“奧爐+電爐”環(huán)境集煙系統(tǒng)的工程應用

付紅春

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

奧斯麥特銅冶煉是以奧斯麥特熔煉爐（以下簡稱“奧爐”）為核心的火法煉銅工藝。該工藝采用頂吹噴槍熔池技術(shù)，噴槍從爐頂噴槍孔插入熔池，富氧空氣經(jīng)金屬軟管送入噴槍，再由噴槍高速噴入熔體中。生產(chǎn)中維持熔池所需的熱量， 由爐料熔煉反應熱和噴槍噴入的燃料（煤粉、天然氣等）燃燒熱提供。該工藝已經(jīng)在有色金屬和貴金屬以及高溫處理各種廢料中得到廣泛應用。 該工藝簡單、靈活和能效高，可以配置單臺或多臺爐子， 且通常不需要復雜的物料和煙氣處理系統(tǒng)，設備成本也比較低。

銅冶煉的主要原料是銅精礦。 銅精礦除了含有銅、鐵、硅外，還含有大量的硫和少量的砷和鉛，致使在冶煉出銅、出渣的過程中，會產(chǎn)生大量含有SO2和有害煙塵的氣體，危害人體的健康。 因此，需要在各個出銅口、出渣口、渣包廂處設置集煙罩，并通過環(huán)境集煙管道將所有集煙罩連接起來， 組成一個大的環(huán)境集煙系統(tǒng)， 通過環(huán)集風機的抽吸使各集煙罩產(chǎn)生負壓以防止煙氣外逸。 收集到的煙氣經(jīng)處理達標后由煙囪高空排放。 本文擬以某200 kt“奧爐+電爐”銅冶煉項目為例，對其奧爐頂吹熔煉環(huán)境集煙系統(tǒng)進行探討。

1 系統(tǒng)流程及排煙點排煙量

在整個生產(chǎn)過程中， 主要產(chǎn)生煙塵逸散的節(jié)點有奧爐爐頂加料系統(tǒng)、頂部噴槍噴吹口、放銅口和放渣口。

1） 奧爐爐頂加料系統(tǒng)。 奧爐爐頂加料系統(tǒng)包括可逆皮帶機受料點和奧爐頂部加料口。 皮帶受料處產(chǎn)塵主要受落料誘導風流、皮帶牽引氣流、碰撞沖擊氣流的影響。當皮帶運載物料到皮帶機頭部位時，物料開始向下一層皮帶機墜落。 墜落的物料帶動周圍空氣下降從而產(chǎn)生誘導氣流。 下落物料與風流存在速度差，在風流的摩擦作用下，黏附在物料表面的微小粉塵會脫離物表形成塵化現(xiàn)象。在下落過程中，物料受氣流影響發(fā)生翻動、跳躍、騰空等不連續(xù)運動，并且相互擠壓、碰撞產(chǎn)生一部分粉塵；高速下落的物料隨誘導氣流撞擊到底部皮帶表面形成碰撞沖擊氣流，堆積在皮帶上的物料受到這種強大沖擊，也會破碎塵化。 奧爐加料口由于物料落入爐體內(nèi)時也會在爐內(nèi)形成局部正壓， 從而導致爐體內(nèi)的高溫煙氣通過爐口向外逸散。

2）頂部噴槍噴吹口。 奧爐頂部噴槍噴吹口為局部敞開式。在生產(chǎn)的過程中，一旦爐內(nèi)負壓控制不好或者爐內(nèi)壓力局部不均衡，也將造成爐內(nèi)煙氣外溢。

3）放銅口和放渣口。 奧斯麥特爐通過爐頂噴槍往熔池渣層中噴入大量富氧空氣，使熔池攪動劇烈，技術(shù)人員則是通過控制料氧比來控制冰銅的品位。品位在56%的冰銅會通過奧爐爐底的冰銅溢流堰排放口和冰銅溜槽進入冰銅包內(nèi)， 剩余的冰銅和熔煉爐渣則以混合熔體的形式流入沉降電爐沉降分離。電爐的冰銅排放口及渣排放口交替作業(yè)。一般來說，奧爐和電爐爐體采用密閉措施，且爐內(nèi)為負壓運行，爐體逸散的煙氣量很少；但是在放銅和放渣的過程中，會有大量含有SO2和有害煙塵的氣體從放銅口和放渣口逸散出來，因此，須對此煙氣進行捕集并處理。

該項目的環(huán)境集煙系統(tǒng)在設計時將奧斯麥特銅和貧化電爐環(huán)集合為一個大系統(tǒng)，具體設置為：1）奧爐部分的抽風點主要設置在奧爐進料口、 可逆膠帶卸料點、渣溢流堰口、渣溢流堰溜槽、冰銅溢流堰溜槽、冰銅溢流堰口、冰銅包設置抽風點，出銅口、出渣口采用帶門扇的方傘形罩， 冰銅包上方設懸掛式傘形罩。 2）貧化電爐部分的抽風點主要設置在電爐進料口、冰銅口、冰銅包、排渣口設置抽風點，出銅口、出渣口采用帶門扇的方傘形罩。“奧爐+貧化電爐”環(huán)境集煙系統(tǒng)流程見圖1，各排煙點及排煙量見表1。

