處理高硫銅精礦大型閃速熔煉爐的設(shè)計(jì)優(yōu)化

〔摘 要〕針對印度某銅冶煉項(xiàng)目高硫銅精礦（S質(zhì)量分?jǐn)?shù)33%～35%）的處理需求，結(jié)合閃速熔煉爐的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)分析了高硫銅精礦對熔煉過程熱負(fù)荷及爐體壽命的影響?；诠に囉?jì)算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出了大型閃速熔煉爐關(guān)鍵部件（精礦噴嘴、反應(yīng)塔、沉淀池、上升煙道）的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，包括精礦噴嘴的“風(fēng)內(nèi)料外”供料模式、反應(yīng)塔E形水套分層冷卻結(jié)構(gòu)、沉淀池側(cè)墻水套布局優(yōu)化及方形上升煙道的燒嘴配置。通過工程實(shí)踐驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)有效降低了高硫銅精礦帶來的熱負(fù)荷沖擊，提升了爐體運(yùn)行穩(wěn)定性。

〔關(guān)鍵詞〕閃速熔煉爐；高硫銅精礦；精礦噴嘴；反應(yīng)塔冷卻；沉淀池；方形煙道；銅水套

中圖分類號：TF811" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ｂ " 文章編號：1004-4345（202５）0１-00１９-0４

Design Optimization of Large-Scale Flash Smelting Furnace for Processing

Copper Concentrate with High Sulfur Content

JIAN Zhengzhu

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract In response to the demand of processing copper concentrate with high sulfur conent （S mass fraction of 33%～35%） in a copper smelting project in India， the influence of copper concentrate with high sulfur content on the heat load of smelting and furnace service life is systematically analyzed in combination with design and production experience of flash smelting furnace. Some innovative design solutions for key components of the large-scale flash smelting furnace （concentrate burner， reaction shaft， settler and uptake shaft） are developed by means of process calculations and structural optimization， including the “air blown-in and feed-out” charging by the concentrate burner， layered cooling structure of the reaction shaft’s E-type water jacket， optimized layout of the water jacket on the settler’s side wall， and the configuration of burner on the square-shaped uptake shaft. This design effectively reduces the thermal load impact caused by copper concentrate with high sulfur content and improves the stability of furnace operation through engineering practice verification.

Keywords" flash smelting furnace; copper concentrate with high sulfur content; concentrate burner; cooling of reaction shaft; settler; square-shaped uptake shaft; copper water jacket

1" "項(xiàng)目概況

閃速熔煉技術(shù)因其高產(chǎn)能、低能耗、優(yōu)異的環(huán)保性能，已成為銅冶金領(lǐng)域的核心工藝。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球約50%的銅產(chǎn)量來自閃速熔煉工藝[1]。然而，銅精礦的硫銅比（mS∶mCu）是影響熔煉效率的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)mS∶mCu＜1.1時(shí)，需補(bǔ)充外加熱源，導(dǎo)致能耗增加；當(dāng)mS∶mCu＞1.25時(shí)，反應(yīng)熱負(fù)荷顯著升高，又會(huì)加劇爐體耐火材料損耗[2]。近年來，隨著銅精礦品位下降及硫含量上升，傳統(tǒng)閃速熔煉爐面臨嚴(yán)峻的熱管理挑戰(zhàn)。

ADANI集團(tuán)在印度古吉拉特邦蒙德拉經(jīng)濟(jì)特區(qū)建設(shè)1座500 kt/a的綜合性銅廠，其中400 kt/a產(chǎn)能基于銅精礦。該廠采用閃速熔煉+PS轉(zhuǎn)爐吹煉的工藝，其核心設(shè)備閃速熔煉爐由中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司（以下簡稱“中國瑞林”）負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目所處理的銅精礦主要成分見表1。

