氧化锌脱氟氯工艺中多膛炉系统的设计与优化

李杰

(中际山河科技有限责任公司,湖南 长沙410000)

我国锌行业面临资源和环境的双重约束，生态文明建设和污染防治攻坚战对行业发展环境产生了重大影响，铅锌等有色金属作为国家重要的基础原材料，是践行绿色发展理念的关键领域。氧化锌作为重要的再生回收锌二次资源，其中含有一定量的氟、氯化合物，氟、氯离子如果随氧化锌浸出进入溶液，氟离子会腐蚀阴极板，使锌片难于剥离，氯离子会腐蚀阳极板和冷却塔，带来生产上的一系列困难。因此，对氧化锌进行脱氯氟处理是锌二次资源利用必不可少的重要过程。现行的氧化锌除F、Cl工艺主要有多膛炉工艺和回转窑工艺两种，其中多膛炉工艺适用于原料氧化锌中含铅量≤15%，且有其它稀散金属的情况，而回转窑工艺适用于原料含铅量高，并不含其他稀散金属的情况。

1 多膛炉脱氟氯工艺原理

多膛炉脱氟氯原理主要是氟化物、氯化物的挥发反应，在炉内高温条件下，低沸点的氟化物、氯化物分解成气态，随烟气进入烟气除尘装置而被除去，反应过程如下：

1.1 高温挥发反应：MeX2→ MeX2(g)

1.2 氧化锌原料反应：ZnO+SiO2=ZnO⋅Si O2、PbO+SiO2=3PbO⋅2Si O2(726℃)（低熔点共晶化合物）式中Me表示Zn2+、Pb2+，X表示Cl-、F-。生产过程中，次氧化锌物料经气力输送至氧化锌贮仓，再送至多膛炉焙烧。控制焙烧温度在650～750℃左右和一定的负压条件下，氧化锌中的氟、氯化合物分解，以气态形式进入烟气收尘系统，经收尘得到高氟氯烟尘并送至湿法碱洗工序进一步处理。炉内物料和烟尘的运输路径如图1所示。其中，氧化锌物料通过螺旋输送机，连续不断地从顶部进料口落入第一层，然后在第一层被耙臂通过出料口扫入第二层，经过每层连接在中心轴上耙臂下方的耙齿搅动，使物料均匀翻动，并经过炉体中每层的落料口进入下一层，物料的运输路径为“之”字形。烟尘和废气不断往炉腔上部聚集，废气管道上的引风机通过除尘出口，将废气和灰尘抽走。

2 多膛炉设备设计

2.1 炉膛结构及耐火材料

2.1.1 炉衬耐火材料采用特殊设计的粘土异型组合砖。砖体采用专用钢模成型，机器压制，隧道窑高温烧结而成，理化指标符合YBT5106-2009标准ZN-40牌号的要求。砌筑拱形炉床，热稳定性较好，可适应较大的温度波动，同时可满足最高1000℃的使用温度。

2.1.2 炉壳内径φ6770mm，炉墙耐火砖层230mm，炉体外保温采用硅酸铝纤维毡，保温层表面敷设薄铝板；炉墙拱脚和每层炉膛均使用异形砖组合砌筑，采用锥形拱顶结构形式。保温层厚度结合炉墙内衬保证炉壳钢结构长期工作温度低于300℃，保温层外表面相对环境温升不超过50℃。

2.1.3 炉床共10层，每层拱脚砖环均支撑在炉壳的加强圈位置，确保拱形炉床的稳固。单数层炉床设置中心孔，双数层炉床每层均布15个落砂孔。每层炉膛设有6个工作门，以便于工人操作及检修。

2.2 中心轴

2.2.1 中心轴按每层一节设计共12根，分别为底部中心轴1根，顶部中心轴1根，中心轴Ⅰ型9根，中心轴Ⅱ型1根。

2.2.2 中心轴Ⅰ、Ⅱ型采用耐热铸铁RTCr2铸造加工而成。底部中心轴及顶部中心轴安装在炉膛之外，底部中心轴采用铸钢ZG310-570，顶部中心轴采用耐热铸铁RTCr2。中心轴Ⅰ、Ⅱ型采用双层夹套式结构，冷却风由夹套内层通入，外层排出，冷却中心轴及耙臂。冷风经过中心轴变成200℃左右的热风排出，热风可作为燃烧室的助燃空气使用，减少了能源的消耗。

