淺談銅冶煉廠白煙塵自燃危害及預防

蘇江峰,方項林,陳儒稼,申 健,呂鑫寬

(國投金城冶金有限責任公司,河南 靈寶 472500)

0 前言

國投金城冶金有限責任公司年處理綜合礦粉70 萬t,年產陰極銅10 萬t,采用三聯爐先進工藝,其中熔煉爐采用富氧底吹造锍熔煉自熱爐,其熔煉過程中,產生的熱量絕大部分來自于各種原料之間相互反應所釋放的熱量。熔煉爐產生的高溫煙氣經熔煉余熱鍋爐降溫,進入電除塵器設備進行煙氣凈化,經電場收集后的白煙塵,經過溢流螺旋、刮板機輸送后,使用編織噸包袋在接灰口進行人工包裝或經過倉式泵氣力輸送設備輸送至打包站進行集中包裝。包裝后的白煙塵,臨時存放于白煙塵打包站內。碼放整齊的白煙塵由于成分的復雜性會發生自燃現象,部分白煙塵存放1～2 天內會出現自燃現象,部分白煙塵在放置10～20 天后,仍會出現自燃現象。白煙塵自燃后,不斷放熱及引燃,引燃包裝袋及周邊存放的白煙塵,易發生火災等安全事故,存在較大安全隱患。白煙塵自燃會產生大量含有二氧化硫及三氧化二砷蒸氣的有毒氣體,對儲存場地周邊環境存在污染,影響作業人員的身體健康,造成極大危害。處理白煙塵自燃事故增加了包裝袋消耗,增加了人員勞動強度,由于包裝袋的破損及高溫環境,其作業環境較差、工作量繁重、作業難度較大。

1 白煙塵的產生

白煙塵是銅火法冶煉過程中熔煉或吹煉過程中熔煉電除塵器或吹煉電除塵器收集產出的冶煉副產品,其成分含銅5%～15%,含鉛30%～50%,含鋅2%～10%,含砷1%～10% 并富含金銀等有價元素。

2 白煙塵的自燃

2.1 燃燒的三要素

燃燒的基本條件:有可燃物、有助燃物、有著火源。

2.2 自燃的概念

根據熱源的不同,物質自燃分為自熱自燃和受熱自燃兩種。在一般條件下,可燃物質和空氣接觸都會發生緩慢氧化,因速度較慢,析出的熱量也較少,且不斷向環境中散熱,不會像燃燒那樣發出光。若溫度升高或其他條件改變,氧化過程就會加快,析出的熱量增多,不能全部散發就積累起來,隨之溫度逐步上升。當到達該物質燃燒的最低溫度即該物質著火點時,就會自行燃燒。

3 白煙塵自燃的原因分析

白煙塵是含有銅鉛鋅等多種元素復雜原料高溫熔煉的產物,由于生產工況的不穩定性,白煙塵中含有物質及其化學性質的復雜性較大,同時白煙塵產出的溫度較高。白煙塵的自燃指白煙塵在自然環境存放過程中,白煙塵中某種可燃物質與空氣接觸導致自熱自燃,由于熱量積累及環境溫度高于其燃點溫度后,白煙塵產生燃燒現象,到達較高溫度后,引燃白煙塵中其他可燃成分。白煙塵自燃根本原因在于其中存在易氧化自熱、低燃點的物質,白煙塵即產即包,集中堆存,其自身的溫度無法得到有效散發及降低,導致白煙塵接觸空氣后發生燃燒現象。具體原因如下:

3.1 白煙塵中存在易氧化自熱、低燃點的物質

經現場生產實際發現,在熔煉電除塵器產出的白煙塵顏色發黑時,化驗硫含量升高時容易出現白煙塵二次自燃的現象。經對比化驗其成分,黑色白煙塵與入爐的原料成分較為接近。

由于熔煉爐在冶煉過程中,在原料燃燒不充分或系統負壓較高,會導致一部分未經燃燒的原料進入熔煉電除塵器設備被收集下來,與白煙塵摻雜在一起,進行包裝。

因原料中含有硫化亞鐵、二氧化硅等造渣放熱原料,同時還會產生單質硫等成分,其氧化亞鐵及鐵的其他硫化物在空氣中受熱或光照時,會發生如下氧化自熱自燃反應:

硫化亞鐵的著火點很低,通常約在50 ℃,硫化亞鐵的形成伴隨一定量的單質硫產生,硫化亞鐵與單質硫彼此之間具有協同作用,即硫化亞鐵的自熱氧化釋放的熱量使其內部的單質硫發生自熱自燃,從而放出大量熱量進而促使硫化亞鐵自燃。在350～400 ℃情況下,單質硫很容易與鐵直接化合生成FeS。在這個溫度下,H2S 可以發生分解:H2S→S+H2分解出的活性硫和鐵的作用極強烈。硫化亞鐵在潮濕空氣中氧化時,二價鐵離子被氧化成三價鐵離子,負二價硫氧化成四價硫,放出大量的熱量。由于局部溫度升高,加速周圍硫化亞鐵的氧化,形成連鎖反應。