由表1可知，本項(xiàng)目銅精礦中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)33%，甚至可能超過35%，mS∶mCu更是可能超過1.35，顯著高于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過３１％的水平。根據(jù)典型值進(jìn)行工藝計(jì)算，銅精礦反應(yīng)熱較以往設(shè)計(jì)項(xiàng)目至少高出5%，對爐體設(shè)計(jì)產(chǎn)生了較大影響。本文重點(diǎn)介紹處理此類高硫銅精礦的大型閃速熔煉爐設(shè)計(jì)特點(diǎn)及關(guān)鍵參數(shù)。

2" "閃速熔煉爐各部位設(shè)計(jì)特點(diǎn)

閃速熔煉爐主要由精礦噴嘴、反應(yīng)塔、沉淀池和上升煙道4部分組成。爐料通過精礦噴嘴進(jìn)入反應(yīng)塔，在反應(yīng)塔內(nèi)迅速完成熔化及物理化學(xué)反應(yīng)，生成液態(tài)銅锍和爐渣，隨后落入反應(yīng)塔下方的沉淀池中，在沉淀池內(nèi)繼續(xù)完成造渣及銅渣分離過程，最終煙氣經(jīng)上升煙道進(jìn)入余熱鍋爐。

2.1" 精礦噴嘴特點(diǎn)

本項(xiàng)目采用的精礦噴嘴是祥光銅業(yè)在引進(jìn)的奧圖泰噴嘴基礎(chǔ)上開發(fā)而成。該噴嘴不僅繼承了奧圖泰噴嘴在反應(yīng)塔上部反應(yīng)機(jī)理，還獨(dú)創(chuàng)了反應(yīng)塔下部過氧化物料顆粒和欠氧化物料顆粒間的碰撞反應(yīng)機(jī)理。該噴嘴采用“風(fēng)內(nèi)料外”的供料方式，模擬自然界龍卷風(fēng)旋轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)擴(kuò)散和卷吸能力原理，使物料顆粒以倒龍卷風(fēng)旋流狀態(tài)分布于反應(yīng)塔中央。在龍卷風(fēng)旋流體中間增加中央脈動(dòng)氧氣，改變物料顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)顆粒間的脈動(dòng)碰撞、傳熱傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)化。這一設(shè)計(jì)使整個(gè)熔煉過程的化學(xué)反應(yīng)能夠快速、充分完成，解決了物料下落過程中反應(yīng)不完全的問題，同時(shí)減少了對反應(yīng)塔壁耐火材料的沖刷。

此外，該精礦噴嘴無需高壓分散風(fēng)及分散孔板，也無需調(diào)風(fēng)錐，因此控制更為簡便。噴嘴底部采用直通式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，不易堵塞和黏結(jié)，進(jìn)一步提高了耐用性。

2.2" 反應(yīng)塔設(shè)計(jì)特點(diǎn)

反應(yīng)塔是閃速熔煉爐的關(guān)鍵部分，承擔(dān)著混合銅精礦的物理熔化和化學(xué)反應(yīng)任務(wù)，這些過程均在極短的時(shí)間內(nèi)完成，并產(chǎn)生大量熱量。

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，反應(yīng)塔塔身通常采用隔幾層耐火磚設(shè)置一層水平水套的結(jié)構(gòu)形式[3]。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，水平水套（特別是靠近連接部的第一層），常出現(xiàn)燒損現(xiàn)象，如圖1所示。針對本項(xiàng)目處理的物料特性及冶金計(jì)算得出的反應(yīng)塔內(nèi)熱負(fù)荷強(qiáng)度（1 777 MJ·m-3·h-1），再結(jié)合反應(yīng)塔所采用的吊掛結(jié)構(gòu)形式，本項(xiàng)目反應(yīng)塔身采用6層E形水套+1層水平水套的結(jié)構(gòu)形式，以確保塔身的冷卻強(qiáng)度和使用壽命[4]。每塊E形水套均配有螺旋扣，便于調(diào)節(jié)垂直度。