2.3 传动装置

2.3.1 减速机采用渐开线圆柱硬齿面减速机，渐开线圆锥齿轮啮合：滚动轴承式双支撑小齿轮，减速机输出轴不承受弯矩；分体式大齿轮。

2.3.2 驱动电机采用变频调速器调速，既可调节炉子的能力，同时又可以对电机的工作电流设置过载保护，当中心轴扭矩过大，电机电流过载时，可以停止电机运转，保护中心轴及传动设备。

2.4 燃烧系统

2.4.1 燃烧器为可拆卸清理的形式，在必要时可将燃烧器或易堵塞部件从炉体上退出清理。燃烧器配置自动点火和火焰监测装置，具有全程火焰监测和熄火、欠压、断电保护功能，燃烧功率和温度手动控制。燃烧器点火和火焰调节现场操作，设置现场操作控制箱和远程点火和控制系统，相关信号传输至主控室。每个燃烧器配置两个安全切断阀。

2.4.2 该型号燃烧器结构设计上采用多级旋流半预混式燃烧的机理，混合强烈充分，空气过剩系数在1:1.1 ～1:1.2 之间，燃烧完全，火焰刚性好，火焰长，燃烧率达99.9 %以上。

2.4.3 燃烧器耐热部分全部采用高级优质耐热不锈钢（310S/321等），耐高温和抗氧化能力极强，使用寿命长。在燃烧器内部结构上设计了防回火装置，确保燃气可靠安全使用。燃烧器燃气流量为10～20Nm3/h，使用压力为10kpa。

2.5 多膛炉控制系统

多膛炉的操作监控系统，是自成体系的装置，其人机界面安置在高压及低压控制柜上，并且配置一台置于智慧中心的远程维护终端微机。PLC自动控制和报警，PLC可调、可切换成手动；设置与总厂DCS系统通讯的接口，采用Profinet协议通信，传送所需状态及控制；PLC带多网口并开放内部数据，可实现在智慧中心远程操作。PLC采用S7-1500系列，采用PLC+触摸屏控制，操作简单，易于上手(图2)。

图2 多膛炉控制系统

3 多膛炉脱氟氯系统优化

3.1 温度控制

铅熔点较低，当温度达到脱氟、氯需求的600℃时，过多的铅就会融化结块，将耙齿和中心轴粘住，导致设备故障，影响脱除率。在生产过程中，反应带主要发生在前六层，第六层温度最高，依次向两边递减，各层之间应形成温度梯度，根据生产实践摸索，多膛炉各层较合理温度分布如表1所示，按照表内温度范围区间设置，可实现炉内温度在线自动控制。

表1 多膛炉工作中温度分布

3.2 耙臂上耙齿优化

在以前设计的耙臂燕尾槽内，圆形碗口可以转动，刮料板的方向会改变甚至反向，不利于物料的运动，使用寿命短。此次优化成方形碗口，方向固定，齿路清晰，物料顺畅，使用寿命较长。粑齿下端增加了真正的小耙齿，可以翻炒物料，又不增加阻力，可防止物料板结(图3)。

图3 新旧耙齿对比

3.3 中心轴转速优化

中心轴转速越快，脱除率效果越差，但是转速过慢又制约了设备处理能力，根据实践经验，物料停留时间必须保证2h以上，对应的转速为0.8 ～1.2 r/min。设计中，中心轴传动电机采用变频调速电机，可根据工作实际情况实时调整中心轴转速。(图4)

图4 中心轴转速对脱F、Cl影响

4 结论

多膛焙烧炉作为氧化锌脱氟氯的主流手段，无论是从经济性还是环保角度与其他工艺进行对比，多膛焙烧炉工艺都占据着明显优势。所以，对多膛焙烧炉结构的技术优化和提升，依然具有重要意义。本设计从温度控制、物料控制、耙臂等方面对多膛炉系统进行了自动化与稳定性优化。但受生产环境、原料质量，杂质含量等因素的影响，在不同地区生产厂家的设备需求不尽相同，甚至可能在相同地点，不同时间点上也会出现较大差异。可以预见，在今后的设计发展趋势是向智能化、以及高适应性方向发展，因此站在设计的角度上，依然有着较大发展空间与挑战。