减少澳斯麦特炉烟道结焦的生产实践

刘贤龙， 任鹏博， 赵祥林

(大冶有色金属有限责任公司冶炼厂, 湖北 黄石 435005)

0 前言

澳斯麦特炉生产过程中产生的烟气经上升烟道进入电收尘处理，由于烟气中含有精矿、煤粉等，易在上升烟道结焦。结焦不断增加，不仅造成烟道堵塞，抽力不足，烟气外溢，而且大量结焦导致掉焦频繁，缩短炉寿，并且对炉况的稳定、喷枪的使用寿命也有影响。

澳斯麦特炉炼铜过程中，抑制上升烟道结焦是世界性的难题。结焦不仅造成金属的浪费，而且大焦块掉入澳斯麦特炉时，将上升烟道斜坡段炉衬耐火砖砸碎甚至砸落，严重影响炉子的使用寿命。2016年8～12月大冶有色冶炼厂澳斯麦特炉就因化焦停炉14 h，平均每月化焦时间2.8 h。由于上升烟道掉焦频繁，炉内北边斜坡段耐火砖被砸落，澳斯麦特炉被迫停炉检修，炉寿仅12个月。检修期间对耐火砖残留厚度进行测量，除北边斜坡段耐火砖受损严重，残留厚度仅100 mm左右，其余部位耐火砖状况良好，如果斜坡段耐火砖良好，澳斯麦特炉可以平稳运行17个月以上，可见烟道结焦已经严重影响澳斯麦特炉炉寿。

1 结焦形成原因分析

结焦(结渣)是一个很复杂的物理化学过程，涉及燃烧、传热、传质、灰分的潜在结焦倾向、灰粒子在炉内的运动以及灰分与管壁间的粘附等。铜冶炼过程中，结焦受精矿投料量、成分、形态等影响，而燃烧不稳定、产能扩大、热负荷增大等均会加剧粘结。

铜精矿熔炼产生的烟气含硫高，含硫酸蒸汽的碳粒子具有很强的粘性，在上升烟道容易产生粘结，其沉积在受热面上不仅很牢固，并且增加了烟道对铜精矿反应产生灰分的吸附性，使大量的灰分不断粘结于烟道壁形成结焦。

对澳斯麦特炉六个炉期的生产实践进行总结分析，认为烟道结焦的主要原因为：高温熔体喷溅，烟气的机械夹带以及易挥发物质的挥发[1]。

1.1 高温熔体喷溅

铜精矿通过圆盘制粒机制粒后与熔剂(块煤、河沙)混合，经过运输皮带加入澳斯麦特炉，喷枪鼓入的风氧粉煤与混合矿在喷枪口处发生剧烈反应，产出的炉渣和冰铜混合熔体经过堰口流入沉降电炉进行沉降分离。由于精矿在炉内停留时间短，因此澳斯麦特炉熔池富氧反应速度极其快。

目前大冶有色冶炼厂澳斯麦特炉处理铜精矿200 t/h，进风量约60 000 m3/h，生产中喷枪插入熔体会引起熔体剧烈喷溅，最高时达二十多米，喷溅的高温熔体进入烟道，遇冷后粘结在上升烟道上形成结焦。

1.2 机械夹带

铜精矿经圆盘制粒机制粒后由运输皮带从炉顶加料口加入炉内，炉料在“跌入”熔池的过程中与上升的烟气形成对流，部分铜精矿或块煤中的粉粒在负压条件下未反应直接随烟气进入上升烟道，粘结在相对较冷的烟道壁上形成结焦。出现这种情况主要是由于成团精矿经过输送带几段落差传送，小而不坚固的球团变得更小、更疏松。大量粉状原料入炉后不能很好地落入熔池，与烟尘随着气流进入烟道口，由于炉内的灰尘有一定的粘度，在烟道口迅速沉积形成质地坚硬的大块固体，其致密性因结焦位置的不同而不同，离炉口越近，烟气流速越快、烟尘含量越多，惯性碰撞及吸附几率越高，结焦生长速度越快，其致密性也越大，越难处理。

