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奥托昆普闪速炉

奥托昆普闪速炉

摘要闪速熔炼是当今铜冶金中最具有竞争力的熔炼技术,被认为是标准的清洁炼铜工艺。闪速炉是闪速熔炼的主体设备,本文以铜冶金为例,结合金隆工程详细介绍了闪速炉的结构特点、技术参数,并对其发展趋势做了展望。

关键词闪速炉;铜冶金

一、产生与发展

随着环境保护的日益严格,铜冶金工业面临着严峻挑战。当今世界铜冶金方法主要有火法和湿法两种,其中火法占主导地位。火法冶金种类较多,目前国际上存在的主要火法炼铜设备有闪速炉、反射炉、鼓风炉、诺兰达炉、艾萨炉(奥斯麦特炉)、瓦纽可夫炉、三菱炉、特尼恩特炉、电炉、白银炉等十几种冶炼设备。大部分工艺存在能力低、成本高、能耗大、污染严重等问题,严重制约着铜冶金工业的发展。20世纪60年代前,反射炉和鼓风炉占统治地位。70年代,发达国家的环保运动对铜冶金工业冲击很大。美国1970年颁布了《空气净化法令》,迫使美国铜冶炼企业在较短时间内将传统的反射炉熔炼改造成闪速熔炼。日本在70年代,几乎是一夜之间将国内的十几台鼓风炉全部改为7座闪速炉,仅留下1座三菱炉。闪速熔炼自1949年芬兰奥托昆普问世以来,经过不断改进、完善和发展,逐步取代了反射炉和鼓风炉的地位。今天它已成为当今铜冶金所采用最具有竞争力的熔炼技术,被普遍认为是标准的清洁炼铜工艺。目前,全球粗铜产量的50%以上是采用这项技术生产的。中国80年代至今,引进开发了贵冶、金隆两座炼铜闪速炉。由于闪速熔炼工艺成熟,自动化程度高,生产能力大,能源消耗低,环境保护好,目前世界上大部分新建或改扩建的铜冶炼企业均采用闪速熔炼工艺。[3]

二、闪速炉的结构

奥托昆普闪速熔炼是采用富氧空气或723~1273K的热风作为氧化气体。在反应塔顶部设置了下喷型精矿喷嘴。干燥的精矿和熔剂与富氧空气或热风高速喷入反应塔内,在塔内呈悬浮状态。物料在向下运动过程中,与气流中的氧发生氧化反应,放出大量的热,使反应塔中的温度维持在1673K以上。在高温下物料迅速反应(2~3s),产生的熔体沉降到沉淀池内,完成造冰铜和造渣反应,并进行澄清分离。

奥托昆普闪速熔炼设备[2]

奥托昆普闪速炉

图1 芬兰奥托昆普闪速炉

奥托昆普闪速熔炼炉的自动控制:主要用计算机来控制闪速炉产出的冰铜品位、冰铜温度和炉渣中Fe/SiO2比。它们分别由控制反应塔送风量、重油量和炉料中石英溶剂的比率来实现。

奥托昆普闪速炉由精矿喷嘴、反应塔、沉淀池及上升烟道等四个主要部分组成,在此结合金隆工程对闪速炉的结构进行了详细介绍,结构如图2所示。

1.精矿喷嘴

目前闪速炉上使用的精矿喷嘴一般有两种:一是文丘里式;一是中央喷射扩散式。文丘里式精矿喷嘴烟尘发生率较高、容易产生生料,而且单个喷嘴的能力较低,需安装多个精矿喷嘴,由于安装位置距反应塔内壁较近,造成反应塔内壁冲刷严重。而中央喷射扩散式精矿喷嘴由于它特有的结构,不但能适应高投人量、高富氧熔炼的要求,而且由于其中央有氧管,提高了中央氧量,增加了与精矿的接触面积,使化学反应更加彻底,因此生料不容易生成,另外,在反应塔顶中心部位只需安装一台精矿喷嘴,因此对反应塔内壁冲刷较小。在设计时充分考虑了

奥托昆普闪速炉

图2闪速炉总图

规模扩大的需要,选用的是变量中央喷射扩散式精矿喷嘴。该种精矿喷嘴空气腔采用内、外环双层结构,可根据风量的大小分别选择内环、外环或内外环同时使用,达到最佳喷出速度。

