回转式蒸汽干燥机在铜闪速熔炼工艺中的应用

邓文涛，张冰

(中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

1 回转式蒸汽干燥机

1.1 设备结构及特点

回转式蒸汽干燥机是一种利用蒸汽的热量，通过间接换热方式对物料进行干燥的回转设备，主要由干燥机筒体、加热系统（包括换热管、旋转接头、汽室等）、进料装置（螺旋给料装置和皮带给料装置）、传动系统、支撑系统、出料系统、密封和润滑系统、蒸汽阀组和凝液回收系统、配套电气控制系统等部件构成。回转式蒸汽干燥机主体设备结构示意，见图1。

图1 回转式蒸汽干燥机主体设备结构示意

随着国民经济飞速发展和工业现代化水平的不断提高，蒸汽干燥机已被广泛应用于石油化工、煤炭化工、钢铁和有色金属冶炼、污泥和固废环保等多个行业领域，目标介质涉及高密度聚乙烯（HDPE）、对苯二甲酸（PTA）、聚甲醛（POM）、煤粉[1]、活性炭、污泥[2]、铜精矿、铅精矿[3]、铁精粉等多种物料。与传统干燥设备相比，蒸汽干燥机具有如下优点：1）热面积大，热效率高，可达80%~90%；2）能力大，适用于连续操作；3）操作简单，使用方便，运行稳定，操作弹性大；4）仅带走携挥发组分的湿气，蒸汽用量较少，粉尘回收设备简单；5）不与物料直接接触，不污染物料，密封良好，环境污染小。

1.2 重要工艺参数分析

根据回转式蒸汽干燥机结构特点，为确保物料的干燥达到工艺使用要求，一般要求停留时间大于物料干燥所需要的时间，因此蒸汽干燥机中物料在筒体内的停留时间是蒸汽回转干燥机的重要工艺参数。然而，在工程应用过程中物料在筒体内的停留时间需结合筒体的尺寸、安装倾角、操作条件、物料与载气的相对流向等多因素考量，并且很大程度上受干燥机供汽条件和物料含水率波动制约，因此物料的停留时间不能作为工艺控制经济指标[1]。

根据热量守衡和物料守衡原理，干燥物料所需热量由冷凝液排出量确定，排出冷凝液越多，蒸汽流量越大，设备的干燥能力越大。在生产应用过程中，物料尚未达到干燥终点时，换热管内的蒸汽在筒体内与未干燥的物料相接触，释放汽化热后凝结成冷凝水迅速排出，此时蒸汽压力将降低，需要不断补入蒸汽才能维持蒸汽总管压力的平衡。因此，蒸汽总管的压力变化情况能直观反应回转式蒸汽干燥机筒体内物料的干燥进度和设备的作业负荷。生产上常将回转式蒸汽干燥机所需低压蒸汽流量与蒸汽压力形成连锁控制，以确保回转式蒸汽干燥机稳定运行。

2 回转式蒸汽干燥机的应用

铜闪速熔炼工艺是一种常用的强化熔炼工艺，它将焙烧、熔炼和部分吹炼过程集成在一个主体设备内完成，具有能耗低、烟气量小、生产速率高、节能环保等特点。闪速熔炼是将粉状精矿经喷嘴和氧气混合从反应塔顶部高速喷入，铜精矿颗粒被气体包围，处于悬浮状态，并在短时间内完成硫化物的分解、氧化和熔化等过程。因此，该工艺对铜精矿脱水要求极高，需深度脱水（含水率小于0.3%）。而铜精矿原料成分复杂，干燥前含水率在8.5%左右，这就要求对铜精矿进行干燥的设备具有处理能力大，能处理硬度高、含有腐蚀性介质物料的特点。基于此，大型的回转式蒸汽干燥机是铜闪速熔炼工艺的首选。

回转式蒸汽干燥机是铜闪速熔炼工艺过程中的核心设备之一，蒸汽干燥工段是铜闪速熔炼工艺的前序准备工序。含水率约8.5%的铜精矿通过给料皮带均匀地输送进回转式蒸汽干燥机，与内部通有饱和蒸汽的换热管接触并伴随着筒体一起转动。进入干燥机内的铜精矿在筒体内受到换热管的升举和搅拌作用，并被换热管提供的热量干燥；干燥后的铜精矿借助于干燥机的倾斜度在筒体回转的作用下从较高一端向较低一端移动，经位于较低处的排料口自流至中间干矿仓。通过中间干矿仓后，干矿由浓相输送输送到位于闪速熔炼炉炉顶的干矿仓内；由蒸汽干燥机排出的烟气经布袋收尘后，经排风机就近排放；收集的精矿粉尘经刮板输送机返回到中间干矿仓中。蒸汽干燥工段工艺设备流程，如图2所示。

图2 蒸汽干燥工段工艺设备流程示意

3 不同类型回转式蒸汽干燥机对比

3.1 回转式蒸汽干燥机机型分类

换热管是回转式蒸汽干燥机的主要换热元件，结合目前国内已投入生产运行的铜闪速熔炼工艺中的回转式蒸汽干燥机，根据换热管的结构形式，可分为直管式和盘管式两种机型。

1）直管式蒸汽干燥机换热管采用多排同心圆排列，每根换热管纵向单独布置，其一端与汽室通过焊接连接，使蒸汽进入，冷凝液排出；另一端支撑在干燥机的进料端端板上，每根管采用填料密封，换热管受热后可自由膨胀，换热管壁与矿料进行间接换热。直管式干燥机筒体断面结构示意如图3所示。

