喀拉通克銅鎳礦富氧側吹爐煙氣中單體硫析出的治理

劉清漓

（新疆新鑫礦業股份有限公司喀拉通克礦業有限責任公司 富蘊 836107）

喀拉通克銅鎳礦富氧側吹爐煙氣中單體硫析出的治理

劉清漓

（新疆新鑫礦業股份有限公司喀拉通克礦業有限責任公司 富蘊 836107）

對本礦富氧側吹爐煙氣中單體硫析出的原因進行了分析，指出其危害，并介紹了處理措施及取得的效果。

側吹爐 高價硫化物離解 單體硫 二次風 殘氧

0 前言

喀拉通克銅鎳礦富氧側吹爐，建成后于2011年3月15日投料，熔池熔煉處理銅鎳硫化礦。含O255%～60%的富氧空氣，由熔體面下500 mm處的一次風口鼓入爐內熔池，空氣由三層水套處的二次風口鼓入爐膛。特富礦、銅鎳混合精礦、石英石、焦粒，分別單獨計量后依次落入輸送皮帶，在皮帶上混合并從側吹爐頂加料管加入爐內，落入熔池渣層。

熔池渣層被100～110 kPa的富氧空氣激烈攪動、噴濺，在一次風口以上渣層中形成氣－液－固三相間的傳熱與傳質。渣層中爐料快速干燥、離解、熔化、氧化，完成造渣、造锍過程。鎳冰銅由虹吸池處虹吸放出，熔渣由虹吸池處渣口溢流，鎳冰銅、熔渣在流槽中匯合，共同注入貧化電爐澄清分離。熔煉產生的煙氣，經余熱鍋爐冷卻、電收塵收塵后，與轉爐煙氣在混氣塔中混合，進入制酸系統制酸，制酸后的尾氣由100 m煙囪排空。

制酸系統運行2個月后，其凈化工序的一、二級動力波、填料塔、板式換熱器等部件，均出現單體硫析出、堵塞問題，制酸系統被迫停車處理。

制酸系統停車后，煙氣經事故煙道直接排空，污染了環境，沒有起到新工藝環保的作用。冶煉車間意識到此問題的重要性，為解決單體硫析出，組成了專題小組展開攻關，終于使之得以解決。

1 單體硫產生的原因

喀礦側吹爐熔池熔煉，處理的是銅鎳硫化礦。銅鎳硫化礦物相中的高價硫化物主要有3種：鎳黃鐵礦（NiFeS2）、黃銅礦（CuFeS2）、黃鐵礦（FeS2）。這些高價的硫化物相，高溫下不穩定，在熔池中受熱后離解成穩定的低價硫化物，并放出氣態硫（即單體硫）。在火法冶金的作業溫度范圍內（1 000～15 000 K），氣態硫主要是雙原子的S2[1]。

可見，高價硫化物熱離解是單體硫產生的根本原因，并且不可阻止。

在中性或還原性氣氛中加熱時，黃銅礦的熱離解在550℃以上開始，800～1 000℃離解完全；黃鐵礦的熱離解在500～600℃開始，1 000℃左右離解完全[2]。

2 單體硫的氧化

銅鎳礦富氧側吹爐，爐膛溫度控制在900～1 200℃，熔池溫度控制在1 250～1 340℃，爐料從離開加料管進入爐膛空間開始，歷時約2 s落入熔池渣層，在爐膛空間及渣層中都會進行高價硫化物的熱離解反應而生成單體硫。只是，加料管與熔池面距離短，爐料在爐膛空間經過的時間短，爐膛空間中熱離解產生的單體硫少；而爐料在熔池渣層中停留時間長并完全離解，因此，單體硫主要產生在熔池渣層中。

熔池渣層中鼓入的O2主要參與以下反應（1500K）：

比較上述反應可以看出，氣態硫氧化與碳不完全燃燒的反應趨勢相差不大，但是碳完全燃燒及FeS氧化的反應趨勢明顯大于氣態硫氧化與碳不完全燃燒的反應趨勢，即碳燃燒與FeS氧化優先進行，其次才是單體硫的氧化。