在反應(yīng)塔頂?shù)脑O(shè)計(jì)方面，2015年以前普遍采用吊掛耐火磚結(jié)構(gòu)。然而，隨著反應(yīng)塔熱負(fù)荷的逐步提高，溫度也逐步上升，煙氣沖刷加劇，后續(xù)設(shè)計(jì)改為采用吊掛齒形水套結(jié)構(gòu)。這一改變顯著提升了塔頂?shù)拿芊庑?，延長了使用壽命。因此，本項(xiàng)目閃速熔煉爐的反應(yīng)塔頂也采用了這種結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。

2.3nbsp; 沉淀池設(shè)計(jì)特點(diǎn)

沉淀池是閃速熔煉爐中爐渣、銅锍沉降分離，煙塵沉降，以及為適應(yīng)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)需求儲(chǔ)存銅锍的區(qū)域。

沉淀池框架采用整體彈性結(jié)構(gòu)，能保證磚體所需的夾緊力，使磚體同步、均勻地膨脹。通過可靠調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力及受力大小，在烘爐及投料生產(chǎn)過程中，能夠?qū)t子的縱、橫兩個(gè)方向的膨脹量控制在合理范圍內(nèi)，既保證了磚體處于均勻擠緊狀態(tài)，又能避免磚體受力過大。沉淀池底梁采用工字鋼制作，以承受沉淀池及熔體重量。

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，沉淀池側(cè)墻多采用１層立式水套＋3層水平水套的結(jié)構(gòu)。針對高硫精礦可能引發(fā)的煙氣過熱問題，本項(xiàng)目優(yōu)化了側(cè)墻水套布置。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)自下而上依次為一層立式水套、一層水平水套及一層齒形水套，以增強(qiáng)對煙氣區(qū)耐火材料的保護(hù)，優(yōu)化后的側(cè)墻結(jié)構(gòu)如圖3所示。

傳統(tǒng)沉淀池頂設(shè)計(jì)，僅在反應(yīng)塔三角區(qū)及附近布置齒形水套，因?yàn)檫@一區(qū)域處于反應(yīng)區(qū)正下方，溫度較高。隨著煙氣流向上升煙道，池頂由齒形水套變成了吊掛耐火磚。為應(yīng)對煙氣過熱對池頂?shù)臎_刷，本項(xiàng)目采用齒形水套全覆蓋池頂?shù)脑O(shè)計(jì)方案，以延長池頂使用壽命。

沉淀池底采用夾套式結(jié)構(gòu)并配置風(fēng)冷系統(tǒng)，必要時(shí)可通過強(qiáng)制抽風(fēng)冷卻沉淀池底板確保安全性。

2.4" 上升煙道設(shè)計(jì)特點(diǎn)

上升煙道是煙氣排出通道，其結(jié)構(gòu)形式分為垂直圓筒形和長方形斷面兩種。前者設(shè)計(jì)、制造及施工難度較高，但爐墻不易倒塌；后者則在設(shè)計(jì)、加工制造及施工方面較為簡單，但爐墻為直形，容易倒塌，因此需要設(shè)置托板及工字鋼加固。兩種結(jié)構(gòu)煙道出口均存在黏結(jié)現(xiàn)象。

相較而言，方形煙道更利于控制煙道出口黏結(jié)。其原因如下：1）方形煙道內(nèi)部截面更大，煙氣流速較低，有利于煙塵沉降；2）方形煙道的斜頂對煙氣具有導(dǎo)向作用，能穩(wěn)定煙氣流場，并增強(qiáng)煙道內(nèi)部的煙塵沉降。處理黏結(jié)物方面常用爆破和燒嘴燒熔兩種方法。爆破方式限制條件較多，如需要具有特殊資質(zhì)，且爆破產(chǎn)生的大塊黏結(jié)物還可能砸壞鍋爐，影響系統(tǒng)作業(yè)率。故通常采用燒嘴控制。對于方形煙道，燒嘴可在側(cè)墻就近布置；而對于圓形煙道，燒嘴僅能設(shè)置在出口正對面或者斜對面。這對火焰強(qiáng)度提出了更高要求。因此，本設(shè)計(jì)采用方形煙道，并在兩側(cè)墻又設(shè)一個(gè)天然氣燒嘴正對煙道開口部。在生產(chǎn)過程中，根據(jù)實(shí)際黏結(jié)情況，通過調(diào)節(jié)天然氣用量及燒嘴角度進(jìn)行控制。

