铜冶金炉烟道结构探讨

檀 冰

（金剑铜业有限责任公司，内蒙古赤峰 024048）

目前，我国铜冶金炉有闪速炉、奥斯麦特炉、侧吹炉、底吹炉、矿热电炉等多种类型，这些炉型适用的出口烟道有直角转折型、鹅颈型、直筒型、烟罩型、复合型等。经过多年的摸索和实践，笔者认为优化铜冶金炉出口烟道结构可以减少烟道粘结堵塞等事件，有利于稳定铜冶炼行业的生产。本文对铜冶金炉烟道进行简单地分类，比较各种烟道的优缺点，并对铜冶金炉烟道优化的重要参数进行分析， 为进一步优化烟道结构提供依据。

1 烟道类型分类

铜精矿火法熔炼和吹炼过程产生大量含二氧化硫、 金属微粒和粉尘的高温烟气。 根据国家环保要求，必须对其进行回收和净化处理。现代的铜冶炼厂均把烟气中二氧化硫制成硫酸加以回收。然而，含硫烟气降温过程中具有腐蚀性， 加上高温含尘又具有粘结成块、堵塞烟道的副作用，所以铜冶炼过程中选择适用的排烟通道具有重要的意义。 根据我国现有生产的铜冶金炉烟道情况，可把排烟通道分成以下几种类型。

1.1 鹅颈型烟道

鹅颈型烟道基本形状如图1，整体呈“几”字型，结构复杂，由锅炉水管构成，需要很高很大的厂房。这种烟道的优点是可以把大量烟尘沉降下来， 并且由于整个烟道都构成锅炉辐射部受热面， 因而具有收尘降温的作用。这种烟道结构特别复杂，水汽管道庞杂，投资大，生产过程中极易形成炉结堵塞通道的状况； 同时， 因复杂结构难以保证整个烟道的密封性，操作不慎就会造成腐蚀爆管现象，水管间空间狭小，维修频繁且难度大。 因此，鹅颈烟道适合烟气量小，且烟尘不易粘结性质的含尘烟气，如果是对铅锌含量高的铜精矿进行火法冶炼， 建议尽量不用此类烟道。 此类烟道主要用于奥斯麦特炉和侧吹炉等铜冶金炉上。

图1 鹅颈烟道与直型烟道

1.2 直通型烟道

直通型烟道基本形状如图2 所示，结构简单，投资少，需要一定高度空间。该结构烟道如果不采用水管或水套冷却，维修简单；如果采用水冷，则需要增加水管或水套，且可以根据烟气减温的需要局部增设，或全域增设，适用于大烟气量的冶金炉。 该结构烟道流速快，不易粘结形成结块；但含尘烟气进入余热锅炉速度快，也容易对锅炉形成冲刷，造成余热锅炉辐射部顶部过热，所以对直型烟道进行局部水冷是一个好的改进方式。 另外，锅炉入口区域（上方和两侧）容易形成涡流而产生炉结，这给锅炉清理以及连续生产带来问题。为了满足连续生产的要求，余热锅炉辐射部需要尽量设计成大空间，以达到降低烟气温度和高效降尘的目的，同时也可以尽可能减少炉结产生。直通型烟道主要在侧吹炉、鼓风炉和少数闪速炉等铜冶金炉上应用。

1.3 折型烟道

折型烟道是直通型烟道的变种类型， 结构如图3 所示。 该类烟道吸取了直通型烟道的优点，又减轻了烟气对余热锅炉辐射部顶部的冲刷， 同时能在生产过程中解决烟道结块问题， 可以适应大烟气量高含尘的冶金炉烟气通过，适应性强。但含有高粘性烟尘的烟气还是容易在余热锅炉入口上部和两侧形成炉结，需要定期清理，这仍给生产带来一定的影响。折型烟道适用于闪速炉、矿热电炉、侧吹炉、鼓风炉等铜冶金炉。

图3 折型烟道和罩型烟道

1.4 罩型烟道

罩型烟道主要是利用水套或钢罩形成密闭的通道从而组成排放烟道系统，基本结构如图4 所示。这种结构的烟道可采用厂家制作、 现场拼接安装的方式，因此安装容易，更换方便。但其结构也较复杂，水管布置非常紧凑，且水套密封性差，漏风严重，容易产生低空污染。 受热不均匀还容易出现腐蚀漏水等故障，后期维修受空间约束也有一定困难。所以罩型烟道一般应用于底吹炉和转炉等回转式冶金炉，很少用于固定式冶金炉窑。