表1、表2分别为铜精矿和锅炉结焦的成分。

表1 铜精矿成分 %

表2 锅炉结焦成分 %

锅炉结焦Fe/Cu远高于精矿，说明结焦除精矿外，还有其他来源。精矿在熔池内反应十分剧烈，产生大量的烟气，烟气从熔池中涌出被高温风机抽走的过程中不可避免地会带走部分高温熔体颗粒，由于炉渣在上层，烟气中带走的高温熔体颗粒大部分为低熔点的炉渣(2FeO·SiO2，熔点1 065 ℃)。经过上升烟道后烟气的温度在1 000 ℃左右，高温熔体颗粒中的2FeO·SiO2很容易凝固产生结焦。后期研究发现，烟气机械夹带是烟道结焦的主要来源。

1.3 金属、氧化物、硫化物的挥发

从表1、表2可见，锅炉结焦含Zn、Pb、As比铜精矿高很多，说明这些物质不是来自铜精矿或者喷溅物机械夹带。在澳斯麦特炉熔池中，发生着许多复杂的化学物理变化，Pb、As在高氧势或者局部高硫势环境下，反应生成沸点较低的氧化物或硫化物，这些物质挥发随烟气进入烟道，在烟道壁上凝固形成结焦；Zn则在局部还原气氛下还原生成单质Zn，挥发随烟气进入烟道最终形成结焦。

1.4 其它

粉煤、块煤等燃料燃烧后的灰分等在熔炼过程中随着烟气进入上升烟道继而形成结焦。

2 减少结焦形成的措施

矿源品位较低、进口矿相对较少、周边矿杂质含量较高是目前公司矿源整体情况。根据澳斯麦特炉熔池熔炼特点与工艺要求，通过减少金属、氧化物和硫化物以及灰分的挥发来降低澳斯麦特炉烟道结焦的短期意义不大，因此从减少机械夹带和减少喷溅入手。

2.1 减少喷溅

喷溅问题是所有澳斯麦特炉共同存在的问题，由于喷枪插入渣层富氧顶吹，风氧量达60 000 m3/h，喷溅无法避免，而炉温高、熔体搅动剧烈，会加剧喷溅。

2.1.1 控制炉温

澳斯麦特炉熔池温度工艺设计为1 180±10 ℃，温度对熔体的粘度、流动性影响很大，对喷溅的频率或高度也有一定的影响。试验测试了温度1 170 ℃、1 180 ℃、1 190 ℃、1 200 ℃时的喷溅情况，结果见表2。

表3 不同温度下的喷溅情况

注：喷溅高度通过目测距离炉顶高度估算，澳斯麦特炉高度为17 m，熔池高度为2 m。

从表3中可见，随着温度的升高，喷溅频率与喷溅高度逐渐增大，考虑最佳工艺控制，将温度控制在1 180 ℃。

2.1.2 控制枪位

喷枪的位置直接影响喷溅的程度与喷枪的寿命，为此进行了澳斯麦特炉枪位控制试验：①每次换枪开炉时将喷枪下至1 750 mm，随着喷枪的损耗，选择每次下枪30 mm，最低枪位为1 550 mm；②每次换枪开炉时将喷枪下至1 650 mm，随着喷枪的损耗，选择每次下枪30 mm，最低枪位为1 550 mm；③每次换枪开炉时将喷枪下至1 550 mm。表4是在加料量为120 t/h、炉温稳定时，不同枪位下熔体的喷溅情况。

同时通过试验考察了加料量为160 t/h、180 t/h以上，温度稳定时不同枪位熔体的喷溅情况。通过试验数据分析及实践，最终确定枪位控制操作：处理量120 t/h以下时枪位控制在1 750 mm；处理量120～180 t/h时枪位控制在1 800 mm；处理量180 t/h以上时枪位控制在1 850 mm，并且随着喷枪的烧损，不断降低枪位，每次下降50 mm，最低枪位为1 700 mm。