3.2 白煙塵即產即包,煙塵自帶熱量無法有效散失

國投金城冶金有限責任公司由于其熔煉系統處理多金屬復雜金銅精礦的復雜性,電除塵器出口煙氣溫度在360～370 ℃,其產出的白煙塵經過溢流螺旋絞龍及刮板機輸送使用下灰口進行包裝,或由倉式泵氣力輸送設備輸送至白煙塵打包站進行包裝,由于即產即包,白煙塵自身的熱量無法有效散失,包裝后,其內部溫度散熱過慢,最高可達130 ℃,在打包站包裝的白煙塵其內部溫度維持在30～50 ℃,給白煙塵中含有的硫化亞鐵自熱自燃及單質硫等自燃提供了反應條件,在接觸空氣后會發生氧化自燃現象。在下灰口包裝的白煙塵發生自燃現象的概率遠高于在白煙塵打包站包裝的白煙塵。

3.3 白煙塵包裝期間伴隨的空氣,為自燃提供了反應條件

電除塵器收集的白煙塵煙灰粒徑較小,其含有的硫化亞鐵、單質硫等易氧化物質粒徑也比較小,灰粒的比表面積增大,在包裝期間進入的空氣能均勻吸附到硫化亞鐵、單質硫等易氧化物質顆粒的表面上,倉式泵輸送使用的氣源是壓縮空氣,在輸送過程中,壓縮空氣與白煙塵充分接觸,擴散至灰粒之間,白煙塵中硫化亞鐵、單質硫等易燃物質與壓縮空氣中的氧氣充分接觸,氧氣能均勻吸附到硫化亞鐵顆粒的表面上,導致硫化亞鐵的自燃的溫度降低,為其氧化、自燃提供了條件。

4 白煙塵自燃的危害

白煙塵中未充分燃燒的硫化物或單質硫進行二次燃燒,會產生大量的二氧化硫氣體,污染環境,對人體的呼吸系統損害較大,易引發支氣管炎、哮喘、肺氣腫等現象。在處理過程中由于白煙塵具有質量輕、密度小,易漂浮在空中、易吸附的特點,當皮膚沾滿煙灰時,可引發起皮炎,尤其夏季人體出汗多,煙灰容易堵塞毛孔,引起毛囊炎;還通過呼吸進入肺部,引起肺部病變,長期大量吸入可引起塵肺。

白煙塵包裝后在打包站內集中存放,是引發重大火災的安全隱患。同時車輛在長途運輸過程中,易造成車輛著火,導致交通事故。

白煙塵的自燃導致作業人員的工作量大幅度增加,在處置過程中,白煙塵飛揚、高溫等作業環境惡劣、工作強度大、作業量大、人工成本極大增加,進行二次包裝,包裝成本增加。

在生產中,電除塵器進口氧濃瞬間升高的情況下,黑色白煙塵易在電除塵器內部進行二次燃燒,造成電除塵器陽極板局部變形,走道積灰,對電除塵器設備的使用壽命造成極大的損害。黑色煙塵比重較大,易造成掛壁現象,設備漏風現象也會引起白煙塵二次燃燒,其燒結后極易造成灰斗堵塞,由于白煙塵中各種金屬的存在,燒結冷卻后,在灰斗內部形成高硬度結焦,人工清理時難度較大,嚴重影響設備安全運行。

5 預防措施

(1)消除白煙塵中自熱自燃物質

白煙塵中硫化亞鐵、單質硫等自熱自燃物質的存在,是導致白煙塵自燃的最主要因素。針對原料配礦進行調整,同時加強熔煉系統對爐內原料燃燒的控制,在上升煙道處采取適量補氧措施,使可燃物質在進入余熱鍋爐之前充分燃燒及氧化,同時檢查處理鍋爐漏風現象,控制電除塵器進口氧濃大于3%,最佳控制區間在3%～8%,白煙塵顏色控制為灰白色,避免硫化亞鐵、單質硫等自熱自燃物質進入電除塵器,消除白煙塵中自熱自燃物質的存在。

(2)降低包裝白煙塵溫度

電除塵器產出白煙塵減少下灰口直接包裝,盡量使用倉式泵輸送至白煙塵至打包站灰倉,并儲存在灰倉內,禁止即產即包,讓白煙塵冷卻1～3 h 后,采取儲存集中包裝方案,使白煙塵通過低溫輸送氣體及灰倉除塵系統的抽風,達到熱量的有效散失,從而降低白煙塵包裝溫度。同時減少工作人員在粉塵環境的停留時間,改善了其工作環境,提升了人員的工作效率。

(3)倉式泵輸送氣源由壓縮空氣改為氮氣

氮氣為惰性氣體,國投金城冶金公司有效利用制氧站多余氮氣氣源,氮氣中的含氧量幾乎為零,在輸送過程中與白煙塵充分接觸,對白煙塵起到保護作用,使其不易氧化,從而降低了白煙塵自燃的機率。壓縮空氣中氧含量及水分含量均高于氮氣,在輸送過程中,易造成白煙塵在倉式泵倉室內自燃結塊兒或發潮發粘,導致輸灰管道粘壁,管徑縮小甚至堵塞,氮氣中氧含量及水分含量均較低,改用氮氣后粘管和堵塞現象有效消除,倉式泵運轉率由65%提升至99%。

6 結論

經過上述方案的實施,目前國投金城冶金公司復雜多金屬金銅精礦熔煉吹煉系統電除塵器白煙塵自燃等問題得到有效解決,在同行業相關企業中具有較高的推廣意義。