粉煤在鉛側吹還原爐生產實踐中的運用

楊 偉，何勇毅

（云南馳宏鋅鍺股份有限公司礦冶研究院，云南 曲靖 655000）

在國內能源消費結構中，煤炭作為其中規模最大的化石能源類型，怎樣“清潔、高效、安全”的使用煤炭是傳統冶煉行業亟待解決的問題。粉煤是原煤經球磨機磨制成200 目以下的細粉制成的，即便粉煤在使用過程中伴隨著一定的問題，但其優越的燃燒性質依舊是眾多冶煉企業選擇煤炭用于燃料的主要因素。所以，做好粉煤開發利用，是提升能源利用率、合理控制環境污染等的主要方式[1]。

云南馳宏鋅鍺股份有限公司在這些年發展中，在全國范圍內逐漸形成三大鉛鋅冶煉基地，分別為“呼倫貝爾馳宏礦業、曲靖資源綜合利用、會澤冶煉”。三大鉛鋅冶煉基地粗鉛冶煉系統生產均以“富氧頂吹熔煉-液態鉛渣側吹還原”煉鉛工藝為主。其中呼倫貝爾馳宏礦業與曲靖資源綜合利用、會澤冶煉粗鉛冶煉系統所使用的燃料上存在較大的差異，呼倫貝爾馳宏礦業鉛系統富氧頂吹熔煉爐及側吹還原爐均使用粉煤作為燃料。側吹還原爐用于處理上游富氧頂吹熔煉爐產出的液態富鉛渣，產出粗鉛及還原渣，還原渣放入下游煙化爐，煙化揮發回收各種有價金屬。呼倫貝爾馳宏礦業側吹還原爐整體呈矩形狀，爐體兩側設有25 個一次風嘴及4 支粉煤噴槍，爐身采用整體銅水套設計，爐缸區域、爐底、虹吸道用鋁鉻質耐火磚進行砌筑形成一個整體。

1 粉煤在呼倫貝爾馳宏礦業的使用情況

呼倫貝爾馳宏礦業側吹還原爐使用粉煤快1 年，從粉煤在冶煉過程中的使用情況來看，主要是為冶煉過程提供足夠的反應熱，并不參與粗鉛冶煉過程的還原反應。

1.1 粉煤作為燃料為冶煉過程提供熔池反應熱

從成分結構上看，粉煤的組成元素主要包括灰分、固定碳、以及氮、硫或其它元素。呼倫貝爾馳宏礦業側吹還原爐使用的粉煤主要成分見表1。

表1 呼倫貝爾馳宏礦業粉煤主要成分

粉煤經特制的噴槍由粉煤輸送系統強制送入爐內，在氧勢過剩的條件下，粉煤全部燃燒，為熔煉提供充足的反應熱，不參與熔煉過程中爐內的還原反應。其主要反應方程式如下：

1.2 側吹熔煉還原爐熔池運動狀態

側吹還原爐熔池的運動狀態是由特制的噴槍強制鼓入爐內的燃料、氧氣、氮氣及其他氣體的共同作用的結果。燃料、氣體射流由特制的噴槍噴射出后，沿射流的正前方向熔池擴散，該工況狀態下射流四周的高溫熔融渣、半熔融的冷料沿射流束流來。射流速度越大渣、半熔融液流向射流的運動速度也就越大。射流帶動高溫熔體向噴槍出口四周擴散運動，高溫熔體的阻力衰減射流的動能，減緩射流向爐內四周擴散，在相互運動的過程中高溫熔體完成傳熱、傳質發生物理化學反應。此時，射流依舊保持著氣柱或火舌的形狀，當達到一定高度后，在主射流的頂端發生氣相與液相的交融混合，進而形成氣泡不斷的向熔池液面擴展。氣體上升到熔池表面，就會溢出，高溫熔融液體流向四周產生回流，促使熔池內的高溫熔融液體進行往復循環流動。此過程往復循環，使氧氣及其他助燃氣體促使粉煤劇烈燃燒將熱量傳遞給熔池，保證熔池足夠的反應熱。側吹還原爐熔煉的熔池運動狀態有別于頂吹、底吹爐熔煉過程的熔池運動狀態及高溫熔體的流動特征，側吹還原熔煉熱循環自噴槍及風嘴側向熔池中心傳遞，氣流束使熔池得到更充分的攪動動能，具有更為良好的傳熱、傳質，鼓入的氣體及燃料利用效率更為高效[2]。

側吹還原熔煉期間，應用的主要設備便是側吹還原爐。其中關鍵技術是還原爐噴槍。

1.3 側吹還原爐粉煤噴槍的工作原理

還原爐噴槍開發使用近10 年的時間內，其理論研究的資料相對少，以下借鑒公司內部其他側吹還原爐噴槍的基本原理，對側吹還原爐粉煤噴槍進行初步分析。

1.3.1 噴槍出口的結瘤

在噴槍內，助燃氣體以及粉煤在其中具有較高的流速，內部停留時間有限，不超過1/100s，流量大、受熱比表面積小，因此其單位質量氣體與其周圍環境的熱交換可忽略不計，故而氣體在噴槍內的高速流動是絕熱的。當噴槍內的氣體及粉煤流速越快，氣體的溫度隨之降低，尤其是當流速達到170m/s 以上時，溫度降幅較快，故而氣體對噴槍出口產生冷卻的作用。由于高速氣體的冷卻，當噴槍出口與銅水套溫度低于高溫熔體固化溫度，高溫熔體同噴槍出口端部接觸，高溫熔體開始固化，結瘤生成，致使噴槍出口逐漸堵塞，該情況對噴槍整體運行不利。

