自然循環鍋爐在銅冶煉中的應用

李昱民，王國珍

（江西銅業股份有限公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

銅冶煉主要分熔煉、吹煉和精煉三個工序。陽極爐為陽極銅精煉的冶金爐，產出的高溫煙氣經降溫、除塵和脫硫等過程達標后排放。陽極爐工序自采用稀氧燃燒技術后，煙氣量大幅減小。原設計的陽極爐余熱鍋爐體積龐大、散熱量較多、產汽量很少，同時余熱鍋爐為強制循環，熱水循環泵的運行還要消耗大量電能，因此能耗高，經濟效益差，已不再適用。多數銅冶煉企業改用噴霧冷卻器、兌冷風加板式換熱器、小型余熱鍋爐等方式來進行降溫，但陽極爐煙氣熱能［1］均未得到合理的回收利用。

2 陽極爐煙氣特性分析

陽極爐精煉為周期性作業，分為加料期、氧化期、還原期、澆鑄期四個周期。每個周期持續時間不同，單爐周期為12h。陽極爐各周期排出的煙氣量、煙氣溫度和煙氣成分各有不同。氧化、還原階段煙氣中含有一定的半熔融顆粒及未燃燒干凈的炭黑。陽極爐余熱鍋爐入口的煙氣［2］參數見表1。從表1的數據可以看出，陽極爐煙氣量小、煙氣溫度高、含塵量大、氧化期含硫高、煙氣溫度隨不同周期的波動大。

表1 陽極爐余熱鍋爐入口的煙氣參數

3 自然循環鍋爐運行情況概述

3.1 前期論證

陽極爐煙氣處理是一個系統工程，設備設計人員應與工藝設計人員加強溝通和配合，充分地掌握工藝需求，綜合考慮整個系統設計的合理性。選擇設備時，首先要結合后序工況來滿足工藝要求，同時要能夠合理地應用從煙氣中回收的熱能，盡量減少水資源損失，實現節能減排的目的。

為適應現有的精煉工藝，貴溪冶煉廠陽極爐工序通過分析現場生產實際并結合陽極爐煙氣特性、參數進行了可行性論證分析［3］，決定對現有陽極爐余熱鍋爐進行改造。拆除原有一次、二次燃燒室，在一次、二次燃燒室的基礎上建立陽極爐自然循環鍋爐。

陽極爐自然循環鍋爐結構緊湊、散熱量小，可以使陽極爐煙氣熱能得到充分的回收利用，提高了余熱鍋爐的熱回收效率和經濟效益。

3.2 工作原理

余熱鍋爐設計為膜式水冷壁結構，具有降溫降塵回收余熱的效果。高溫煙氣進入余熱鍋爐后，通過輻射釋放出來的熱量被水冷壁吸收，溫度迅速降低。在煙氣與水冷壁換熱過程中，煙氣攜帶的半熔融狀態顆粒會冷卻到凝固點溫度以下并沉降下來。

陽極爐自然循環余熱鍋爐設計為QC6.2/1250-4-1.27型。結構上采用上鍋筒與左右膜式水冷壁管及底盤組成燃燒室。上下鍋筒間布置有對流管束，以保證煙氣良好的換熱效果。余熱煙氣由前墻進煙口進入燃燒室，與水冷壁輻射換熱后進入對流管束區。對流管束被隔成三個區域，可使煙氣在對流管束得到充分對流換熱。經對流管束充分對流換熱后的煙氣通過煙管進入布袋收塵器［4］，最后由排煙風機送至車間有機胺脫硫系統［5］。煙氣在有機胺脫硫系統得到進一步凈化，并在達標后排入大氣。陽極爐自循環余熱鍋爐結構簡圖見圖1，設計的主要技術指標見表2。