表4 不同枪位下熔体的喷溅情况

2.2 降低烟气机械夹带

烟气机械夹带主要为粉状精矿及高温熔体颗粒，而抑制烟气夹带高温熔体颗粒的手段有限，因此主要针对提高制粒成团率及降低精矿运输过程中破碎率进行研究。

2.2.1 提高制粒成团率

为了提高制粒成团率，对圆盘转速及圆盘倾斜角度进行研究，通过现场调查与试验，最终确定圆盘转速6 r/min，频率40 Hz，圆盘倾斜角度45°。近几年随着精矿含杂日益增加，精矿成团率特别是低硫矿制粒成团率较低，而加水方式对物料在盘内混合的效果有影响，因此对加水方式进行改进，以提高制粒成团率。

原圆盘制粒机加水系统如图1所示，水流直接通过水管进入圆盘制粒机，尽管水量大小可以调节，但加水点过于单一，水流的覆盖面积有限，不能获得好的制粒效果，而且单一位置加水量较大，容易出现局部位置矿料粘结圆盘的情况。

图1 原圆盘制粒机加水系统

改进后的圆盘制粒机加水系统如图2所示，直流水改为喷洒水，在水管的顶部接一根风管，开启水管时，适当调节风量，使水流呈喷雾状均匀洒在圆盘制粒机上，增大水流的覆盖面积，提高制粒成团率。

图2 改进后的圆盘制粒机加水系统

圆盘制粒机加水方式改进后，制粒成团率稳定在80%以上。

2.2.2 减少皮带运输过程中精矿的破损

加水系统改进后，铜精矿经过4台圆盘制粒机制粒后，成团率可达到80%以上，但是检查炉顶加料机皮带上的入炉精矿发现，其成团率不足40%，原因是成团精矿从圆盘制粒机出来经19#、20#、21#、16#皮带由炉顶加料机加入澳斯麦特炉,全程需要280 s，由于输送需要，每两条皮带之间存在较大落差，最高达3 m，球团下落时冲击力较大，部分球团摔碎。

对此，在皮带下料斗处加装缓冲装置(如图3)，减缓球团下落时的撞击。

图3 皮带缓冲装置改造示意图

加装缓冲装置后，入炉精矿成团率明显提高。

3 结焦的处理

目前主要采用结焦抑制剂减少烟道结焦。结焦抑制剂的原理是提高澳斯麦特炉烟灰熔点，通过提高结焦物的熔点，得到干燥的、易碎的、不易粘附的高熔点化合物，使结焦物与金属表面不易粘结。结焦抑制剂的特性如下：

助燃性：提高余热锅炉的换热效率。增强氧化气氛；

防腐蚀性：保持较高的酸露点，通过在管道表面形成金属膜，防止、减缓烟气对锅炉金属材质腐蚀；

疏松性：通过与硫化物和其它灰渣成分反应，导致灰渣碎裂，或者使其由坚硬、致密、不渗水的形态变为柔软、膨胀、多孔渗透性好的粉末。这些灰渣、粉末可以通过自身重力、烟气剪切或吹灰器吹灰轻易被去除。

3.1 优化结焦抑制剂添加方式

原结焦抑制剂添加方式是从澳斯麦特炉炉顶7楼(29.1 m平台)的添加孔加入，加入点单一，且无法对上升烟道顶部及下降烟道产生作用，易造成烟道顶部及烟道下降段结焦严重。为解决这一难题，试验探索了最优的结焦抑制剂添加方式。

(1)13楼烟道处(57.8 m平台)设结焦抑制剂添加孔，按每班50 kg的量添加，并设定添加设备每90 min添加一次，每次10 min，定期打开14楼(61.9 m平台)工作门查看顶部结焦情况并记录。

(2)在12楼(54.8 m平台)工作门上设结焦抑制剂添加孔，并在13楼与12楼两个添加点按每班50 kg的量同时添加，每90 min添加一次，每次10 min，定期检查记录烟道顶部结焦情况。

通过试验发现， 7楼、12楼、13楼同时添加与7楼、13楼同时添加效果基本相同，较原单一在7楼添加结焦抑制剂效果明显。2017年1～9月停炉化焦时间总计为1.5 h，相比于2016年每月2.8 h，化焦时间大大缩短。

