基于VB的铅锌渣处理热力计算程序的开发与应用

夏明军 夏中卫 马 骥 苏佳兴 成 慰

(1.湖南长沙金信电子有限公司， 湖南 长沙 410000； 2.株洲冶炼集团股份有限公司， 湖南 长沙 412004；3.中南大学能源科学与工程学院， 湖南 长沙 410083)

工艺节能

基于VB的铅锌渣处理热力计算程序的开发与应用

夏明军1夏中卫2马 骥3苏佳兴1成 慰3

(1.湖南长沙金信电子有限公司， 湖南 长沙 410000； 2.株洲冶炼集团股份有限公司， 湖南 长沙 412004；3.中南大学能源科学与工程学院， 湖南 长沙 410083)

利用VB平台，针对当前铅锌渣的处理状况，开发了一种适用于烟化炉烟化法处理铅锌冶炼渣的热力计算程序。文中重点介绍了该热力计算程序的功能要点、界面设计与核心计算模块，并以某企业烟化炉工业试验为基础，计算验证了该程序的可靠性与准确性，同时根据计算结果分析了生产能耗、生产炉时等，发现富氧吹炼生产可以大幅降低烟化炉生产能耗，提高烟化炉生产效率。

Visual Basic； 热平衡计算； 计算程序开发； 铅锌渣处理

0 前言

我国铅锌产量位居世界第一[1-2]，但铅锌冶炼所排放的废渣量也非常巨大[3]。目前，基于烟化炉的烟化法是处理铅锌冶炼废渣以回收其中有价金属的最重要手段。其工作原理是将粉煤和空气混合鼓入烟化炉的液体炉渣中进行高温熔炼，使熔渣中的铅锌等有价金属通过化学反应再次以其氧化物颗粒的形式回收。在此过程中，热量的流向、工艺参数的控制等会直接影响烟化炉的生产状况，所以生产过程的热工分析是烟化炉设计、生产能耗、生产工艺和参数的最重要预测、参考及评价手段。

从20世纪80年代起，随着计算机在工业生产中的应用和普及，研究者们开始尝试使用Fortran或Basic语言自行编制各种热力计算程序，代替费时耗力、效率低下的人工计算方法，同时大大提高了热力计算的准确性。随着近几十年的发展，热力计算程序已经成功应用于各种冶金设备、锅炉等的设计生产中[4-5]，成为有效的设计、决策手段。

但由于各种热工设备的结构、工艺各异，已有的热力计算程序只能局限于特定设备的热力设计及核算需求，不具有通用性。由于针对烟化炉处理铅锌渣的热力计算程序开发的相关工作鲜有报道，故当前烟化炉的生产操作很大程度上依赖于经验的判断，缺乏精准的理论指导。由此，鉴于Visual Basic程序语言具有界面友好、封装性好、所见即所得的可视界面设计方法等特点[6-7]，本文针对处理铅锌冶炼渣的烟化炉，利用VB平台编写热力计算程序，为烟化炉的设计与生产提供一种有效的辅助决策手段。

1 程序功能与界面设计

该计算程序采用面向对象式的编制方案及模块化的源程序设计。考虑到设计以及生产使用目的不同，本程序主要包括参数输入、设计计算、校核计算等功能模块，如图1所示。

图1 程序功能模块

参数输入模块主要包括物料分析结果与技术参数两大类数据，其中物料分析结果包括粉煤的工业分析即粉煤的含炭量、挥发分、灰分及水分，以及铅锌渣中主要成分PbO、ZnO、FeO、SiO2、CaO等；技术参数是指设计计算时预期实现或实际生产过程中检测而得的各类技术参数，主要包括烟化炉的日处理量、燃料率、金属挥发率、烟尘率、弃渣率、各监测点温度以及平均空气消耗系数等。输入各项计算参数的操作界面如图2所示，参数输入完成后可以进行运算、重置参数和返回等操作。

图2 计算参数输入界面

结果输出模块用于显示热力计算结果。它将烟化炉热力计算的各项结果以热收入和热支出分类并制表输出。其中热收入主要包括：渣矿带入热、空气带入热、粉煤带入热和粉煤燃烧热等；热支出主要包括：弃渣带走热、烟尘带走热、烟气带走热、PbO和ZnO化学反应吸热、冷却水带走热及其他热损失等。为便于人们了解烟化炉的热流分布情况，以上各项的结果及百分比可制表打印，图3为显示计算结果的界面。

