楊 偉，何勇毅

（云南馳宏鋅鍺股份有限公司礦冶研究院，云南 曲靖 655000）

在國內(nèi)能源消費結(jié)構(gòu)中，煤炭作為其中規(guī)模最大的化石能源類型，怎樣“清潔、高效、安全”的使用煤炭是傳統(tǒng)冶煉行業(yè)亟待解決的問題。粉煤是原煤經(jīng)球磨機磨制成200 目以下的細粉制成的，即便粉煤在使用過程中伴隨著一定的問題，但其優(yōu)越的燃燒性質(zhì)依舊是眾多冶煉企業(yè)選擇煤炭用于燃料的主要因素。所以，做好粉煤開發(fā)利用，是提升能源利用率、合理控制環(huán)境污染等的主要方式[1]。

云南馳宏鋅鍺股份有限公司在這些年發(fā)展中，在全國范圍內(nèi)逐漸形成三大鉛鋅冶煉基地，分別為“呼倫貝爾馳宏礦業(yè)、曲靖資源綜合利用、會澤冶煉”。三大鉛鋅冶煉基地粗鉛冶煉系統(tǒng)生產(chǎn)均以“富氧頂吹熔煉-液態(tài)鉛渣側(cè)吹還原”煉鉛工藝為主。其中呼倫貝爾馳宏礦業(yè)與曲靖資源綜合利用、會澤冶煉粗鉛冶煉系統(tǒng)所使用的燃料上存在較大的差異，呼倫貝爾馳宏礦業(yè)鉛系統(tǒng)富氧頂吹熔煉爐及側(cè)吹還原爐均使用粉煤作為燃料。側(cè)吹還原爐用于處理上游富氧頂吹熔煉爐產(chǎn)出的液態(tài)富鉛渣，產(chǎn)出粗鉛及還原渣，還原渣放入下游煙化爐，煙化揮發(fā)回收各種有價金屬。呼倫貝爾馳宏礦業(yè)側(cè)吹還原爐整體呈矩形狀，爐體兩側(cè)設(shè)有25 個一次風嘴及4 支粉煤噴槍，爐身采用整體銅水套設(shè)計，爐缸區(qū)域、爐底、虹吸道用鋁鉻質(zhì)耐火磚進行砌筑形成一個整體。

1 粉煤在呼倫貝爾馳宏礦業(yè)的使用情況

呼倫貝爾馳宏礦業(yè)側(cè)吹還原爐使用粉煤快1 年，從粉煤在冶煉過程中的使用情況來看，主要是為冶煉過程提供足夠的反應(yīng)熱，并不參與粗鉛冶煉過程的還原反應(yīng)。

1.1 粉煤作為燃料為冶煉過程提供熔池反應(yīng)熱

從成分結(jié)構(gòu)上看，粉煤的組成元素主要包括灰分、固定碳、以及氮、硫或其它元素。呼倫貝爾馳宏礦業(yè)側(cè)吹還原爐使用的粉煤主要成分見表1。

表1 呼倫貝爾馳宏礦業(yè)粉煤主要成分

粉煤經(jīng)特制的噴槍由粉煤輸送系統(tǒng)強制送入爐內(nèi)，在氧勢過剩的條件下，粉煤全部燃燒，為熔煉提供充足的反應(yīng)熱，不參與熔煉過程中爐內(nèi)的還原反應(yīng)。其主要反應(yīng)方程式如下：

1.2 側(cè)吹熔煉還原爐熔池運動狀態(tài)

側(cè)吹還原爐熔池的運動狀態(tài)是由特制的噴槍強制鼓入爐內(nèi)的燃料、氧氣、氮氣及其他氣體的共同作用的結(jié)果。燃料、氣體射流由特制的噴槍噴射出后，沿射流的正前方向熔池擴散，該工況狀態(tài)下射流四周的高溫熔融渣、半熔融的冷料沿射流束流來。射流速度越大渣、半熔融液流向射流的運動速度也就越大。射流帶動高溫熔體向噴槍出口四周擴散運動，高溫熔體的阻力衰減射流的動能，減緩射流向爐內(nèi)四周擴散，在相互運動的過程中高溫熔體完成傳熱、傳質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)。此時，射流依舊保持著氣柱或火舌的形狀，當達到一定高度后，在主射流的頂端發(fā)生氣相與液相的交融混合，進而形成氣泡不斷的向熔池液面擴展。氣體上升到熔池表面，就會溢出，高溫熔融液體流向四周產(chǎn)生回流，促使熔池內(nèi)的高溫熔融液體進行往復(fù)循環(huán)流動。此過程往復(fù)循環(huán)，使氧氣及其他助燃氣體促使粉煤劇烈燃燒將熱量傳遞給熔池，保證熔池足夠的反應(yīng)熱。側(cè)吹還原爐熔煉的熔池運動狀態(tài)有別于頂吹、底吹爐熔煉過程的熔池運動狀態(tài)及高溫熔體的流動特征，側(cè)吹還原熔煉熱循環(huán)自噴槍及風嘴側(cè)向熔池中心傳遞，氣流束使熔池得到更充分的攪動動能，具有更為良好的傳熱、傳質(zhì)，鼓入的氣體及燃料利用效率更為高效[2]。