傳統(tǒng)方形煙道設(shè)計(jì)為在連接部設(shè)置1層齒形水套+1層水平水套，再在煙道迎風(fēng)面?zhèn)葔υO(shè)數(shù)層水平水套。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，煙道兩側(cè)溫度很高，現(xiàn)場測量顯示側(cè)墻鋼板溫度最高超過250 ℃。因此，本項(xiàng)目在煙道兩側(cè)墻上都設(shè)置了12層水平水套，以保護(hù)耐火材料，延長側(cè)墻使用壽命。

傳統(tǒng)煙道頂部設(shè)計(jì)最多在平頂上設(shè)置數(shù)排吊掛平水套，但這種設(shè)計(jì)在負(fù)壓控制不佳時(shí)存在煙氣泄露的情況。本項(xiàng)目將平頂全部采用吊掛齒形水套，徹底解決了煙氣泄露問題；同時(shí)，斜頂增設(shè)10排吊掛平水套，進(jìn)一步提升煙道頂部保護(hù)效果。

事故煙道蓋原為搗打料結(jié)構(gòu)，容易黏結(jié)，影響操作。借鑒其他閃速熔煉爐改造經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目將其也改為水套結(jié)構(gòu)，有效解決了黏結(jié)問題。上升煙道結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3" "閃速熔煉爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

處理高含硫銅精礦大型閃速熔煉爐如圖6所示，其主要設(shè)計(jì)技術(shù)性能參數(shù)見表2。

4" "結(jié)語

針對印度某高硫銅精礦（S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%～35%）閃速熔煉項(xiàng)目，本文通過工藝計(jì)算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，系統(tǒng)提出了大型閃速熔煉爐關(guān)鍵部件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。主要結(jié)論如下：1）精礦噴嘴采用“風(fēng)內(nèi)料外”供料模式與中央脈動(dòng)氧氣技術(shù)，能強(qiáng)化顆粒碰撞與反應(yīng)效率，解決了高硫物料反應(yīng)不完全及耐火材料沖刷問題，同時(shí)簡化噴嘴結(jié)構(gòu)，提高耐用性。2）反應(yīng)塔采用6層E形水套與1層水平水套的分層冷卻結(jié)構(gòu)，結(jié)合吊掛齒形水套塔頂設(shè)計(jì)，顯著提升了冷卻強(qiáng)度與密封性，有效應(yīng)對高硫精礦帶來的1 777 MJ/（m3·h）的高熱負(fù)荷沖擊。3）沉淀池通過優(yōu)化側(cè)墻水套布局（立式+水平+齒形水套組合）、池頂全齒形水套覆蓋及底板夾套風(fēng)冷設(shè)計(jì)，可增強(qiáng)煙氣過熱區(qū)域保護(hù)能力，并保障銅锍放出口操作安全性。4）上升煙道選用方形結(jié)構(gòu)，結(jié)合側(cè)墻燒嘴配置與多層次水套保護(hù)（12層水平水套+齒形頂水套），可降低煙氣流速與黏結(jié)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)通過事故煙道水套化改造，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

工程實(shí)踐表明，上述設(shè)計(jì)顯著降低了高硫銅精礦對爐體的熱負(fù)荷沖擊，延長了耐火材料壽命，爐體運(yùn)行穩(wěn)定性與生產(chǎn)效率得到有效提升。本文提出的優(yōu)化策略可為同類高硫低銅精礦閃速熔煉爐的設(shè)計(jì)提供重要參考。

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