图3 计算结果输出界面

2 设计计算与校核计算模块

本计算程序可用于烟化炉热平衡的设计计算和校核计算。

设计计算是在采用设计条件下的物料成分和预期的生产技术指标，通过计算得出该工况下所需燃料量、燃料率和其热平衡表格。它可用于烟化炉生产的热力预测分析和设计，以确定生产所需的燃料量。校核计算是在已知生产实际燃料率，并结合物料成分和各项生产实测所得的技术指标的情况下，分析此生产过程的热流分布和热力过程，可用来指导及时调整工艺参数，保证正常的生产运行。

这两部分的核心内容包括燃料计算、热收入计算、热支出计算3个子程序，它们也是本热力计算程序的核心计算模块，如图4所示。

图4 核心计算模块流程示意图

(1)燃料计算子程序是基于干燥粉煤样品的工业分析所得到的粉煤组成，即固定碳、挥发分和灰分等的质量百分比，由此燃烧计算子程序可给出粉煤的低位发热值、完全燃烧时的理论空气量、理论烟气量等[8]。

(2)热收入计算子程序是根据用户输入的物料分析结果和部分技术参数以计算烟化炉中各项热收入，其中热收入的计算包括渣矿带入热量、空气带入热量、粉煤带入热量和粉煤燃烧释放热量。

(3)热支出计算子程序是根据用户所提供的烟化炉生产技术参数和已经计算所得的热收入进而计算各项热支出，包括弃渣带走热、烟尘带走热、烟气带走热、PbO和ZnO化学反应吸热、冷却水带走热及其他热损失。

热收入与热支出的各项计算公式均采用当前烟化炉处理铅锌渣相关从业人员广为参考的 《有色冶金炉设计手册》第19章内容[9]。

3 计算实例及结果

为了验证该计算程序的正确性与可靠性，也为寻求减小烟化炉生产能耗的有效途径，本文以某企业烟化炉单炉处理26.88 t浸锌渣的生产过程为对象，依据该企业2012年4月浸锌渣处理工业试验数据，对该生产过程进行设计计算。烟化炉处理浸锌渣是将冷态的浸锌渣投入到高温熔池中，进行高温熔炼，其过程与直接熔炼高温熔渣完全相同，只是投料温度有所差异。本计算将除燃料率以外的实测工艺参数与生产实际物料参数作为设计计算的预期参数，通过计算所得的燃料率与工业试验实际燃料率相对比，以验证计算结果的精确程度。

粉煤的成分为：固定碳,41.9%；挥发分，21.71%；灰分，36.39%。其他部分重要生产工艺参数列于下表1。

表1 烟化炉部分重要生产工艺参数

启动计算程序，用户可以按照操作界面的提示依次录入各项计算参数，再选择“热平衡核算”按钮，即可获得相应的计算结果。计算所得26.88 t浸锌渣处理所需燃料量为12.17 t，即燃料率为45.28%，与实际燃料率48.5%的相对误差为6.64%。该误差最可能是由于炉内粉煤颗粒燃烧不充分，其实际发热量低于计算所采用的低位发热量，从而造成燃料使用量的增加，其他计算结果与热平衡表如表2所示。由此次计算可以验证，其结果符合烟化炉生产实际。

表2 氧气含量21%时的热平衡表

通过表2分析可以看出，在烟化炉处理冷态浸锌渣的生产过程中，热收入主要是由粉煤燃烧所提供的，占96.73%。而热支出主要由弃渣带走热、烟气带走热和冷却水带走热等构成，其中烟气带走热最为显著，其比例为58.59%。所以，在不影响正常生产的情况下，减小烟气带走热是节约燃料使用量的主攻方向。按此思路，本文调整工艺风的富氧含量，通过计算探索富氧工艺风对于烟化炉燃料率、能量流动的优化效果。

同样对单炉处理26.88 t冷态浸锌渣，富氧含量由原21%调整至31%，其他工艺参数均不改变，运用上述热工计算程序，得燃料使用量6.54 t，燃料率仅为24.34%，计算所得热平衡表如表3所示。

表3 氧气含量31%时的热平衡表

同时对比两组计算结果可以明显发现，相对于21%的工艺风工况，在31%的富氧工况下，生产所需总能耗大幅下降46%，也可以大大减小烟气带走热、冷却水带走热等各项热损失，在一定程度上实现生产过程的节能降耗。

