富氧顶吹熔池熔炼炉处置含铜污泥的优化设计

文_吴银登 黄强 刘玉坤 上海环境工程设计研究院有限公司

我国电镀行业在工艺过程中会产生大量污泥，这种污泥种含有Cu、Fe、Ni、Zn等多种金属，也被称为含铜污泥，废物类别为HW17。我国每年产生约1000万t含铜工业污泥。

1 熔炼技术的特点

在铜工业污泥的工艺中，熔池熔炼技术有自动化程度高、处理能力大、烟气量小、原料适应性强等优点，是含铜污泥资源化的趋势。熔池熔炼工艺是在含Cu的工业污泥中，按照一定的配比关系加入造渣剂，并通入富氧空气，在1300℃的高温熔融过程中，氧化渣相与铜相分离并分层，从而实现Cu的资源化回收利用，具有良好的经济效益和环保效益。同时熔炼过程产生的烟气经过余热回收和净化系统达标排放至大气。

2 富氧顶吹熔炼技术的特点及优势

富氧顶吹熔炼技术是在熔炼的过程中用喷枪强烈搅拌熔体，使入炉物料搅动，和熔池中的过氧化炉渣充分接触，为熔炼物料的反应提供了合理地动力学和热力学条件。同时，搅拌过程中飞溅起来的熔体对加入炉内的小颗粒有捕集回收的作用，因此顶吹炉需要配置很高的余热锅炉上升烟道，使大量烟尘在上升段沉降落入熔池。

顶吹炉具有对物料适应性强，物料在炉内反应速度快和处理能力大，烟尘产率低的特点。对入炉物料要求低，可选择非连续和连续操作，在一台炉子中实现氧化和还原。

顶吹炉反应速度快，需要各个子系统同步并均匀稳定地提供必要的工艺条件，为了达到此目的，需要配置可靠的自动控制系统，因此顶吹熔炼技术自动化程度比较高。

顶吹炉的操作简单方便，能够通过调整炉料、燃料与空气/氧气的比例，精确控制炉内反应气氛，可进行氧化熔炼、还原熔炼及渣的烟化处理。并且可以根据炉料加入量和熔池的高度，通过升降喷枪来控制喷枪插入熔池的深度，确保生产的连续进行。

3 现顶吹熔炼炉存在的问题

3.1 原料组份复杂进料系统设计困难

由于顶吹炉处理的物料来源复杂，组份相差比较大，进料量的波动也会比较大，物料组分及添加剂的波动会造成与之联锁的工艺风、含氧量和炉内反应气氛的相应变化，严重时可能产生泡沫渣喷炉之类的事故。因此，设计进料系统时必须考虑组分和进料量的波动对系统的影响。

3.2 工艺参数不易控制

顶吹炉反应速度快，需要各个子系统同步并均匀稳定地提供必要的工艺条件，为了达到此目的，需要配置可靠的自动控制系统，因此顶吹熔炼技术自动化程度比较高。在富氧顶吹熔池熔炼炉的操作过程中，由于工况复杂且比较恶劣，炉膛温度场、氧含量不容易控制，如果分布不均会有大量NOX生成。

3.3 出渣的控制

由于进料组分比较复杂，炉膛温度和炉渣性质也不容易控制。如果控制不好，炉渣在出渣口不能流出，严重时可导致死炉。

3.4 出渣口容易损坏

熔池熔炼炉的出渣口（包括金属出口），由于长期受到高温流动炉渣（金属）的侵蚀磨损，会对出渣口流道的耐火材料部分进行冲刷、磨损、腐蚀等影响，导致熔炼炉出渣口非常容易损坏，远比炉内壁严重。每隔一段时间就需要更换一次出渣口，浪费了大量的成本。现有技术中许多装置在出渣口增加水冷管，但过多的冷却水带走大量热量后炉渣流动性降低，出渣口更容易堵塞，并且水冷管容易受到炉内腐蚀组分的侵蚀。

