大型流態化焙燒爐穩定運行要素探析

陳永進

（湖南株冶有色金屬有限公司信息裝備部，湖南 衡陽 421511）

1 流態化焙燒爐生產工藝原理

鋅冶煉行業一般都是采用流態化焙燒爐對鋅精礦進行焙燒，產生氧化鋅和二氧化硫氣體進入下一道工序。其焙燒的主要目的是盡可能將鋅精礦中的硫化物氧化成氧化物并產生少量硫酸鹽，同時盡量減少鐵酸鋅、硅酸鋅的生成，以滿足浸出對焙燒礦成分和粒度的要求及補充系統中一部分硫酸根離子的損失。同時得到較高濃度的二氧化硫煙氣以便于生產硫酸。

鋅精礦流態化焙燒也叫沸騰焙燒，固體顆粒在氣流的作用下，構成流態化床層似沸騰狀態，被稱作流態化床或沸騰床，流態化焙燒爐一般也稱作沸騰爐。其原理就是利用具有一定氣流速度的空氣自下而上通過爐內礦層，使固體顆粒被吹動，相互分離而呈懸浮狀態，達到固體顆粒（鋅精礦）與氣體氧化劑（空氣）的充分接觸，以利于化學反應進行，提高焙燒礦質量。

2 流態化焙燒爐爐型

流態化焙燒爐一般分為道爾式和魯奇式沸騰爐兩種形式，即直筒型爐和上部擴大型爐兩種。

傳統的沸騰焙燒工藝流程中采用的焙燒爐一般爐床面積較小，大部分采用道爾式沸騰爐，爐型直筒型，帶有前室，采用前室加料方式-爐料通過前室加料管進入前室流態化床層，再由前室送往沸騰爐本床，爐料中混入的各種重物及大塊，會沉落在前室，生產中有時會短時間停風停料定期清理。傳統沸騰焙燒爐大多是側孔式風帽。

魯奇式沸騰爐目前已被廣泛應用，并充分顯示了優勢，具有焙燒強度大、熱穩定性好、連續作業率高、爐體壽命長等優點。其爐型主要采用上部擴大的結構形式，以延長煙塵在爐膛內的停留時間來保證煙塵質量。魯奇式沸騰爐特點是爐體設計二個拋料口，每個拋料口各配置一臺拋料機，干燥后的鋅精礦通過分配圓盤其中一個下料口落入拋料機高速運行的皮帶上，被快速拋入沸騰爐內，直接進行沸騰焙燒。

隨著制酸工業和冶煉技術的不斷發展，生產規模的不斷擴大，為了提高處理能力，減少消耗，穩定質量，提高勞動生產率，流態化焙燒爐正朝更大型化的方向發展。目前世界上最大的流態化焙燒爐床面積達152m2，我國目前有3臺152m2流態化焙燒爐已成功應用于工廠生產，白銀有色集團股份有限公司公司1臺，株洲冶煉集團股份有限公司2臺，當前還有1臺河南金利金鉛集團有限公司正在建設中。

3 魯奇式流態化焙燒爐爐體結構

流態化焙燒爐結構形式如見圖1所示，爐體結構一般由鋼殼內襯保溫磚再襯耐火磚構成。為防止冷凝酸腐蝕，鋼殼外面有保溫層。爐子的最下部是風室，設有空氣進口管，其上是空氣分布板。空氣分布板上是耐火混凝土爐床，埋設有許多開小孔的風帽。爐膛中部為向上擴大的圓錐體，上部焙燒空間的截面積比沸騰層的截面積大，以減少固體粒子吹出。沸騰層中裝有冷卻埋管，爐體還設有進料口、溢流口、煙氣出口、燒嘴口等。爐外接有控制系統相關數據采集點，如溫度、壓力測點等，數據平穩可連續進行采集，使整個工藝系統可方便的進入計算機網絡控制中，以提高焙燒爐生產系統的控制水平。（以下流態化焙燒爐都是指魯奇式）