側(cè)吹還原熔煉期間，應(yīng)用的主要設(shè)備便是側(cè)吹還原爐。其中關(guān)鍵技術(shù)是還原爐噴槍。

1.3 側(cè)吹還原爐粉煤噴槍的工作原理

還原爐噴槍開發(fā)使用近10 年的時間內(nèi)，其理論研究的資料相對少，以下借鑒公司內(nèi)部其他側(cè)吹還原爐噴槍的基本原理，對側(cè)吹還原爐粉煤噴槍進行初步分析。

1.3.1 噴槍出口的結(jié)瘤

在噴槍內(nèi)，助燃氣體以及粉煤在其中具有較高的流速，內(nèi)部停留時間有限，不超過1/100s，流量大、受熱比表面積小，因此其單位質(zhì)量氣體與其周圍環(huán)境的熱交換可忽略不計，故而氣體在噴槍內(nèi)的高速流動是絕熱的。當噴槍內(nèi)的氣體及粉煤流速越快，氣體的溫度隨之降低，尤其是當流速達到170m/s 以上時，溫度降幅較快，故而氣體對噴槍出口產(chǎn)生冷卻的作用。由于高速氣體的冷卻，當噴槍出口與銅水套溫度低于高溫熔體固化溫度，高溫熔體同噴槍出口端部接觸，高溫熔體開始固化，結(jié)瘤生成，致使噴槍出口逐漸堵塞，該情況對噴槍整體運行不利。

經(jīng)還原爐粉煤噴槍供入爐內(nèi)的為粉煤、高純氧氣以及氮氣，入爐瞬間氧氣與粉煤發(fā)生劇烈燃燒放出大量的熱，較高的溫度及高速噴出的氣體及燃料使其噴槍出口處不結(jié)瘤，結(jié)瘤存在于還原爐一次風嘴出口處。根據(jù)公司內(nèi)其他側(cè)吹還原爐噴槍使用情況得出，在噴槍出口的外圍高速噴出的氧氣或者其他惰性氣體，不僅能夠?qū)姌尦隹谶M行強制的冷卻，同時也能夠在噴槍出口位置之后，也能夠產(chǎn)生惰性氣體或者氧氣遮護，能夠?qū)Ω邷厝垠w以及氧氣之間的接觸起初阻隔效果，對噴槍起到保護的作用，避免高溫熔渣出現(xiàn)侵蝕、燒損噴槍，增加噴槍使用年限。不過起到的保護作用效果有限，結(jié)合結(jié)瘤必要條件，運用氧氣、氮氣、壓縮空氣對噴槍出口、一次風嘴出口進行強制冷卻，包括增加氧氣、氮氣、壓縮空氣流量，以及從噴槍中供入一定量的水等，人為造成噴槍出口及風嘴出口位置處結(jié)瘤的條件，生成結(jié)瘤及蘑菇頭。蘑菇頭形成阻隔了高溫熔體對噴槍、風嘴端頭及四周爐體、耐火材料的侵蝕、燒損，更加有效的保護了噴槍、風嘴端頭及其爐體[1]。

側(cè)吹還原爐噴槍生成和保持穩(wěn)定的蘑菇頭，取決于噴入爐內(nèi)氣體的冷卻作用與高溫熔體之間熱量傳遞的平衡。結(jié)合煉鋼工業(yè)頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，根據(jù)蘑菇頭熱量收支平衡，推導(dǎo)出下列方程式：

由此能夠得到，生成蘑菇頭與高溫熔融熔體過熱度Ts 之間存在密切關(guān)系。側(cè)吹還原爐還原煉鉛，由于噴槍插入渣層其過熱度高達1050℃以上，需采用相應(yīng)的措施才能生成穩(wěn)定的蘑菇頭。

