shè)計(jì)

協(xié)同集成創(chuàng)新和相關(guān)配套設(shè)計(jì)改進(jìn)主要體現(xiàn)在以下6個(gè)方面：

1）成功使用了特制鋼纖維粉體材料和整體澆筑等專利技術(shù)。焙燒爐下直段及其開孔、爐頂和風(fēng)帽耐火層、上直段煙氣出口等關(guān)鍵部位，設(shè)計(jì)和施工均采用了洛陽(yáng)洛華窯業(yè)有限公司的特制鋼纖維粉體材料和整體澆筑專利技術(shù)。該材料和專利技術(shù)自2007年在大型鋅焙燒爐維修和新建施工中推廣使用以來，經(jīng)過10余年的持續(xù)改進(jìn)和技術(shù)積累，目前已成為成熟、可靠、國(guó)際領(lǐng)先的成套專利技術(shù)，為世界大型爐窯技術(shù)進(jìn)步和超越創(chuàng)新奠定了堅(jiān)實(shí)

基礎(chǔ)。

2）多點(diǎn)高速均勻給料設(shè)備技術(shù)的配套使用。大型焙燒爐設(shè)計(jì)采用拋料機(jī)給料，具有多點(diǎn)、高速、均勻、靈活的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)較好地解決了傳統(tǒng)的溜料管設(shè)計(jì)導(dǎo)致的爐墻附近容易積料的隱患和一系列生產(chǎn)操作難題。

3）高效燃燒器的配套使用。焙燒爐點(diǎn)火烤爐和升溫安裝使用了北京凱明陽(yáng)熱能技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的燃油燃燒器或天然氣燃燒器，在大型焙燒爐上成功應(yīng)用十余年以來，開啟和操作簡(jiǎn)便，霧化效果好，燃燒充分，不需要備品備件和特殊維護(hù)維修，只需要在停爐檢修期間清理掉燒嘴處的積塵，即可重復(fù)正常使用，一般可以使用十年以上，堪稱國(guó)產(chǎn)化“物美價(jià)廉”的節(jié)能設(shè)備技術(shù)。

4）余熱資源利用率較高。大型鋅焙燒爐配套設(shè)計(jì)使用了流態(tài)化冷卻器和強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐，余熱鍋爐清灰采用高效專利設(shè)備，妥善解決了受熱面粘結(jié)礦塵的難題。焙燒爐溢流口排出的焙砂經(jīng)過流態(tài)化冷卻器后，焙砂溫度可以從900 ℃降低到600 ℃以下，再進(jìn)入高效冷卻圓筒冷卻至100 ℃左右。流態(tài)化冷卻器在冷卻焙砂過程中，回收的焙砂余熱用來加熱余熱鍋爐給水。按109 m2焙燒爐配套余熱鍋爐設(shè)計(jì)蒸發(fā)量28～36 t/h計(jì)算，相當(dāng)于每噸硫酸可回收3.8 MPa、252 ℃的飽和蒸汽1.27～1.39 t。

5）礦產(chǎn)資源回收率較高。由于大型鋅焙燒爐爐體開孔較少，密封條件好，改進(jìn)后的電收塵器出口煙氣中的塵質(zhì)量濃度可以達(dá)到100 mg/m3以內(nèi)[14]，焙燒工序金屬鋅的回收率達(dá)99.9%以上[15]。

6）勞動(dòng)生產(chǎn)率高。由于采用成熟先進(jìn)的自動(dòng)化、集成化、智能化先進(jìn)控制系統(tǒng)，操作人員精簡(jiǎn)，152 m2鋅焙燒爐比109 m2鋅焙燒爐系統(tǒng)減員30%以上，新建單系列300 kt/a電鋅全套裝置實(shí)際用工不到1 000人，系統(tǒng)開車率最高已達(dá)到99.65%。

2 展望

大型流態(tài)化焙燒爐屬于現(xiàn)代冶金爐窯的代表，其發(fā)展方向是多目標(biāo)整體優(yōu)化。多目標(biāo)整體優(yōu)化技術(shù)的基礎(chǔ)和核心是研制爐窯的全息仿真數(shù)學(xué)模型與全息仿真軟件，在此基礎(chǔ)上可建立優(yōu)化CAD設(shè)計(jì)、操作優(yōu)化決策支持系統(tǒng)（離線指導(dǎo)）或在線優(yōu)化控制系統(tǒng)[16]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有138 m2、150 m2硫鐵礦焙燒爐和109 m2、152 m2鋅焙燒爐設(shè)計(jì)過程中，在多目標(biāo)整體優(yōu)化基礎(chǔ)研究領(lǐng)域已取得了大量數(shù)據(jù)和成功經(jīng)驗(yàn)，建議設(shè)計(jì)單位以數(shù)據(jù)共享和全面深度合作交流為途徑，聯(lián)合更多的優(yōu)勢(shì)資源，加快186 m2和200 m2流態(tài)化焙燒爐優(yōu)化研究和設(shè)計(jì)建設(shè)的步伐，繼續(xù)全面集成創(chuàng)新，為現(xiàn)有大型流態(tài)化焙燒爐更新?lián)Q代提供科學(xué)、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，供設(shè)計(jì)研究參考。