圖1 流態化焙燒爐結構形式

流態化焙燒爐爐體自上而下依次分為爐頂、爐體側壁和爐底。我國目前的大型流態化焙燒爐一般都采用耐火澆注料澆筑的整體球頂，此項技術得益于我國近幾年耐火材料行業的技術發展和筑爐施工技術的進步，充分解決了磚砌爐頂結構存在熱脹系數不匹配、結構分層導致爐頂大面積損壞的問題。整體澆筑球頂優勢在于爐頂強度高、整體性強、密封性好、施工工藝簡單方便、壽命延長。

爐體側壁從外往內一般為保溫外殼、保溫石棉板、鋼殼、保溫磚、耐火磚（或澆注料），磚體采用錯縫砌筑，爐墻厚度一般為400mm～500mm；爐底一般為采用耐火澆注料內設風帽的爐床。

4 大型流態化焙燒爐常見損毀機理分析

工作中的流態化焙燒爐是一個非平衡熱力力學體系，焙燒爐的各部分的熱、力、氣流情況都不一致。爐體上部爐溫最高，可達1100℃～1200℃，受到熱沖擊最大，且受到高溫二氧化硫煙氣的腐蝕作用和沖刷作用，是爐墻結構最為疏松的部位，尤其是煙道口，是最易受損壞部位。爐頂由于爐體橢圓變形和傾斜，接觸面縫和其他縫隙會產生易變，最易冒煙。

爐體中部是錐體形狀，每層結構和每種材料的砌塊尺寸都不相同，砌塊尺寸種類多，砌塊砌筑質量要求高，施工非常麻煩，而且其砌體穩定性和致密性直接受下部影響。在長時間運行操作中，砌體體積變化灰縫強度低，會出現砌體分層開裂情況。

爐體下部基礎砌塊受到整個上面爐墻的荷重，還要承受沸騰床面急劇的溫度變化和氣流沖刷，加上內設冷卻埋管產生急劇熱交換這些非平衡熱沖擊力和各種孔洞的結構上的不平衡力的共同作用，使下部砌塊受力變形，體積不均勻收縮，工作面受熱變形膨脹剝落的情況最為嚴重。

5 大型流態化焙燒爐溫度場分析

溫度場分析旨在全面了解焙燒爐在運行過程中各個部位的溫度情況，指導實際生產過程中工藝參數的設定，掌握工藝參數變化帶來的趨勢影響，實現連續監控保障穩定運行。流態化焙燒爐主要包含磚體爐襯、爐殼、保溫層、頂梁、爐頂蓋、爐床澆注料、底梁、風箱和加強筋等結構。溫度場分析考慮的主要對象是磚體、爐殼、保溫層以及澆注料等結構材料，它們對爐子結構的溫度場分布起主要作用。

流態化焙燒爐溫度場分析首先需要確定涉及的三類邊界條件：定溫邊界條件、對流換熱邊界條件和熱輻射邊界條件。焙燒爐在焙燒一定物料的穩定工況下，焙燒工藝溫度是確定的，其爐膛內壁溫度及流態化床面溫度也是一定的。以株洲冶煉集團股份有限公司152m2焙燒爐為例，定溫邊界條件為內壁溫度可定為920℃，流態化床面溫度可定為200℃；對流換熱邊界條件為環境大氣溫度20℃以及不同溫度段下的爐頂對流換熱系數和爐壁對流換熱系數；輻射邊界條件為隔熱磚和整體澆筑球頂的黑度的設定。

根據某設計院仿真模擬分析：焙燒爐爐身和爐頂外保溫層大部分溫度在50℃左右，在靠近托板的位置以及出煙口處外保溫層溫度較高，最高至120℃。在爐體各段（流化床段、錐段、擴大段和爐頂拱腳段）分界處的周向環狀托板，因其承載耐火磚砌體，需深入磚體內，其溫度均較高，最高內側溫度達627℃，外側為458℃。由于鋼材的熱傳導系數比耐火磚砌體大很多，因此大量熱量通過托板向外傳遞，導致托板附近的爐殼溫度顯著升高，最高至458℃。越遠離托板，托板溫度產生的影響越小，爐殼溫度趨于正常，遠端爐殼溫度約為220℃。