4 顶吹炉的优化设计

4.1 进料系统的优化设计

配伍后的原料送入成品料仓，还原煤送入还原煤料仓，添加剂送入添加剂仓，根据进料情况调整还原煤和添加剂的量，减少出现泡沫渣，并保证排渣的顺利；在料仓出口设置称重模块，可以根据进料情况调整还原煤和添加剂的量，减少出现泡沫渣，保证顺利排渣。

设置具有一定容积的缓冲料仓，可以应对进料量的波动，满足各工况的需要。由于整体流储罐的下料速度较稳定，更适合对后续称重输送进行计量和控制，同时由于罐内物料密度基本一致，停留时间也基本相同，不存在流动死区。原料储藏的设计均为整体流设计，料仓的高径比2。储罐内应增设防潮和密闭结构以保证物料的干燥。

4.2 出渣口的设计优化

出渣口设计为两层，内层浇注料，外层耐火砖。外层耐火砖设计为可拆卸式。如发生侵蚀可直接更换，耐火砖优选镁铬砖。

水冷管采用钉头管这样的扩面管，可增加换热面积2～3倍，减少冷却水的消耗；钉头管采用SH/T3422-2011石油化工管式炉钉头管技术标准，制造简单方便。

出渣口的形状设置为圆锥状，可以减少炉渣对出渣口的挤压和冲刷，延长出渣口的使用寿命；在出渣口装有的红外测温装置，用于检测炉渣的温度，根据炉渣温度调节冷却水调节阀的开度，减少冷却水和能量消耗。出渣口的优化设计如图1所示。

图1 顶吹炉出渣口结构优化

4.3 控制方案优化

在炉体上设置热电偶检测炉膛温度，并根据炉膛温度调节燃料阀开度，维持炉膛温度平稳；以烟气氧含量分析仪的读数为操作变量，调节氧气调节阀，维持烟气出口氧含量的稳定。炉体热电偶包括对耐火材料的检测。

喷枪的出口浸没在渣面以下。在插入渣层不同深度时，由于压力的变化会反应在富氧管道压力变送器上。根据富氧管道压力变送器的读数调节喷枪插入深度，维持喷枪浸没在渣面以下200～300mm。

通过红外测温仪实时检测出渣口的炉渣温度，如果炉渣温度过低导致流动性不足，通过调节喷枪的功率，调节喷枪套管的二次风配风量，调整原料进料和添加剂的量进行调节；排渣不畅时启动燃烧器，补充热量促进炉渣流动。在出渣口复杂的工况下，红外测温仪的检测稳定可靠，可实现对温度场的检测。顶吹炉的控制逻辑图如图2所示。

图2 顶吹炉控制系统优化

5 结语

①以烟气出口烟道的烟气氧含量为控制变量，调节氧气调节阀的开度，维持烟气出口氧含量的平稳；通过炉体热电偶检测炉膛温度，调节燃料调节阀的开度，维持炉膛温度场的平稳，能更好的节约燃料，减少NOX的生成。

②通过红外测温仪可更直观地监测出口炉渣的温度和流动性，避免堵塞。如果炉渣温度过低导致流动性不足，可通过调节喷枪的能量、调节配风量、调整添加剂的进料量等手段；出渣口设置燃烧器，可用于给炉渣补充热量，避免发生堵塞。

③设置称重模块，可以根据进料情况调整还原煤和添加剂的量，减少出现泡沫渣，保证顺利排渣。并设置具有一定容积的缓冲料仓，可应对进料量的波动，满足各工况的需要。

④出渣口的耐火砖设计为可拆卸式，如检测到发生侵蚀可直接更换；采用钉头管做水冷管，可增加换热面积2～3倍，减少冷却水的消耗；出渣口设置红外测温装置，用于检测炉渣的温度；出渣口的形状设置为圆锥状，可以延长出渣口的使用寿命。

⑤富氧顶吹熔炼炉的工况复杂，需要进一步的优化设计来保证运行顺利和节能减排的需要。