降低回轉窯天然氣單耗技術改造實踐

張 劍

（江西銅業集團公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

銅電解精煉生產過程產生的銅陽極泥，含有銅、金、銀、硒、碲、銻、鉑、鈀等有價金屬元素，需要進一步處理并回收［1］。從銅陽極泥中脫硒的方法大致可分為2類，即火法工藝和濕法工藝，其中火法脫硒仍占主導地位［2，3］。根據工作原理的不同，火法工藝又可細分為蘇打焙燒工藝、氧化焙燒工藝、卡爾多爐工藝和硫酸化焙燒工藝。其中，硫酸化焙燒工藝以其對原料適應性強、工藝簡單、硒直收率高、經濟效益好在工業上應用最為廣泛［4］。

目前，國內眾多生產廠家采用銅陽極泥伴入濃硫酸進行焙燒蒸硒，生產設備一般都采用回轉窯處理，回轉窯按能源類型分為電加熱、燃油加熱和燃氣加熱。

1 傳統回轉窯窯體結構簡介

貴溪冶煉廠銅陽極泥處理回轉窯是屬于傳統耐火磚結構：內墻采用高鋁磚，外墻采用輕質高鋁磚保溫；窯底底層是耐火磚，上層采用高鋁磚；窯爐頂是由7塊高鋁質澆注料灌筑成的爐頂蓋板組成。

正常生產過程中，窯體四周外表平均溫度為70～80℃。另外，由于回轉窯經過連續多年的生產，在反復開停窯升、降溫作業過程中，耐火磚結構窯墻體產生縫隙，特別是窯頭、窯尾兩面現象更嚴重。回轉窯爐頂是由7塊爐頂蓋板組成，采用耐火保溫材料灌注在15 mm鋼板模內，在生產及窯體檢修過程中，易發生破損，造成窯爐頂保溫性能差，爐頂外表溫度可達90℃以上。

2 存在的問題

2.1 傳統回轉窯窯體散熱量大

傳統回轉窯受耐火磚保溫性能影響，墻體外表溫度在70～90℃，與室溫相差較大，同時，在升降溫過程耐火磚發生熱脹冷縮，墻體逐漸產生裂隙，造成窯體密封性下降，導致回轉窯窯體散熱量大，熱能損耗較大。

2.2 裸露窯筒形成“冷熱橋”現象

回轉窯結構示意圖如圖1所示，窯筒與窯頭、窯尾兩端連接部位，窯筒兩端共有200～500 mm全部裸露在爐膛外，金屬窯筒將高溫爐膛與常溫下的爐膛外界連接，構成“冷熱橋”現象，使爐膛內熱量快速傳遞到外界，造成大量熱量流失。

圖1 回轉窯主體結構示意圖

2.3 窯內爐膛燃燒壓力大

該廠在回轉窯油改氣項目中，當時為節省生產改造成本，對原4臺供燃燒風的風機（2備2用）進行利舊。該風機型號2JWL－7.3A（雙級），風壓為：13～14 kPa，風量為3 500～4 000 m3／h。為匹配風機性能，在回轉窯天然氣燃燒系統設計時，將天然氣壓力燃燒壓力設計與風機壓力匹配。

回轉窯燃燒風、氣壓力越高，造成爐膛內燃燒壓力越高，增大了熱量向外擴散速度。

2.4 燃燒尾氣余熱量高

該廠5臺回轉窯燃燒尾氣都是通過一根15 m高煙囪，向外排放。回轉窯爐膛出口煙氣溫度高達300～450℃，燃燒尾氣帶走了大量熱量。

3 技術改造措施

3.1 改進窯體保溫性和密封性

保溫材料內部結構決定了保溫材料的絕熱效果，封閉口結構材料優于開口結構材料，封閉口結構有效防止了材料內部的熱對流和輻射，防止水汽進入材料內部，影響材料的絕熱性能［5］。針對傳統耐火磚結構體回轉窯存在保溫性和密封性的技術缺陷，綜合考慮施工難度和改造成本，選用2種新型高效的節能保溫材料：CAS鋁鎂質膏體和硅酸鋁纖維棉。