基于上述计算程序与结果，本文继续计算分析了富氧程度对于生产能耗和单炉生产时间的影响，如图5、6。

图5 燃料率随富氧程度的变化

从图5、6中可以看出，随着富氧程度的增加，烟化炉生产的燃料率大幅降低，意味着生产所需总能耗明显减少，这主要是因为富氧程度增加可以直接减少烟气带走的热损失。同样，生产总炉时随着富氧程度的增加而减小。但当富氧程度超过40%时，燃料率和生产炉时的变化均不再明显。由此可以得出，从烟化炉热工分析的角度来讲，富氧程度为40%的工艺风是烟化炉生产的最佳选择。

4 结论

(1)该热力计算程序基于VB平台而开发，具有很好的扩展性、开放性以及友好的用户操作界面。程序的使用者通过简单的学习培训便可操作，并可

图6 生产炉时随富氧程度的变化

根据不同的需要进行扩充与维护，方便了技术操作人员对烟化炉的热力状态进行预测、校核以及分析，为烟化炉的设计生产提供了一种有效的辅助决策手段。

(2)当前铅锌渣处理所使用的烟化炉均采用烟化法，具有统一的生产工艺，但具体生产参数略有不同。该计算程序的参数输入类别比较多元和开放，可针对不同生产工况进行参数调整，即能适用于绝大部分烟化炉侧吹熔池熔炼的生产需要，并可在日后的工作实践中，根据不同用户的个性化需求，进一步扩展程序自身功能。

(3)验证和模拟计算表明，该程序使用方便、计算准确、可靠性高，且定量验证了富氧工况对于烟化炉生产节能降耗的重要影响，即31%的富氧工艺风可将生产总能耗大幅降低46%。富氧程度的增加可明显减少燃料率和生产时间，从而降低生产能耗，提高生产效率。从烟化炉热工分析的角度来讲，富氧程度为40%的工艺风是烟化炉生产的最佳选择。

[1] 李若贵.我国铅锌冶炼工艺现状及发展[J].中国有色冶金,2010,39(6).

[2] 张乐如.铅锌冶炼新技术[M].长沙:湖南科学技术出版社,2006:6-128.

[3] 彭容秋.铅锌冶金学[M].北京:科学出版社,2003,152:238-258.

[4] 王计敏,等.基于UML的蓄热式铝熔炼炉热平衡计算软件的开发与实例分析[J].轻合金加工,2011,39(11):27-33.

[5] 张生文,等. 基于Visual C++的锅炉通用热力计算程序的开发[J]. 工业锅炉,2005,5:14-16.

[6] 张乐强. Visual Basic 6.0用户编程手册[M]. 北京: 人民邮电出版社, 1999.

[7] 沙胜贤,等. Visual Basic程序设计基础教程[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

[8] 郑玉琢. 工业煤粉锅炉的在线热平衡计算[J]. 有色冶金设计与研究, 2004, 25(1): 11-12.

[9] 梅炽,等. 有色冶金炉设计手册[M].冶金工业出版社, 2004: 682-697.

Development and Application of Thermodynamic Calculation Program for Lead and Zinc Slag Treatment Based on VB

XIA Ming-jun, XIA Zhong-wei, MA Ji, SU Jia-xing, CHENG Wei

Based on the VB platform and combined with the current treatment conditions of lead and zinc slag, a thermodynamic calculation program, which is UI-friendly, easy to operation, and applies to treat lead and zinc slag with fuming furnace with fuming process was developed. The function points, interface design and core calculation model of thermodynamic calculation program were mainly introduced, realizing design calculation and check calculation of thermal balance of fuming furnace to meet different calculation demands. Based on the industrial tests of fuming furnace of an enterprise, the reliability and accuracy of the program was tested by the calculation. The production energy consumption, production hours were analyzed according to the calculation results, and it is found that the oxygen-enriched smelting production could effectively reduce the production energy consumption of fuming furnace in a large scale, and increase the production efficiency of fuming furnace.

Visual Basic; heat balance calculation; calculation program development; lead and zinc slag treatment

2013-12-05

国家高技术发展计划(编号：2011AA061003)

夏明军(1962—)，男，湖南邵阳人，大学本科，工程师，主要研究方向：自动控制、热工过程参数检测与控制。

TK11+2

A

1008-5122(2014)02-0006-04