图4 罩型烟道

1.5 复合型烟道

复合型烟道是以上各种烟道的组合形态， 主要是采用水套冷却或风冷结构与耐火材料砌筑构成烟气通道。其结构复杂，自重大，设计和安装难度大，需要大型钢构支撑或吊挂，一般是根据冶金炉的温度、腐蚀性、结块情况进行设计，控制与操作也比其他类型复杂， 一般仅在闪速熔炼和闪速吹炼等精密控制冶金炉型中使用。

1.6 比较与分析

通过对上述集中烟道结构形式、优缺点的分析，各种烟道特点对比如表1 所示。

表1 各种烟道特点对比

综合国内铜冶炼厂的生产实践经验， 考虑各类型烟道特点，结合流体力学性质，可以认为折型烟道设计灵活，适应各种冶金炉的生产，可以满足铜冶金炉窑日益发展的高投入量、大热负荷生产的需求。而且通过计算机仿真和流体模型试验， 可以进一步按实体要求对其进行优化完善， 从而满足各种条件下的生产需要， 甚至可以扩展应用于其他有色金属冶金炉窑，如铅、锌、镍的冶炼等。

2 改进与优化

在冶金炉设计中，一般是先依据冶金计算确定烟气量， 然后根据烟气量的大小合理设计排烟通道截面大小，在此基础上确定恰当的锅炉入口烟气流速，最后综合V、α、H3 个参数，才能确定烟道所采用的类型。 3 个参数密切相关，相互制约，相互影响，尤其是V值的确定直接影响H和α 的取值。

以折型烟道为例，对余热锅炉辐射部上部与烟气入口的高度H，喇叭口倾角α 和入口烟气流速V等3 个参数进行优化，优化模型如图5 所示。

图5 冶金炉烟道优化模型

1）锅炉辐射部顶部高度H。 锅炉辐射部顶部高度H值选取过高， 烟气通过锅炉辐射部时间延长，从而有利于烟尘沉降，但这样锅炉投资大，且在烟气入口上方局部形成回流区，从而造成积灰结块，反而不利于连续生产。 如果H值过低，如＜2 m，高温烟气进入锅炉后容易对锅炉辐射部顶部造成冲刷， 锅炉顶部也会出现局部过热。因此，H值选取恰当的数值非常重要，依据经验，取值3～8 m 较为适合。

2）锅炉入口上倾角α 值。 锅炉入口上倾角α 值如果过大，高温烟气容易在余热锅炉辐射部前段冲刷顶部，且熔融烟尘易粘结在锅炉顶，形成大块，对锅炉造成安全隐患；锅炉顶部前端有时也会出现过热负荷，从而有爆管危险。 但如果α 值选取过小，烟气在辐射部流过时间短，烟尘不能及时沉降，会出现烟尘沉降后移，导致对流部积灰严重等现象。 此时，可以考虑加长辐射部长度，但加长辐射部长度不仅会增大占地面积，也会增加投资，不是最佳优化手段。参考流体力学模型[1]，结合现场实践经验，入口倾角α 值选取为40°～50°比较合理。

3）入口烟气流速V。 入口烟气流速V是一个关键的参数，如果V值过小，即烟气流速慢，虽有利于烟尘在余热锅炉内沉降，但不利于维持冶金炉内的微负压操作，易引起冶金炉周围出现低空污染[2]，同时造成投料入炉困难；如果V值过大，即烟气流速快，又不利于余热锅炉辐射部的烟尘沉降， 且容易带走大量的炉内热量，造成过度消耗燃料或炉内低温反应不完全的现象。目前，排烟流速的实践经验值一般为0．8～1．5 m/s。

3 结语

铜冶金炉排烟通道的选型，直接影响铜冶炼的连续性生产，但在冶金炉设计过程中，烟道设计又是一个不易引起重视的部位，需要吸取实践经验和通过科学试验才能找到更合理的构型。 铜冶金炉多种多样，要得到适合各自炉体的烟道形式与大小，有条件且有足够的技术实力的设计单位应通过计算机仿真或制作模型作流体实验确认的V、α、H值进行优化。