图3 直管式干燥机筒体断面结构示意

该设备具有以下特点：（1）蒸汽进入换热管阻力较小，蒸汽管损较低，在相同条件下，可以保证较高的进料端温度；（2）由于进料侧温度较高，有利于提高干燥机的干燥效率，缓解干燥机前端的腐蚀问题和降低干燥机前端粘料问题；（3）设备密闭性好，筒体稍长，换热管对接焊点只有1处，不易产生腐蚀和泄漏。

2）盘管式蒸汽干燥机换热管由直管和环管等部件组成。环管与物料的接触方式为顺流全面积滑动式接触换热，干燥换热的换热组件由一系列与筒体同心圆的环形加热管组成，每一个换热管组件都可以简单方便地从干燥机内部抽出，从而进行维修和更换。盘管式干燥机筒体结构断面示意，如图4所示。

图4 盘管式干燥机断面结构示意

该设备具有以下特点：（1）单位筒体容积内具有较大的换热面积，矿料与环管接触面大，可增加矿料的分散性，强化传热效果，对矿料适应性好；（2）换热管的管间距可灵活设置，有效防止物料在进料端堵塞；（3）设换热管为可拆式结构，便于维修更换，筒壁内衬耐磨衬板可更换。

3.2 两种类型回转式蒸汽干燥机应用情况对比

结合已投入生产运行的铜闪速熔炼工艺，两种类型的回转式蒸汽干燥机的应用情况对比详见表1。

表1 两种类型的回转式蒸汽干燥机应用情况对比

从表1数据可以看出，直管式蒸汽干燥机对蒸汽压力的适应性比盘管式蒸汽干燥机更强，正常工况下精矿干燥所需饱和蒸汽压力低，仅为30%~50%；类似工况下，盘管式蒸汽干燥机的出料温度较低，烟气温度较高。由此可知，两种类型的干燥机作业率相差不大。另外，两种干燥机转速电机均采用变频调速来控制矿料在干燥机中的停留时间。

3.3 40 kt/a铜闪速熔炼工艺应用对比

为更好地对比上述两种类型的回转式蒸汽干燥机的应用参数，以下以400 kt/a铜冶炼规模作为回转式蒸汽干燥机的设备选型依据，单台回转式蒸汽干燥机设备能力拟定为180 t/h（湿基）进行选型参数对比。结合类似项目的设备应用技术资料和设备厂家资料，直管式和盘管式两种蒸汽干燥机的主要经济技术指标详见表2。根据设备选型差异，两种干燥机主要部件材质和配置差异对比详见表3。

表2 主要技术经济指标对比

表3 主要部件材质和配置差异对比

根据上述干燥机设备资料可以看出，两种干燥机均能较好地满足铜闪速熔炼工艺要求。

3.4 特点归纳

综上所述，两种干燥机具有以下特点：1）干燥机主电机采用变频调速，以便于满足在不同工况下铜精矿原料含水率的波动的需要；2）干燥机的出料温度与主蒸汽压力（或者蒸汽流量）连锁调节，既保证了产品质量，又提高了蒸汽的有效利用率；3）干燥机采用1.3~1.6 MPa的饱和蒸汽作热源，具有较高的换热效率，并且在此蒸汽温度范围内能有效避免铜精矿的性变，控制干燥机排放的烟气量及干燥后的矿料温度，从而满足环保和节能要求；4）设备分部检修便捷,检修周期短，运行稳定可靠。

3.5 存在问题及处理方法

尽管两种结构形式的干燥机均能较好地满足铜闪速熔炼工艺要求，但在生产运行过程中仍各自存在着一些问题。

1）盘管式蒸汽干燥机生产运行过程中存在的主要问题及其处理方法如下：（1）减速机的扭矩过大，齿式联轴器螺栓易松动。定期检查减速机内部齿的磨损情况，适当降低干燥机负载，减小扭矩，减小对减速机内部的磨损，定期换油，保持良好的润滑状态。（2）加热元件使用寿命短、疏水效果差。改进加热元件的材料性能，增加换热管壁厚,提高加工处理的焊接工艺水平，适当提高加热元件的疏水背压，优化蒸汽冷凝配管布置，设置管路旁通。

2）直管式蒸汽干燥机生产运行过程中存在的主要问题及其处理方法如下：（1）换热管应力腐蚀较大，干燥机主筒内载气逆流。改良换热管材质采用SUS329J4L双相不锈钢,适当增加换热管壁厚；进料口设置风罩，适当增大烟气出口负压。（2）汽液平衡能力差，疏水效果差。凝水排放口增置凝液平衡罐，平衡管与干燥机主蒸汽管联通，从而增大疏水背压，使得凝液迅速排除。

4 结语

随着国内铜“双闪”工艺的飞速发展和装备技术的不断提升，闪速熔炼工艺已在国内多家大型铜冶炼厂推广应用。与此同时，铜闪速熔炼工艺配置设计也趋近模块化，回转式蒸汽干燥机作为该工艺流程控制的主要设备，其经历了设备引进到逐步国产化的发展历程。回转式蒸汽干燥机在铜闪速熔炼工艺的应用已趋近成熟，为铜冶炼厂规模化、智能化提供了保障。