圖1 陽極爐自然循環余熱鍋爐結構簡圖

3.3 性能特點

陽極爐自然循環余熱鍋爐主要具有以下特點：

（1）采用雙鍋筒縱向布置，結構緊湊、便于安裝，基建投資少；

（2）供水、供汽、進煙氣操作簡單、方便，易于管理；

（3） 升溫、升壓快，短時間內即可達到工作壓力；

（4）配套輔機、儀表、閥門齊全，性能好，接通水和電即可運行。

3.4 在銅冶煉應用中出現的問題

熔煉車間陽極爐精煉工序配有630t回轉式陽極爐和1套能力為110t/h的雙圓盤澆鑄機。陽極爐余熱鍋爐于2021年12月改造成自然循環鍋爐后整體運行平穩，但也存在一些缺陷。

自然循環鍋爐運行過程中存在的主要問題有：

（1）由于鍋爐燃燒室空間偏小，煙氣中帶有的半熔融顆粒在燃燒室區域內不能完全沉降，導致鍋筒煙氣入口處的對流管束容易結塊，從而增大陽極爐爐膛負壓的工作負荷，進而導致陽極爐煙氣不暢通，鍋筒積灰。鍋筒內積灰多，會使蒸汽產量隨之減少。

表2 陽極爐自然循環余熱鍋爐設計主要技術指標

（2）鍋爐本體直接與陽極爐Z型煙道相連，沒有設計旁通煙道。鍋爐故障時，陽極爐爐膛輻射熱源無法切斷。

（3）鍋筒冷卻時間受爐膛輻射熱影響，檢修時間偏長，影響工序生產節奏。

3.5 解決方案

結合陽極爐工序生產實際，制定以下措施來解決鍋爐在生產應用中遇到的問題：

（1）擴大鍋爐燃燒室底盤灰斗空間，使煙氣中的半熔融顆粒能夠更充分地冷卻、沉降。

（2）在鍋筒煙氣入口處增設吹灰裝置，用以在氧化、還原作業后對鍋筒煙氣入口的對流管束進行吹掃，避免對流管束之間積灰結塊。

（3）利用陽極爐爐體檢修時段把鍋爐燃燒室加長，并在燃燒室內增設煙氣擋墻，使煙氣在燃燒室內成S型流向，保證煙氣中含有的半熔融顆粒在進入鍋筒對流管束前沉降80%以上。

（4）利用陽極爐爐體檢修時段在鍋爐燃燒室頂部增設旁通煙管，并在鍋筒煙氣入口前端增設水冷閘板。

陽極爐自然循環鍋爐改造后的結構簡圖見圖2，改造后的實物圖見圖3

圖2 陽極爐自然循環鍋爐改造后結構簡圖

3.6 使用效果

貴溪冶煉廠陽極爐自然循環鍋爐于2021年12月下旬改造后，整體運行平穩，操作更簡易，未出現鍋爐設備故障。陽極爐鍋爐產蒸汽量統計表見表3。

圖3 陽極爐自然循環鍋爐改造后實物圖

陽極爐余熱鍋爐改造前產蒸汽量很少，同時由于余熱鍋爐為強制循環，熱水循環泵的運行還要消耗大量電能。2臺余熱鍋爐改造成自然循環鍋爐后每月總計產蒸汽量在1500t以上。通過對比可以發現，改造后的自然循環鍋爐經濟效益更好。

表3 陽極爐鍋爐產蒸汽量統計表 t

4 結語

當前，有多種技術途徑可以實現銅冶煉的煙氣熱能回收，但是由于受到地域、企業規模、生產工藝等方面的影響，不同的銅冶煉企業煙氣熱能回收的技術［6］存在一定的差異性。少數銅冶煉企業的余熱煙氣通過空氣冷卻器或冷卻塔等方式直接排入大氣，不僅會造成大氣污染，而且還會造成資源浪費。

使用自然循環鍋爐對陽極爐煙氣熱能回收再利用，可以將陽極爐高溫煙氣熱能轉化為低壓蒸汽，達到節能和環保的雙重效果，在銅冶煉行業內具有先進性和示范性。