2.反应塔

反应塔为竖式圆筒形,由塔顶和塔身构成。塔顶为球拱型结构,由厚度为400mm耐火砖和3圈水冷H型梁组成,水冷H型梁一方面固定炉顶,另一方面冷却耐火材料,由于塔顶承受高温热辐射和含尘烟气的冲刷,但无精矿冲刷,选用抗化学侵蚀、耐冲刷性好的半熔融再结合镁铬砖较为经济合理。塔身由外壳钢板、吊挂机构、砖体、钢板水套、铜水套组成。外壳钢板在吊挂机构区域厚度为50mm,其它部位厚度为28mm,主要用来通过砖体内托板支承耐火材料。吊挂机构为反应塔重要的受力构件,其内部必须进行水冷,反应塔整个重量通过它悬吊在反应塔框架上。由于主要的化学反应在反应塔内进行,反应塔容积热强度非常大,为了保护耐火材料,沿反应塔高度方向布置了7层铜水套,为了进一步加强冷却,在外层捣打料中还布置了冷却铜管。反应塔上部筒体冲刷较轻,用的是半熔融再结合镁铬砖,下部冲刷严重,用的是荷重软化温度高、显气孔率低、抗氧化还原以及抗化学侵蚀性能好的电铸砖。反应塔整个重量都悬吊在反应塔框架上,并与沉淀池是完全分开的,这样保证了塔体在高度方向的自由膨胀。

3.沉淀池

沉淀池是用来使冰铜、炉渣澄清分离、并适应转炉操作储存冰铜的部位。由

炉顶、池墙、炉底构成。炉顶主要承受高温含尘烟气的冲刷和渣面的热辐射,选用荷重软化温度高、耐冲刷较好的高温烧成镁铬砖,厚度为400mm,并采用拱形和吊挂相结合的砌筑方式。为了防止拱顶在长度方向上发生位移,在炉顶布置了多根水冷H型梁,为了吸收、调节拱顶在跨度方向的膨胀,在拱脚梁处安装了弹簧压紧装置。沉淀池四面池墙均向内倾斜10℃,以防耐火砖受损严重后池墙倒塌,沉淀池最容易损坏的地方是渣线区、反应塔下面的三面池墙、排渣口侧池墙,前者是由于闪速炉炉渣的侵蚀,后二者是由于烟气的冲刷,这几部份均选用半熔融再结合镁铬砖,厚度为450mm。为了保证耐火材料的使用强度和提高耐火材料对炉渣的抗侵蚀能力,在池墙四周设置了一圈倾斜铜水套和二层水平铜水套。沉淀池炉底厚度为1825mm,上面采用反拱结构,下面用捣打料找平后采用平砌,其反拱上面二层为工作层,由于接触的是冰铜,选用高温烧成镁铬砖就可满足要求,二层厚度共为685mm,下面一层拱底工作条件较好,选用直接结合镁铬砖。反拱下面则选用强度高、容重小的高强轻质保温砖,这样可大幅度降低炉底钢梁的载荷,并减少蓄热损失,有利于节约能源。为了补充沉淀池的散热损失和生成渣时吸收的热量,维持炉渣温度,促进冰铜和渣。分离,保持炉渣的良好的流动性,在沉淀池四周布置了13个重油烧嘴,其中出渣口对侧2个,锅炉侧5个,出铜口侧6个,这样合理的布置有利于加热炉渣,使排渣顺畅。为了使冰铜排出顺畅,不至于产生死角,需经常变换放出位置,因此,冰铜排出口设置了4个,并采用铜水套和保护水套的结构,以延长冰铜排出口的使用寿命。炉渣排出口在后端墙设置了2个,以满足交替使用的需要。由于炉渣的粘性较大,设计成水套的形式时,会造成排渣困难,因此,炉渣排出口采用砖砌结构。