表1 環(huán)境集煙系統(tǒng)排煙點及排煙量

圖1 環(huán)境集煙系統(tǒng)流程

通過表1 計算得到， 該環(huán)集系統(tǒng)的最大排煙量為195 000 m3/h，折算到工況為256 428 m3/h（t=86 ℃，P=1.0×105kPa）。

2 環(huán)集系統(tǒng)的設計

2.1 系統(tǒng)設置

2.1.1 閥門設置

整個環(huán)集系統(tǒng)各排煙點設置電動、 手動通風蝶閥，根據(jù)排煙點排煙的需要控制電動閥門的啟閉，以滿足生產(chǎn)的要求，并在控制室顯示運行狀態(tài)。通過手動閥進行風量調(diào)節(jié)，保持一定的微負壓，閥門開度調(diào)整后一般不作變動[2]。

2.1.2 廠房環(huán)集系統(tǒng)

針對奧爐頂部加料口和噴槍噴吹口容易造成爐內(nèi)煙氣外溢的情況，為了改善爐頂區(qū)域的環(huán)境，在奧爐廠房頂部也設置環(huán)集系統(tǒng)。根據(jù)環(huán)集煙氣的特性，在奧爐廠房頂部設置密閉式屋頂通風氣窗， 在氣窗高點的側(cè)面均勻設置了4 個抽風點， 很好地解決了奧爐廠房頂部“煙霧繚繞”的困局。收集后的環(huán)集煙氣，通過一套獨立的除塵系統(tǒng)廠房頂部處理達標后高空排放。

2.1.3 系統(tǒng)管路設置

由于整個環(huán)集系統(tǒng)排煙點較多， 為保證各個點的排煙效果，保持各個環(huán)路的壓力平衡非常關(guān)鍵。系統(tǒng)風管呈枝狀布置， 環(huán)集管道按不低于規(guī)范規(guī)定的最低風速確定管徑， 并根據(jù)系統(tǒng)最大排煙量確定最不利環(huán)路，計算系統(tǒng)的管路壓力損失。其他各環(huán)路盡量利用管徑的變化來平衡壓力損失，但管段煙氣的流速只能控制在一定的范圍之內(nèi)， 調(diào)節(jié)管道阻力的能力有限， 故在各個抽風點設置手動蝶閥用于平衡系統(tǒng)各環(huán)路壓力損失。 手動蝶閥在系統(tǒng)調(diào)試階段就應調(diào)節(jié)好開啟度，使之與各排煙點的排風量相適合，當系統(tǒng)正常運行時，手動蝶閥的開啟度一般不作變動。 在各個排煙點設置電動蝶閥，根據(jù)工藝設備使用情況啟閉，盡量減少系統(tǒng)的總排煙量，以降低能耗、節(jié)省費用。

系統(tǒng)管道的壓力損失， 包括沿程阻力損失和局部阻力損失。系統(tǒng)通常在運行情況下，最終的排煙溫度大于80 ℃，煙囪的熱抬升力大于煙囪本體的阻力損失，故在計算系統(tǒng)壓力損失的時候，煙囪的壓損不予計算。 沿程壓力損失、局部壓力損失、總壓力損失計算公式分別見式（1）～式（3）：

式中：Pm為沿程壓力損失，Pa；PZ為局部壓力損失，Pa；P 為系統(tǒng)的總壓力損失，Pa；λ 為沿程阻力系數(shù)；ξ 為管道的局部阻力系數(shù)；L 為管段長度，m；d 為管徑，m；v 為管道內(nèi)煙氣流速，m/s；ρ 為煙氣密度，kg/m3。

經(jīng)計算，最大排風量時，系統(tǒng)的最不利環(huán)路的壓力損失為4 500 Pa（不含除塵器的壓損）。

2.2 主要設備的選型

2.2.1 除塵器的選型

根據(jù)閃速爐環(huán)集煙氣中粉塵的特點， 選用1 臺離線脈沖袋式除塵器。 配卸料螺旋、星形卸料閥、倉壁振動裝置、脈沖控制儀、脈沖閥、控制柜、檢修平臺等。除塵器的處理風量按環(huán)集系統(tǒng)最大排煙量選取；濾袋材質(zhì)為滌綸針刺氈加PTFE 覆膜，規(guī)格為?160 mm×6 000 mm，耐溫120 ℃；過濾風速為1.0 m/min；凈過濾面積為4 500 m2； 阻力損失≤1 700 Pa； 除塵效率＞99.9%。 除塵器出口排放含塵質(zhì)量濃度≤30 mg/m3。

2.2.2 環(huán)集風機的選型

環(huán)境集煙系統(tǒng)的總排煙量， 隨工藝生產(chǎn)過程是不斷變化的。在環(huán)保風機的選擇上，既要滿足各排煙點最大同時排煙量的要求， 又要兼顧風機在通常排煙量運行時的高效節(jié)能，環(huán)集風機選用變頻風機，以適應各種不同工藝生產(chǎn)周期的排煙量需要。 風機的選型需考慮漏風安全系數(shù)和阻力損失安全系數(shù)[3]。

