魯奇式大型焙燒爐的參數分析與結構改進

袁富明

(株洲冶煉集團股份有限公司,湖南株洲 412004)

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魯奇式大型焙燒爐的參數分析與結構改進

袁富明

(株洲冶煉集團股份有限公司,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,以及爐殼、空氣分布板、磚體等結構特點。結合生產實際,提出了采用墻體噴補、爐頂整體澆注等多項改進方法。

流態化沸騰爐;床能率;床面積;鼓風量;高度;溫度

流態化焙燒(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,1957年我國第1臺沸騰爐在葫蘆島鋅廠投產。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臺在株洲冶煉集團建成投產,以后又在云冶集團、豫光金鉛、商洛冶煉廠等地建成了多臺109 m2沸騰爐,經過近20年的努力,煉鋅焙燒爐已實現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點:一是爐床面積大,爐內熱容量大且均勻、溫差小、物料與空氣接觸的表面積大、反應速度快、傳熱傳質效率高;二是上部增加了擴大段,使得煙氣流速和煙塵率降低,延長了煙氣在爐內的停留時間,煙氣中的煙塵得到充分焙燒,煙塵中的含硫量降低,提高了煙塵質量。

1 魯奇式大型焙燒爐的主要技術參數分析

1.1 床能率

焙燒爐床能率是衡量爐子生產能力的一個重要參數,標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系,在焙燒參數(操作溫度、線速度、鼓風量)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,為維持爐內的操作穩定,此時處理的精礦則要減少,床能率下降,反之亦然。因此,在設計中確定床能率和日處理量時,要特別注意精礦含硫量的穩定性,不宜選擇精礦含硫量的低限。

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

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

操作氣流速度是爐子流態化的先決條件,若操作氣流速度過小,不能形成流態化;過大,則形成氣動狀態,二者均影響爐子的正常穩定;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,操作氣流速度大,煙塵率亦大,故應在保持良好穩定的流態狀態和一定的煙塵率的情況下,選擇合理的操作氣流速度。鼓風量取決于精礦中含硫量,而硫化層內的溫度取決于物料的性質。

當今鋅精礦流態化焙燒爐的床能率已經是一個成熟的參數,一般5～7 t/m2·d,例如株冶集團的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

鋅精礦流態化焙燒爐正常生產時,流化層是變化的,液化層高度一般由爐料在爐內停留時間、流化層的穩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,物料在層內停留時間延長,則焙燒反應時間也愈長,化學反應愈充分,焙砂質量愈好;另可使流化層物料容量增加,層內的熱容量增加,流態化狀況穩定,易于操作,方便布置排熱裝置;但是流化層過高,勢必增加鼓風機壓力,動力消耗增大。而流化層高度過低,容易產生氣溝,正常穩定的流態化難以維持。

根據鋅精礦焙燒物料在流化層內平均停留時間,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。

床面積由下式決定:

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。

通過工藝計算,得知每噸物料產生的煙氣量,根據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,太大了擴大段容易積灰。

流化層以上應有一定的直線高度,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到一定高度后能夠大部分重返流化層的高度。鋅精礦流態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反應,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/ 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構

2.1 爐殼結構

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。要求精確設計,高精度制造安裝,確保砌體質量和砌體的整體性,以保證爐子壽命。

爐底設置環形支承板,要求平整度3 mm。垂直段與擴大段、擴大段與爐膛、爐膛與爐頂設置3塊環形支承板,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 空氣分布板的設計

空氣分布板是流態化焙燒爐的關鍵部分,直接影響焙燒爐的操作與正常運行,要求結構合理、布風均勻,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,上邊用扁鋼點焊連接。這種箱形結構的分布板制造、安裝容易,精度易于保證,且使空分布均勻,在大型流態化焙燒爐上的成功應用,解決了大型沸騰爐分布板結構的難題。分布板共安裝了10 900個與傳統風帽不同的直形風帽,風帽之間澆注152 mm厚的耐火澆注料。

2.3 磚體設計

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厚的輕質保溫磚,內砌310 mm厚的高鋁磚。拱頂設計為球形,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 運行情況

自1992年西北冶煉廠引進第1臺109 m2沸騰爐起,在全國各地已建有多臺,近20年來,109 m2沸騰爐運行狀況比較好,投料量超過設計指標,床能率達6 t/m2·d以上,焙砂質量、煙塵率等各項指標均達到設計要求。但是運行中存在如下問題:

1.冷卻埋管容易磨損穿孔,影響沸騰爐的正常生產運行。

2.流化段、爐氣出口、爐頂、3圈環形支承板處磚體炸裂嚴重,特別是爐頂磚體炸裂,已影響到爐頂結構的安全和停爐期間爐內作業人員的安全。停爐時,操作人員必須到爐內清礦、檢修,曾經爐頂炸裂的大半塊磚從10多米高處砸下來,幸未發生安全事故。

3.膨脹節、爐頂冒煙嚴重,污染了現場環境。

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

4 結構改進

針對上述存在的問題,應采用如下改進方案。

冷卻埋管是維持爐內熱平衡的重要元件,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,當流化層操作溫度在850℃左右時,20G高壓鍋爐鋼管使用壽命達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,提高管子的耐磨、耐熱性能。

109 m2焙燒爐爐型大,受力大,要求磚的強度高,同時沸騰爐是酸性環境,選用強度高的中性高鋁磚有合理的一面,但是當時設計沒有考慮到高鋁磚的熱震穩定性較差,溫度變化時容易炸裂。針對流化段、環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行噴涂保護,具體做法是:清除原有的炸裂磚體并用高壓風吹掃干凈,在原磚體上布置錨固筋和掛鋼絲網,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,筑高強度低水泥澆注料。株冶集團2005年爐氣出口磚體炸裂倒塌后,改筑澆注料,已安全使用到現在。

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,一般200 mm寬,膨脹節外罩耐高溫的玻璃布。但是玻璃布容易腐蝕穿孔。可以用以下兩種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構,煙氣由水平進入鍋爐改為從上往下垂直進入鍋爐,上邊、二側邊消除了水平對接的膨脹節,只在箱體下邊留一定膨脹縫。例如株冶集團的6#沸騰爐就采用此結構,成功解決了膨脹節冒煙問題(這點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.將直通式膨脹節改為密宮式膨脹,膨脹節內筑一層加耐火纖維的澆注料+一層纖維板+一層鋼絲網,然后再澆注料+纖維板+鋼絲網,……,外加耐高溫的玻璃布;株冶集團2007年采用此結構,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度原因,但是爐頂采用熱震穩定性較差的高鋁磚絕對是個錯誤。要改進此錯誤,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,消除頂磚內部容易產生應力的凹凸槽,采用四面楔形結構。

2.采用河南洛華公司的整體澆注技術:拱腳外殼若干毫米厚的抱箍圈+支撐內模+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,爐頂的密封性比磚砌好,成功解決了爐頂冒煙的環保問題,現在洛華公司正在大力推廣此技術。

為了解決錐形段殼體外鼓,必須加強殼體支撐:在錐形段殼體上加焊支撐鋼板。

[1] 《有色冶金爐設計手冊》編委會.有色冶金爐設計手冊.北京:冶金工業出版社,2000.

[2] 葛霖.筑爐手冊[M].北京:冶金工業出版社,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計、施工、監理工作。

2010-08-10