因生成的單體硫為氣態，很快逸出熔池進入煙氣，因此，可以認為在熔池中，單體硫的氧化量應有限，單體硫的氧化應主要在煙氣中進行。

3 單體硫析出的原因

單體硫的沸點為444.5℃。煙氣從逸出熔池進入余熱鍋爐起至制酸工序，溫度呈現梯次下降。當煙氣溫度低于單體硫沸點時，單體硫即會析出。

3.1 單體硫氧化的條件及主要區域

單體硫在爐膛空間與熔池中離解生成后，很快進入高溫煙氣中氧化，為氣－氣反應，只要煙氣中殘氧量夠、煙氣溫度夠，該反應進行很快。

因此，決定單體硫氧化程度的因素是煙氣殘氧量、溫度。滿足這個條件的最佳區域為爐膛空間至余熱鍋爐段。

3.2 物料規格的影響

經過分析，試生產初期，因缺少熔池熔煉經驗，熔池溫度、爐膛溫度控制都偏低，另外，物料粒度過大、水分過高，導致物料在料庫秤量時量波動大。料量波動大，則單體硫析出量也大幅波動，而氧量不變，就會造成相應時間段內，單體硫量偏大，使煙氣中氧量相對偏低，從而破壞了單體硫的氧化。

3.3 二次風的影響

生產初期，系統處于磨合期，各種不可預見的突發性事故多，導致側吹爐經常停風。3～8月，側吹爐每月停風時間在80～110 h，側吹爐運轉率不到90%。停風后再開風時，水冷涼區域結瘤、爐頂水套區域及銅水套壁區域掛的渣，成塊、成片掉落，嚴重時，造成隔墻水套處涵道的堵塞，給側吹爐安全運行帶來危險。

前期生產重點，是保障側吹爐安全、連續運行，為此，工藝上減小二次風量以減輕上述區域的結瘤。這種做法，客觀上造成煙氣殘氧量低，削弱了單體硫的氧化程度。

3.4 燃料的影響

對于燃料，是粒狀好還是粉狀好，有不同意見。前期生產，焦粒中按1∶1配入焦粉，而焦粉輕，落不進熔池，在空中燃燒。使煙氣中C含量增加，C奪氧，進一步弱化單體硫的氧化。生產實踐表明：燃料中配入焦粉，要保持同樣的溫度，焦率需提高2～3個點。另外，煙氣中CO量增大。

3.5 余熱鍋爐的影響

余熱鍋爐壓力不足，蒸發量過大，煙氣在余熱鍋爐輻射段降溫過大，也減弱了單體硫的氧化。

上述原因，使單體硫的氧化不充分，導致單體硫在制酸凈化工序急劇降溫時析出。

4 對策及措施

⑴加強物料粒度的管理：粒度嚴格控制在5～20 mm。

⑵加強物料水分的控制，特別是混合精礦，使水分＜10%，其余物料，盡量保持較低的水份；物料庫減少灑水降塵。

⑶加強計量的標定，穩定流量；生產系統只要出現計量偏差，計量儀控人員馬上對計量設備進行檢查。

⑷提高熔池溫度與爐膛溫度：熔池溫度控制在1 300～1 340℃，爐膛溫度控制在900～1 200℃。

⑸提高二次風的配入：二次風按工藝配料計算量配入并略有過量。

⑹用好煙氣在線檢測設施，時時動態觀測煙氣中CO與殘氧量，為生產控制提供依據。

⑺取消燃料中焦粉的拌入，側吹爐燃料，完全由粒狀焦炭組成。

⑻提高一次風氧濃度。

⑼調整分料器，使布料更合理。

⑽事故停風，開風時，煙氣走事故煙道，穩定后制酸再拉煙氣。

5 效果

上述措施在生產中執行后，取得了較好的效果：

⑴煙氣殘氧量穩定在3%～8%，CO量控制在0.01%～0.03%。

⑵硫酸系統單體硫析出得到控制，硫酸系統運轉率及成品酸品質得到提高。

⑶爐溫波動減小，燃料率在滿足熱平衡的基礎上有所下降。

6 結語

銅鎳礦冶煉煙氣制酸系統單體硫析出，主要原因是在單體硫氧化的主要區域——爐膛空間至余熱鍋爐段，氧化程度不夠。我車間通過加強二次風配入、取消焦粉、提高爐溫、氧濃等措施，強化了單體硫的氧化，從而基本解決了制酸系統單體硫析出的問題。

[1]傅崇說.有色冶金原理.北京：冶金工業出版社，1984.

[2]杜子瑞.粗銅冶煉.1986.

收稿：2014-01-15