根據(jù)所需風量、風壓，選定環(huán)集風機的型號。 在確定環(huán)集風機的型號時，風機的風量、風壓應附加一定的安全系數(shù)。 風量、風壓計算公式分別見式（4）、式（5）。

式中：Q 為系統(tǒng)的風量m3/h；P 為系統(tǒng)的設計風壓單位Pa；KQ為風量附加安全系數(shù)，KQ=1.05～1.15；Kp為風壓附加安全系數(shù)，取Kp=1.15～1.30。

經(jīng)計算，環(huán)集風機所需風量為300 000 m3/h，所需風壓為6 500 Pa。選用1 臺雙吸雙支撐離心風機，Q=300 000 m3/h；全壓P=6 500 Pa；風機全壓未計算環(huán)集脫硫裝置的壓損， 環(huán)集脫硫系統(tǒng)需配置脫硫風機，以克服環(huán)集脫硫裝置的壓損。

2.3 管線碰撞問題及解決措施

由于整個奧爐+電爐車間的出銅出渣口所在的區(qū)域，存在大量的工藝管線，尤其是爐體及溜槽的冷卻水系統(tǒng)包括了大量的分集水器、毛細管等。如果相關(guān)專業(yè)不進行統(tǒng)籌規(guī)劃， 在設計過程及項目建設的過程中將出現(xiàn)大量現(xiàn)場碰撞干涉的問題，導致返工。

為了解決好此問題，在各專業(yè)工藝流程確定后，設計單位首先組織各專業(yè)進行了管路的規(guī)劃設計。在規(guī)定各專業(yè)的主要管道路徑及標高原則的基礎上，各專業(yè)在PW 協(xié)同平臺同步設計，可以實時參考相關(guān)專業(yè)的相關(guān)內(nèi)容， 在設計的過程中盡量避免了相互干涉。同時，設計單位還定期組織各專業(yè)進行三維模型檢碰工作， 出具檢查報告并由專人負責督促解決。 因此，該項目在建設過程中，很少出現(xiàn)大的碰撞干涉問題，減少了返工量。

3 運行效果及分析

項目正常投產(chǎn)后，環(huán)集系統(tǒng)的運行效果比較理想，整個閃速爐車間內(nèi)只有少量的煙氣逸散，煙氣各項指標低于《銅、鎳、鈷工業(yè)污染物排放標準》（GB 25467—2010）的排放標準，顆粒物質(zhì)量濃度達到30 mg/m3，小于標準中的80 mg/m3。 經(jīng)過環(huán)集脫硫系統(tǒng)處理后，顆粒物排放質(zhì)量濃度低于10 mg/m3，滿足標準排放限制要求。

在系統(tǒng)運行初期，由于現(xiàn)場操作人員經(jīng)常不管出銅口、出渣口是否運行，均將排煙點的閥門全部打開，導致需要進行排煙的出銅口、出渣口的排煙量不足，有較多的煙氣逸散到車間內(nèi)，影響了車間的工作環(huán)境。通過專業(yè)人員的現(xiàn)場指導，該廠按照要求運行環(huán)集系統(tǒng)，各點的排煙效果比較理想，只會在剛剛捅開出銅口、出渣口的瞬間，有少量煙氣逸出，其他狀態(tài)基本做到了無煙氣外逸，達到了期望的效果。

4 改進建議

綜上所述， 環(huán)境集煙系統(tǒng)的設置能很好地解決銅冶煉項目有害煙氣的逸散問題， 但該系統(tǒng)依舊存在有待進一步改進的方面：1）由于該項目各排煙口未設置壓力檢測裝置，在系統(tǒng)調(diào)試階段，各點是否達到了壓力平衡， 比較難判斷， 導致初始調(diào)試效果不好。在該項目正式投產(chǎn)后，依舊是依靠現(xiàn)場操作人員觀察各點的排煙效果進行調(diào)試， 浪費了非常多的寶貴時間。 因此，在今后的設計過程中，建議在各排煙口增設壓力檢測裝置。 2）為了更好地實現(xiàn)各個排煙點的開關(guān)控制， 需要在現(xiàn)場和中控室均設置控制裝置， 這樣可以實現(xiàn)中控室值班人員對閥門的操作控制， 也可以由中控室的值班人員督促現(xiàn)場操作人員對閥門進行操作，保證環(huán)集系統(tǒng)的排煙效果。 3)能實現(xiàn)各排煙點的閥門與出銅口、出渣口的連鎖控制，通過檢測出銅口、出渣口的開/關(guān)狀態(tài)連鎖對應點的閥門的開/關(guān)，這樣可以確保需要抽風的點有足夠的抽風量，以避免環(huán)集煙氣逸散至車間，從而保證車間內(nèi)良好的生產(chǎn)環(huán)境。