1.3.2 還原爐噴槍侵蝕的原因

還原爐噴槍蝕損的主要原因是燒損。噴槍噴出的氧氣、氮氣、粉煤，進入高溫熔體，熔體中的物質(zhì)與氧、煤發(fā)生氧化反應(yīng)，氧勢過剩情形下，都以放熱反應(yīng)為主，并且能夠給正常熔煉提供熱量，只有這樣，才能夠確保反應(yīng)過程有序開展，同時噴槍出口端也生成高溫區(qū)域。在實際生產(chǎn)過程中，測量側(cè)吹還原爐水套爐壁的溫度，側(cè)吹還原爐粉煤噴槍區(qū)域溫度高于其它區(qū)域溫度約幾十度，說明側(cè)吹還原爐粉煤噴槍出口端的溫度比其它區(qū)域單位溫度更高。高溫區(qū)域靠近噴槍端出口，造成了噴槍被逐漸的燒損。側(cè)吹還原爐粉煤噴槍出口端生成高溫區(qū)域造成粉煤噴槍逐漸燒損，就應(yīng)使生成高溫區(qū)域，在滿足生成工藝要求的前提下，盡可能使高溫區(qū)域的溫度降低，這樣既可以減緩粉煤噴槍的燒損，也能滿足日常生產(chǎn)需求。在生產(chǎn)實踐表明，當粉煤噴槍的粉煤、氧氣的供入量和這兩種物質(zhì)的量的比例在一定范圍內(nèi)時，粉煤噴槍的使用的壽命會相應(yīng)的延長，反之，粉煤噴槍的使用壽命短。

1.4 側(cè)吹還原爐粉煤噴槍通道結(jié)構(gòu)

還原爐粉煤燃燒器為特制的粉煤噴槍，粉煤噴槍為4 層同心套管（如圖1 所示），由內(nèi)而外粉煤從最內(nèi)層通過，氮氣從第二層通過，氧氣從第三層通過，粉煤及氧氣的量最低按照1:2 進行配比，嚴禁氧氣量低于粉煤的給入量，保證粉煤的充分燃燒。側(cè)吹還原爐粉煤噴槍氣體通道在設(shè)計過程中均呈“凹”槽狀，其主要目的是為保證氣體在通過噴槍出口時能形成多個細小氣流束，這些氣流束高速噴入熔池，有利于粉煤燃燒加速傳熱、傳質(zhì)，避免熔融爐渣的噴濺；另外，在氣體壓力低、斷流切換應(yīng)急氣源時，避免高溫熔體倒灌堵塞噴槍通道，從而影響噴槍的使用。“凹”槽結(jié)構(gòu)設(shè)計下高速噴出的氣束，穿透力、攪動力強，傳熱、傳質(zhì)效果好。氣流束強大的穿透能力，對高溫熔池而言，將會產(chǎn)生噴濺，不過能夠合理避免有關(guān)惡性有害的噴濺，整臺冶金爐的震蕩幅度小、頻率低。另外，氣束強大的穿透能力，熔池表面呈熔融狀，而不是翻騰狀，此狀態(tài)并不影響冷料的加入以及物料快速的混合及反應(yīng)，熔池面具有平穩(wěn)性，這樣能夠確保在完成冶金還原反應(yīng)基礎(chǔ)上，沉淀鉛金屬，及渣含鉛的進一步降低。

圖1 側(cè)吹還原爐粉煤噴槍出口截面圖

2 結(jié)語

通過工業(yè)生產(chǎn)實踐證明，側(cè)吹還原爐使用粉煤、粉煤噴吹設(shè)備、粉煤噴槍設(shè)計已日益成熟，不僅能在側(cè)吹還原煉鉛工藝領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，亦可在其它有色金屬冶煉、甚至火力發(fā)電站上進行運用[2,3]。

（1）延長側(cè)吹還原爐粉煤噴槍應(yīng)用年限非常關(guān)鍵。隨著其應(yīng)用年限的延長，能夠增加其有效作業(yè)率水平，將冶煉成本控制到最低，合理控制綜合能耗水平。

（2）側(cè)吹還原爐粉煤噴槍供入的氧氣、粉煤量大小及兩種物質(zhì)入爐的比例關(guān)系，對還原爐粉煤噴槍的壽命至關(guān)重要，在噴槍氣體通道及燃料通道的設(shè)計和日常使用中需引起管理者、操作人員足夠的關(guān)注[3]。

（3）側(cè)吹還原爐粉煤噴槍結(jié)構(gòu)、噴槍材質(zhì)、氣流量等控制參數(shù)，還有進一步優(yōu)化的空間。