經還原爐粉煤噴槍供入爐內的為粉煤、高純氧氣以及氮氣，入爐瞬間氧氣與粉煤發生劇烈燃燒放出大量的熱，較高的溫度及高速噴出的氣體及燃料使其噴槍出口處不結瘤，結瘤存在于還原爐一次風嘴出口處。根據公司內其他側吹還原爐噴槍使用情況得出，在噴槍出口的外圍高速噴出的氧氣或者其他惰性氣體，不僅能夠對噴槍出口進行強制的冷卻，同時也能夠在噴槍出口位置之后，也能夠產生惰性氣體或者氧氣遮護，能夠對高溫熔體以及氧氣之間的接觸起初阻隔效果，對噴槍起到保護的作用，避免高溫熔渣出現侵蝕、燒損噴槍，增加噴槍使用年限。不過起到的保護作用效果有限，結合結瘤必要條件，運用氧氣、氮氣、壓縮空氣對噴槍出口、一次風嘴出口進行強制冷卻，包括增加氧氣、氮氣、壓縮空氣流量，以及從噴槍中供入一定量的水等，人為造成噴槍出口及風嘴出口位置處結瘤的條件，生成結瘤及蘑菇頭。蘑菇頭形成阻隔了高溫熔體對噴槍、風嘴端頭及四周爐體、耐火材料的侵蝕、燒損，更加有效的保護了噴槍、風嘴端頭及其爐體[1]。

側吹還原爐噴槍生成和保持穩定的蘑菇頭，取決于噴入爐內氣體的冷卻作用與高溫熔體之間熱量傳遞的平衡。結合煉鋼工業頂底復吹轉爐，根據蘑菇頭熱量收支平衡，推導出下列方程式：

由此能夠得到，生成蘑菇頭與高溫熔融熔體過熱度Ts 之間存在密切關系。側吹還原爐還原煉鉛，由于噴槍插入渣層其過熱度高達1050℃以上，需采用相應的措施才能生成穩定的蘑菇頭。

1.3.2 還原爐噴槍侵蝕的原因

還原爐噴槍蝕損的主要原因是燒損。噴槍噴出的氧氣、氮氣、粉煤，進入高溫熔體，熔體中的物質與氧、煤發生氧化反應，氧勢過剩情形下，都以放熱反應為主，并且能夠給正常熔煉提供熱量，只有這樣，才能夠確保反應過程有序開展，同時噴槍出口端也生成高溫區域。在實際生產過程中，測量側吹還原爐水套爐壁的溫度，側吹還原爐粉煤噴槍區域溫度高于其它區域溫度約幾十度，說明側吹還原爐粉煤噴槍出口端的溫度比其它區域單位溫度更高。高溫區域靠近噴槍端出口，造成了噴槍被逐漸的燒損。側吹還原爐粉煤噴槍出口端生成高溫區域造成粉煤噴槍逐漸燒損，就應使生成高溫區域，在滿足生成工藝要求的前提下，盡可能使高溫區域的溫度降低，這樣既可以減緩粉煤噴槍的燒損，也能滿足日常生產需求。在生產實踐表明，當粉煤噴槍的粉煤、氧氣的供入量和這兩種物質的量的比例在一定范圍內時，粉煤噴槍的使用的壽命會相應的延長，反之，粉煤噴槍的使用壽命短。

1.4 側吹還原爐粉煤噴槍通道結構

還原爐粉煤燃燒器為特制的粉煤噴槍，粉煤噴槍為4 層同心套管（如圖1 所示），由內而外粉煤從最內層通過，氮氣從第二層通過，氧氣從第三層通過，粉煤及氧氣的量最低按照1:2 進行配比，嚴禁氧氣量低于粉煤的給入量，保證粉煤的充分燃燒。側吹還原爐粉煤噴槍氣體通道在設計過程中均呈“凹”槽狀，其主要目的是為保證氣體在通過噴槍出口時能形成多個細小氣流束，這些氣流束高速噴入熔池，有利于粉煤燃燒加速傳熱、傳質，避免熔融爐渣的噴濺；另外，在氣體壓力低、斷流切換應急氣源時，避免高溫熔體倒灌堵塞噴槍通道，從而影響噴槍的使用。“凹”槽結構設計下高速噴出的氣束，穿透力、攪動力強，傳熱、傳質效果好。氣流束強大的穿透能力，對高溫熔池而言，將會產生噴濺，不過能夠合理避免有關惡性有害的噴濺，整臺冶金爐的震蕩幅度小、頻率低。另外，氣束強大的穿透能力，熔池表面呈熔融狀，而不是翻騰狀，此狀態并不影響冷料的加入以及物料快速的混合及反應，熔池面具有平穩性，這樣能夠確保在完成冶金還原反應基礎上，沉淀鉛金屬，及渣含鉛的進一步降低。

圖1 側吹還原爐粉煤噴槍出口截面圖

2 結語

通過工業生產實踐證明，側吹還原爐使用粉煤、粉煤噴吹設備、粉煤噴槍設計已日益成熟，不僅能在側吹還原煉鉛工藝領域內應用，亦可在其它有色金屬冶煉、甚至火力發電站上進行運用[2,3]。

（1）延長側吹還原爐粉煤噴槍應用年限非常關鍵。隨著其應用年限的延長，能夠增加其有效作業率水平，將冶煉成本控制到最低，合理控制綜合能耗水平。

（2）側吹還原爐粉煤噴槍供入的氧氣、粉煤量大小及兩種物質入爐的比例關系，對還原爐粉煤噴槍的壽命至關重要，在噴槍氣體通道及燃料通道的設計和日常使用中需引起管理者、操作人員足夠的關注[3]。

（3）側吹還原爐粉煤噴槍結構、噴槍材質、氣流量等控制參數，還有進一步優化的空間。