自然循环锅炉在铜冶炼中的应用

李昱民，王国珍

（江西铜业股份有限公司贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

铜冶炼主要分熔炼、吹炼和精炼三个工序。阳极炉为阳极铜精炼的冶金炉，产出的高温烟气经降温、除尘和脱硫等过程达标后排放。阳极炉工序自采用稀氧燃烧技术后，烟气量大幅减小。原设计的阳极炉余热锅炉体积庞大、散热量较多、产汽量很少，同时余热锅炉为强制循环，热水循环泵的运行还要消耗大量电能，因此能耗高，经济效益差，已不再适用。多数铜冶炼企业改用喷雾冷却器、兑冷风加板式换热器、小型余热锅炉等方式来进行降温，但阳极炉烟气热能［1］均未得到合理的回收利用。

2 阳极炉烟气特性分析

阳极炉精炼为周期性作业，分为加料期、氧化期、还原期、浇铸期四个周期。每个周期持续时间不同，单炉周期为12h。阳极炉各周期排出的烟气量、烟气温度和烟气成分各有不同。氧化、还原阶段烟气中含有一定的半熔融颗粒及未燃烧干净的炭黑。阳极炉余热锅炉入口的烟气［2］参数见表1。从表1的数据可以看出，阳极炉烟气量小、烟气温度高、含尘量大、氧化期含硫高、烟气温度随不同周期的波动大。

表1 阳极炉余热锅炉入口的烟气参数

3 自然循环锅炉运行情况概述

3.1 前期论证

阳极炉烟气处理是一个系统工程，设备设计人员应与工艺设计人员加强沟通和配合，充分地掌握工艺需求，综合考虑整个系统设计的合理性。选择设备时，首先要结合后序工况来满足工艺要求，同时要能够合理地应用从烟气中回收的热能，尽量减少水资源损失，实现节能减排的目的。

为适应现有的精炼工艺，贵溪冶炼厂阳极炉工序通过分析现场生产实际并结合阳极炉烟气特性、参数进行了可行性论证分析［3］，决定对现有阳极炉余热锅炉进行改造。拆除原有一次、二次燃烧室，在一次、二次燃烧室的基础上建立阳极炉自然循环锅炉。

阳极炉自然循环锅炉结构紧凑、散热量小，可以使阳极炉烟气热能得到充分的回收利用，提高了余热锅炉的热回收效率和经济效益。

3.2 工作原理

余热锅炉设计为膜式水冷壁结构，具有降温降尘回收余热的效果。高温烟气进入余热锅炉后，通过辐射释放出来的热量被水冷壁吸收，温度迅速降低。在烟气与水冷壁换热过程中，烟气携带的半熔融状态颗粒会冷却到凝固点温度以下并沉降下来。

阳极炉自然循环余热锅炉设计为QC6.2/1250-4-1.27型。结构上采用上锅筒与左右膜式水冷壁管及底盘组成燃烧室。上下锅筒间布置有对流管束，以保证烟气良好的换热效果。余热烟气由前墙进烟口进入燃烧室，与水冷壁辐射换热后进入对流管束区。对流管束被隔成三个区域，可使烟气在对流管束得到充分对流换热。经对流管束充分对流换热后的烟气通过烟管进入布袋收尘器［4］，最后由排烟风机送至车间有机胺脱硫系统［5］。烟气在有机胺脱硫系统得到进一步净化，并在达标后排入大气。阳极炉自循环余热锅炉结构简图见图1，设计的主要技术指标见表2。

图1 阳极炉自然循环余热锅炉结构简图

3.3 性能特点

阳极炉自然循环余热锅炉主要具有以下特点：

（1）采用双锅筒纵向布置，结构紧凑、便于安装，基建投资少；

（2）供水、供汽、进烟气操作简单、方便，易于管理；

（3） 升温、升压快，短时间内即可达到工作压力；

（4）配套辅机、仪表、阀门齐全，性能好，接通水和电即可运行。

3.4 在铜冶炼应用中出现的问题

熔炼车间阳极炉精炼工序配有630t回转式阳极炉和1套能力为110t/h的双圆盘浇铸机。阳极炉余热锅炉于2021年12月改造成自然循环锅炉后整体运行平稳，但也存在一些缺陷。

自然循环锅炉运行过程中存在的主要问题有：

（1）由于锅炉燃烧室空间偏小，烟气中带有的半熔融颗粒在燃烧室区域内不能完全沉降，导致锅筒烟气入口处的对流管束容易结块，从而增大阳极炉炉膛负压的工作负荷，进而导致阳极炉烟气不畅通，锅筒积灰。锅筒内积灰多，会使蒸汽产量随之减少。

表2 阳极炉自然循环余热锅炉设计主要技术指标

（2）锅炉本体直接与阳极炉Z型烟道相连，没有设计旁通烟道。锅炉故障时，阳极炉炉膛辐射热源无法切断。

（3）锅筒冷却时间受炉膛辐射热影响，检修时间偏长，影响工序生产节奏。

3.5 解决方案

结合阳极炉工序生产实际，制定以下措施来解决锅炉在生产应用中遇到的问题：

（1）扩大锅炉燃烧室底盘灰斗空间，使烟气中的半熔融颗粒能够更充分地冷却、沉降。

（2）在锅筒烟气入口处增设吹灰装置，用以在氧化、还原作业后对锅筒烟气入口的对流管束进行吹扫，避免对流管束之间积灰结块。

（3）利用阳极炉炉体检修时段把锅炉燃烧室加长，并在燃烧室内增设烟气挡墙，使烟气在燃烧室内成S型流向，保证烟气中含有的半熔融颗粒在进入锅筒对流管束前沉降80%以上。

（4）利用阳极炉炉体检修时段在锅炉燃烧室顶部增设旁通烟管，并在锅筒烟气入口前端增设水冷闸板。

阳极炉自然循环锅炉改造后的结构简图见图2，改造后的实物图见图3

图2 阳极炉自然循环锅炉改造后结构简图

3.6 使用效果

贵溪冶炼厂阳极炉自然循环锅炉于2021年12月下旬改造后，整体运行平稳，操作更简易，未出现锅炉设备故障。阳极炉锅炉产蒸汽量统计表见表3。

图3 阳极炉自然循环锅炉改造后实物图

阳极炉余热锅炉改造前产蒸汽量很少，同时由于余热锅炉为强制循环，热水循环泵的运行还要消耗大量电能。2台余热锅炉改造成自然循环锅炉后每月总计产蒸汽量在1500t以上。通过对比可以发现，改造后的自然循环锅炉经济效益更好。

表3 阳极炉锅炉产蒸汽量统计表 t

4 结语

当前，有多种技术途径可以实现铜冶炼的烟气热能回收，但是由于受到地域、企业规模、生产工艺等方面的影响，不同的铜冶炼企业烟气热能回收的技术［6］存在一定的差异性。少数铜冶炼企业的余热烟气通过空气冷却器或冷却塔等方式直接排入大气，不仅会造成大气污染，而且还会造成资源浪费。

使用自然循环锅炉对阳极炉烟气热能回收再利用，可以将阳极炉高温烟气热能转化为低压蒸汽，达到节能和环保的双重效果，在铜冶炼行业内具有先进性和示范性。