4.上升烟道

上升烟道是烟气排出的通道,有垂直圆筒形及断面为长方形两种形式。前者设计、施工较为简单,并且炉墙不易倒塌。后者加工制造简单,设计、施工较为困难,因炉墙为直形,容易倒塌,以需设置托板及工字钢。断面为矩形结构,由侧墙、斜顶、平顶构成。侧墙长约8400mm,最高处达7500mm,厚度为460mm,沿其高度方向上设置了多层托板,以承担耐火砖的重量。为了提高整个侧墙的稳定性,侧墙在长度方向设计成弧形。由于上升烟道出渣口侧下部侧墙、后端墙烟气冲刷严重,选用半熔融再结合镁铬砖,其它侧墙选用高温烧成镁铬砖就可满足

要求。斜顶和平顶均采用吊挂方式,厚度均为375mm,在平顶内还设置了水冷H 型梁,以提高平顶的稳定性。斜顶和平顶冲刷较轻,因此均选用高温烧成镁铬砖。上升烟道的整个重量都坐在上升烟道框架上,同样,上升烟道与沉淀池也是完全脱开的。为了防止熔融物在上升烟道出口处粘结,造成上升烟道阻塞,在其斜顶上布置了一个烧嘴,两侧墙分别布置了2个烧嘴孔,每侧共用一个烧嘴。[1][4]

三、技术参数

1.结构参数

(1)反应塔的内径和高度

在确定反应塔反应塔内径和高度时,一般是参考运转中闪速炉的生产实践,以反应塔内烟气平均速度和烟气停留时间为基准,再校核反应塔容积热强度,容积热强度计算见下式: q=Q/V

式中:q-反应塔容积热强度MJ/m3·h;Q-反应塔在单位时间内所产生的总热量MJ/h;V-反应塔有效容积m3。

根据世界现有闪速炉的操作实践,容积热强度一般在1240-175OMJ/m3·h比较合适,过大影响闪速炉的使用寿命。

反应塔内径在确定时,应考虑精矿处理量为了保证规模扩大的需要,适当考虑今后的增加量,处理量大,内径也大。操作方法包括反应塔送风温度和含氧浓度以及冰铜品位。送风温度和含氧浓度越高,所产生的烟气量越小,因此,内径越小;而冰铜品位越高,反应塔送风量越多,自然,所产生的烟气量越多,内径则越大。

(2)沉淀池的上部内宽和内长

沉淀池的上部内宽是根据反应塔的内径确定的,一般为反应塔内径加上1000-2000mm,因为反应塔内径为5000mm,所以沉淀池上部内宽定为6700mm。沉淀池的上部内长在确定时,除需考虑适应转炉操作具有一定的贮存容积外,还需考虑沉淀池由于长期生产后炉底结瘤而上升造成容积减小,炉底上升后,最小贮存容积应能满足转炉造渣I期所需要的冰铜生产能力,因此沉淀池上部内长定为23200mm。

(3)上升烟道的出口宽度和高度

上升烟道出口面积是根据出口的烟气量和出口烟气流速来确定的,烟气流速不能过大,因为当烟气流速过大时,不但会由于气流中带有熔融物造成烟道阻塞,而且由于烟尘在余热锅炉内不能扩散开来,将集中堆积在余热锅炉的某个部位,造成余热锅炉故障。因此,烟气流速定为4.85m/s,考虑到与余热锅炉接口的关系,出口宽度定为2700mm,出口高度定为4000mm。

2.控制参数

闪速炉三个基本控制参数是Fe/SiO2比、冰铜品位和冰铜温度。Fe3O4的生成量随着Fe/SiO2比值的增加而增多,而Fe3O4的产生,不但使渣含铜升高,而且容易造成沉淀池炉底上升,减小沉淀池的有效容积,严重时造成沉淀池贮存容积不足,不能满足转炉的生产需要。Fe/SiO2的设计比值为1.2,操作时通过调节石英比率控制在1.1-1.2之间。冰铜品位的高低取决于精矿的氧化程度。在选定冰铜品位时,应综合考虑精矿的处理量、原料组成、转炉的冰铜处理能力、重油的消耗量等因素。当采用高品位冰铜时,反应放热较多,可降低反应塔重油消耗量,同时烟气中的SO2的浓度增加,并可减少转炉的冰铜处理量,一般认为精矿投人量大,应采用较高的冰铜品位。但冰铜品位不能太高,因为冰铜品位越高,生成的Fe3O4越多。选用冰铜品位52%作为目标冰铜品位较为合适,操作时通过控制反应塔送风量来达到。