在回轉窯墻體四周增加一層CAS鋁鎂質膏體，提高窯體保溫性。在窯體外增做保溫層試驗，試驗結果數據如圖2所示。隨著膏體層厚度增加，窯外表溫度會逐漸下降，當膏體保溫層厚度達到20 mm時，窯體外表溫度降低至40℃左右，膏體保溫層厚再增加窯外表溫度變化不大。因此，在回轉窯體外墻，用CAS鋁鎂質膏體增做一層20 mm保溫層，將窯體外表溫度由70～80℃控制在40℃左右。

圖2 窯體外表溫度隨膏體層厚度變化情況

重新設計制作爐頂蓋，采用硅酸鋁纖維棉保溫材料，用鋼結構做支架，替代傳統澆注料爐頂蓋，窯頂的保溫性和密封性得到顯著提升，爐頂溫度由90℃以上降至35～40℃，基本與室溫接近。

3.2 消除裸露窯筒“冷熱橋”現象

裸露窯筒溫度一般在200～300℃。采用CAS鋁鎂材質膏體，對窯筒頭尾兩端裸露部分進行包裹，采取有效保溫措施，將溫度降低至50℃左右，消除“冷熱橋”現象。

3.3 降低爐膛燃燒壓力

經與天然氣燃燒器設備廠家和同行業對比交流，該生產條件下的回轉窯天然氣燃燒壓力一般控制在5～10 kPa。因此，在保障焙燒溫度達到工藝條件下，進行回轉窯風、氣燃燒壓力調節試驗。

在原燃燒風總管增裝一個排空閥對風壓進行調節，通過天然氣壓力調節閥對天然氣壓力進行調節，將風、氣壓力逐段下調。經過生產試驗論證，天然氣、燃燒風壓力下降，焙燒溫度能達到工藝參數范圍，天然氣瞬時耗量平均減少5%～8%，調壓前后瞬時流量變化情況見表1。根據試驗結果，重新選型燃燒風風機，改用同風量、低風壓風機9－19，風量3 921 m3／h，全壓650 Pa，實現回轉窯風、氣低壓燃燒。

表1 調壓前后瞬時流量變化情況表

3.4 燃燒尾氣余熱復利用

為對燃燒尾氣余熱進行復利用，提高天然氣熱利用率。設計一款2.5 m2管式助燃風熱交換器，安裝在每臺回轉窯煙道出口，燃燒尾氣與燃燒風進入熱交換器，進行逆向熱交換。經過熱交換器后，燃燒風從常溫升至85℃左右，燃燒尾氣由300～450℃降至130～180℃。

燃燒風經熱交換，帶入的熱量計算公式［6］：

式中：C為空氣比熱容，查表得1.003 J／kg·K，M為空氣質量，查表得1.29 kg／m3，燃燒風瞬時流量為320 m3／h，T△為燃燒風加熱前后溫差85－35＝50℃。

所以：

經過熱交換器后，單臺窯燃燒風每小時對燃燒尾氣回收熱量為20 701 J。

4 實施效果

通過對回轉窯墻體和窯筒體裸露部分增加新型膏體保溫層、降低燃燒風氣壓力控制、燃燒尾氣余熱復利用等技術改進措施，大幅度改善回轉窯整體保溫性和密封性，提高了傳統回轉窯熱利用率。回轉窯正常運行時，天然氣瞬時流量由50～60 m3／h降低到35～40 m3／h，銅陽極泥回轉窯硫酸化焙燒天然氣單耗降低了20%～30%。

5 結束語

本次技術改造實踐，一是充分利用了新型高效保溫材料技術優勢，二是將新型保溫材料與傳統回轉窯進行有效結合，改造施工簡單，改造成本低。經過對回轉窯及燃燒控制進行技術改進，大幅度提高了天然氣熱利用率，降低銅陽極泥處理能源消耗，實現了能源的高效利用。