6 大型流態化焙燒爐應力場分析

應力場分析旨在全面了解焙燒爐在不同溫度場下各部位結構的受力情況和各部位材料的變形趨勢變化，保障焙燒爐的安全運行。應力分析考慮的主要對象為爐殼、爐頂、底梁、拱腳圈梁以及加強筋。應力場分析的邊界條件主要包括有：重力載荷、溫度載荷、材料參數以及爐底受固約束條件。

同樣以某設計院對流態化焙燒爐的應力分析為例：爐殼應力較大的位置分別出現在錐段爐殼上下兩端和爐頂拱腳處，最大應力分別為457MPa、435MPa和254MPa。爐殼內部各圈托板處加強筋的最大應力分別為240MPa、160MPa、180MPa、100MPa，均小于材料屈服強度。爐殼外部加強筋以錐段爐殼下部的加強筋板應力最大，為235MPa，主要為豎直方向的拉應力，這是由于該處托板往外頂引起。

7 大型流態化焙燒爐爐體結構分析一（爐頂拱腳圈梁）

大型流態化焙燒爐爐床面積增大后，引起上部爐膛直徑和整體荷重增加，以152m2焙燒爐為例，其爐頂直徑達到18.5m，爐頂重量高達500T。根據大型流態化焙燒爐爐體結構圖及溫度場和應力場的分析，焙燒爐爐頂拱腳圈梁是焙燒爐爐體結構中最為重要的受力體，整個爐頂的重量通過爐頂拱腳圈梁傳遞到爐殼上；同時爐頂拱腳圈梁區域也是二氧化硫高溫煙氣腐蝕沖刷比較嚴重的區域，是產生爐體漏煙相對比較薄弱的區域。

爐頂拱腳圈梁受到的總載荷F為爐頂對其產生對作用力，爐頂總載荷F又可分解為水平推力F1和垂直壓力F2，水平推力和垂直壓力的大小與爐頂的中心角有關，最終這些力又全部傳遞到爐殼上。

對爐頂拱腳圈梁進行結構分析的意義在于對大型流態化焙燒爐爐頂的安全穩定運行監控、拱腳圈梁運行狀態監控和修補措施、爐殼及保溫層運行狀態監控和修補措施提供相關數據和理論支撐。

拱腳圈梁目前一般采用澆注料整體澆筑的形式，與爐殼的連接部位為內圈筋板。在大型流態化焙燒爐運行一段時間后，拱腳圈梁會因為種種原因而出現開裂、破損、掉落的情況，此時的拱腳圈梁處的內圈筋板會出現被高溫二氧化硫煙氣燒蝕和腐蝕的情況，從而導致拱腳圈梁的受力支撐件-內圈筋板缺失原有的設計能力；同時，在此狀態下，爐內高溫煙氣對爐殼的熱傳導加劇，使爐殼溫度升高；一旦爐殼運行溫度高于爐殼材質的屈服強度，導致爐殼的垂直度、水平度、橢圓度發生超設計范圍的變化，爐殼產生嚴重變形，原有穩態的應力場出現重大偏差。從而使整個爐體處于一個極端危險的狀態，甚至出現被迫停爐報廢的情況。

所以，在大型流態化焙燒爐運行過程中，建議對爐殼溫度進行實時監控、對爐殼變形進行定期測量、對爐內耐材特別是拱腳圈梁在年度停產檢修時進行檢查。如出現異常情況，檢修方案也必須圍繞以上的幾個因素，解決爐殼變形的繼續惡化、保護拱腳圈梁的內圈筋板，以保證整個爐體結構的穩定。