3.2 上升烟道顶棚及下降段烟道结焦处理

在后续的生产中发现，增设结焦抑制剂添加孔，虽然可以有效减少上升段烟道结焦，但烟道上升段和下降段回转部位顶棚拐角容易聚集大型焦块，脱落时造成下降段烟道灰斗被砸垮塌，严重影响生产。2017年8月因掉焦处理灰斗故障42.5 h，9月处理灰斗故障35.5 h，长时间停炉严重影响了澳斯麦特炉的正常生产。生产实践中发现，抑制烟道顶棚及下降段结焦可从以下几方面入手：

(1)人工清理。为避免大块结焦掉落，定期对关键部位烟道顶棚进行检查，及时对已经产生的焦块进行人工清理；在澳斯麦特炉换枪、系统临时停车时，对顶棚的大块结焦进行人工清理，同时对烟道水平段的烟灰结焦进行清理。

(2)烟道振打。每班检查振打工作状况，随时维修，确保振打效果，使烟道上部结焦通过机械振打，依靠自身重力落入炉膛

(3)块煤筛分。2017年9月，备料系统加装块煤筛分设备，将块煤中的煤粉筛分出去，避免粉煤进入烟气燃烧，烟温下降慢，结焦由烟道上升段推移至顶部及下降段。

通过采取人工清理、机械振打以及块煤筛分等措施，有效抑制或减缓了澳斯麦特炉顶棚及下降段烟道结焦。

4 效果分析

4.1 减少结焦的形成

澳斯麦特炉熔体的喷溅主要与澳斯麦特炉炉温与澳斯麦特炉枪位有关，通过研究炉温与喷溅的关系，最终确定在不影响生产稳定的情况下，1 180 ℃炉温最佳，喷溅情况也较为良好；通过试验不同加料情况下，喷溅与枪位的关系，最终确定处理量在120 t/h以下时枪位控制在1 750 mm，处理量在120～180 t/h时枪位控制在1 800 mm，处理量在180 t/h以上时枪位控制在1 850 mm，并且随着喷枪的烧损，不断降低枪位，每次下降50 mm，最低枪位为1 700 mm。

针对精矿制粒成团率较低的问题，对圆盘制粒机加水管进行改造，在水管上方增设风管，用风压将直流水变为喷洒水，从而增加加水面积，达到提高制粒成团率的目的；针对精矿在运输过程中，破损率较高的问题，采用增设缓冲皮带的方法，减小了精矿落到皮带上的冲击力，有效地降低了精矿破损率。通过改进，制粒成团率达80%，入炉精矿成团率达60%。

4.2 烟道结焦清理

通过试验不同点位添加结焦抑制剂对烟道结焦的影响，最终确定在13楼工作门处新增结焦抑制剂添加点，有效消除了上升烟道掉焦对澳斯麦特炉的影响， 1～9月化焦时间仅为1.5 h。

对于烟道顶部及下降段烟道的结焦，主要采取人工清理、块煤筛分以及机械振打的方法。2017年9～11月检查发现，烟道顶部和下降段结焦较少，没有出现大焦块砸垮灰斗的情况。

5 结语

经过对澳斯麦特炉一个生产周期的探索研究，烟道结焦处理取得了突破性的成效。对现有制粒系统进行改进，保障了制粒成团率在80%以上；增设缓冲皮带，降低了运输过程中精矿的破损率，入炉精矿成团率在60%以上。通过增设13楼化焦剂添加点位，减少了上升烟道掉焦对于澳斯麦特炉生产的影响，化焦时间由2016年的平均2.8 h/月降至2017年的平均10 min/月。采取人工清理、块煤筛分及机械振打相结合的方法，有效消除了烟道顶部结焦，2017年9～11月未发生一起因顶部结焦脱落砸落灰斗引发的停炉事故。

澳斯麦特炉结焦情况依然存在，有待进一步研究解决。更为有效的结焦抑制和清理方法是澳斯麦特炉铜冶炼需要不断探索的课题。