冰铜温度取决于冰铜层从渣层吸收的热量,热量来源于化学反应热和反应塔重油燃烧所产生的热量。冰铜的温度选用1210℃作为目标温度较为合适,冰铜温度过低,渣含铜升高,并造成排渣困难;冰铜温度过高,不但浪费能源,而且对沉淀池内衬砖造成过多的热侵蚀,冰铜温度可通过反应塔的重油消耗量来控制。[7]

四、闪速炉的发展趋势

近期闪速炉的发展趋势是:设备大型化与操作自动化;采用富氧空气进一步强化熔炼过程;采用双接触法制酸,可是排放尾气中SO2含量在300×10-6以下,硫的回收率可达95%;进一步强化脱硫,直接产出粗铜。另一趋势是利用闪速炉的原理,对闪速炉的结构及其附属系统进行改造,使之适合直接炼铅熔炼,如基夫赛特炉就是其中之一。

1.设备大型化与操作自动化

世界上最大闪速炉的反应塔内径已达7米(土耳其萨姆松厂),处理能力最大已达3480t·d-1(美国圣马纽尔冶炼厂)。日本佐贺关厂,东予厂,澳大利亚卡尔古力厂及中国贵溪冶炼厂,金川有色金属公司等均采用计算机在线控制生产,以提高质量,稳定炉况降低能耗。改进计算机控制模型,以适应富氧高生产率,高品位冰铜的新情况是研究的重点。

2.采用富氧熔炼和强化生产过程

以我国贵溪冶炼厂为例,通过采用富氧熔炼,并配用精矿喷嘴的改进,使闪速炼铜炉的生产能力有设计的90kt·a-1提高到现在的4000kt·a-1,同时还取消了热风作业。

3.改进耐火材料和加强炉体冷却

改进耐火材料和加强炉体冷却可延长炉子的寿命和提高炉子的强度。

在反应塔中下部,沉淀池渣线部位,以及放渣口,放锍口等处采用电铸铬镁砖,沉淀池上部采用高温烧成的铬镁砖,在反应塔与沉淀池与上升烟道的连接部采用铬镁砖不定性耐火材料,并在高温部位安装冷却水套,使闪速炉的的热负荷大大增加,为提高闪速炉的生产率创造了条件。

4.加强预热回收利用

闪速炉的烟凄气量大且温度高,一般与转炉烟气合并后通过余热锅炉产生饱和蒸汽来加热空气,发电及用做精矿干燥的热源。

5.采用其他燃料作为热源

博茨瓦诺皮克威冶炼厂在处理铜精矿闪速炉的反应塔和沉淀池中用粉煤代替重油。每单位发热量的成本下降90%左右。日本玉野厂和东予厂用粉煤代油,并应用富氧热风,耗油下降约70%,产能提高约340%。东予厂曾采用不同燃料方案进行闪速熔炼,最后按富氧-粉煤-重油燃烧方案组织生产,粗铜产量较单纯用油方案增加30%。[1][3]

虽然我国的铜冶炼技术近几年有很大进步,但有些方面与国外相比仍有一定差距。从目前国外铜冶炼技术的发展趋势看,我国铜冶金工业要适应未来激烈市场和环保竞争,保持可持续发展,就必须走产量扩大化、资源全球化、生产规模化、设备国产化、生产清洁化之路。我国的铜冶炼技术要追赶世界先进水平,闪

速熔炼是最佳选择。闪速熔炼技术的发展将是中国铜冶金的主要发展方向。

【参考文献】

[1] 唐谟堂,火法冶金设备[M].2003年.

[2] 邱竹贤,有色金属冶金[M].冶金学,2001年.

[3] 罗娜,闪速熔炼的未来[J].中国有色冶金,2007年8月,第4期.

[4] 王临江,闪速炉的结构与砌筑,有色冶金设计研究院,2006年.

[5] 杨吉春,董方译[M].铜冶炼技术,2006年3月.

[6] 姚素平,近几年我国铜冶炼技术的进步和展望[J].有色冶金设计与研究,2002年.

[7] 袁精华,闪速炉的设计与展望[J].中国有色冶金,2006年8月,第4期.

[8] 唐谟堂,湿法冶金设备[M].2003年