8 大型流態化焙燒爐爐體結構分析二（煙道口軟連接）

大型流態化焙燒爐煙道口即焙燒爐爐體與余熱鍋爐的煙氣連通口，參照設計計算參數焙燒爐煙氣出口和余熱鍋爐煙氣進口的相對位移可以達到80mm，所以在保證焙燒爐和余熱鍋爐安全穩定的情況下，必須在其立體各個方向留有足夠的空隙。所以煙道口的結構不是一個密封整體，而是通過軟連接將焙燒爐煙氣出口和余熱鍋爐煙氣進口連接起來，阻止煙氣外泄。

根據大型流態化焙燒爐的生產工藝特點，高溫二氧化硫的煙氣溫度一般為1100℃，爐氣出口壓力一般為-50Pa～+50Pa，偶爾正壓達到100Pa。在大型流態化焙燒爐運行過程中，煙道口勢必會出現漏煙的情況，從而對煙道口周邊設備設施造成腐蝕，同時對環境造成極大的影響，甚至造成環保事故。

現有煙道口的軟連接上、下、左右分三種結構，如圖所示（圖2上、圖3左右、圖4下，圖中數據僅作參考）

圖3 左右

圖4 下

為保證煙道口不漏煙氣，就必須保證軟連接結構的穩定和軟連接材料的使用壽命。根據圖示軟連接由蒙皮、填料一和填料二組成。一般性軟連接材料介紹：蒙皮采用普通的耐火布制成、填料1使用的是普通礦棉、填料2使用的是普通的耐火纖維。填料基本都是散狀的，沒有固定成型，密封達不到預期效果，從使用經驗上來看，一般焙燒爐在運行半年左右煙道口軟連接處就會因損壞而漏煙。

究其原因：散狀填料在使用一段時間后容易老化，且在設備運轉過程中，隨著內部壓力的變換，散狀填料會隨著氣流而流失，長久之后填料會越來越少；同時采用普通的耐火布制成蒙皮本身抗拉強度和耐溫性能不足，加之散裝填料流失后，高溫二氧化硫煙氣加快對蒙皮的損壞速度。久而久之會因為高溫和疲勞而導致整個軟連接失效漏煙。

所以在大型流態化焙燒爐煙道口處的軟連接的改進方向即從材料及其結構上進行解決。首先是填料的物理性能由散狀棉改進成成型的密封填料，利用骨架支撐保證填料具有一定的強度和剛度，又能夠在煙道口內部壓力變換的過程產生彈性形變，即在不影響其柔性的同時，又具有良好的抗拉強度；其次是材料的化學特性也必須穩定，能夠抵擋除氫氟酸、硼酸、強堿以外的大多數化學介質的侵蝕，即使在使用前處于高濕度或被水浸濕的狀態，依然不會影響其性能；第三是保證材料的熱穩定性，能夠在爐窯控制故障和燃燒失效的情況下提供一個安全系數，這個安全系數能夠避免由于溫度過高而產生的窯爐熱點及設備損壞。

9 結語

保證大型流態化焙燒爐的穩定運行，是一項從生產工藝到設備運行操作的系統性的工作。立足焙燒爐本身設備的特點，從焙燒爐容易產生問題點的拱腳圈梁和煙道口著手分析，抓住重點參數進行監控，同時在檢修時進行目的性的技術改造，在實際運行中將焙燒爐的不穩定因素控制在可控范圍之內，消除不利影響。以上對于大型流態化焙燒爐拱腳圈梁和煙道口的分析中，提出的幾點焙燒爐運行過程中的監控要求和檢修改造時的原理性建議已應用于實際生產運行當中，并取得了良好的使用效果，解決了爐殼變形、耐材脫落等問題，同時也解決了煙道口漏煙的問題，延長了煙道口軟連接的使用壽命。

隨著各專業技術的不斷革新，流態化焙燒爐大型化發展勢在必行，152m2流態化焙燒爐已成功應用，198m2流態化焙燒爐呼之欲出，大型化的發展對爐體結構的安全性和穩定性提出了更高的要求。不管是使用焙燒爐的生產廠家、還是設計建造焙燒爐的公司，都應當充分考慮到大型焙燒爐運行過程中的影響要素和變化趨勢，在生產實踐中保證焙燒爐的安全穩定運行。