摘要：本文主要介绍沸腾炉烟气中水分的变化给布袋收尘造成的影响，以及解决的办法。
关键词：沸腾层；酸水；冷凝；直线速度；烟气阻力；堆积密度
1 前言
冶炼分公司两座沸腾炉自投产以来，因生产组织需要先后进行多项复杂工艺调整，物料适应能力不断增强，炉床能力得到明显提高，但同时设备腐蚀和能力不足等问题也开始凸显。其中最为明显的是2014年起2#沸腾炉布袋积水的问题的出现，造成产品产量受限、员工更换布袋工作量大幅度增加，严重影响了车间生产组织管理，同时也因此导致系统阻力大，给环保工作带来巨大压力。两年多来，通过分公司和车间不懈的努力，并在2016年9月开始获得实质性效果，目前正处于巩固阶段。本文主要对相关研究攻关工作进行分析论证。
2 冶炼分公司沸腾炉焙烧工艺发展概况
2.1 基本情况
自1998年沸腾炉投产以来，因工艺、设备存在一系列问题，产量和质量未能达到设计值要求，固在2000年先后对系统进行技术改造；后期为适应生产组织需要，先后进行了几项重大的工艺调整；2009年以来，为适应顶吹炉不断增加的产能需要，沸腾炉开始使用富氧进行焙烧，两座沸腾炉处理能力比设计值提升35.3%，沸腾炉设备超负荷运作，设备老化问题进一步加重；2012年制酸系统投入运行，分公司冶金炉窑烟气统一汇集脱硫处理，沸腾炉系统因引风机能力不足而受到的制约较大。基于以上调整带来的问题，分公司先后投入大量的人力物力对尾气治理、物料输送、冷却窑、提升机、水冷系统等大型的设备设施进行改造，极大地改善了沸腾炉作业条件，安全环保风险得到有效控制。
2.2 存在的问题
因为频繁的工艺调整带来设备设施的损坏，加上物料结构的变化带来的控制条件较初步设计（或多年积累的经验值）有很大差异，工序虽然对实际情况进行了调整和完善，在产品质量和数量上都达到要求或更优化，但参数调整后无法满足设计的要求带来的问题较为明显，其中最为突出的问题是2#沸腾炉布袋积水问题，布袋积水问题不但影响产品产量，同时还会带来的环保问题。2014年起布袋积水问题逐步加重，为确保工作的正常进行，不得不进行布袋的更换，工序工作量也成倍增加，布袋更换频次由原来半年一次，逐步发展到一个季度、一个月一次，后期严重到一个星期甚至3天就要进行一次布袋更换。
3 前期治理布袋积水问题的总结
为尽快解决该问题，车间先后进行多项攻关工作，如表1。
根据数据及运行情况来看，工作开展道方案四的时候布袋积水问题基本得到遏制，实践效果基本达到预期。而从现场实际来看进入布袋烟尘量极少，一方面可能会增加高温电收尘的负荷，另一方面大量返尘进入炉子增加了产品质量、产量控制的难度，尘量增加的同时现场也难以达到环保工作的要求。从以上几个方案的数据分析和现场实际操作经验来看，根本原因可能是综合性的，相关数据和操作需要进一步进行论证。
表1 2014年-2016年所做的研究实践方案
4 设备及工艺问题的分析论证
4.1 2#炉炉底分布板存在缺陷
由于条件的限制，一直以来，两座沸腾炉在物料的配比上始终保持一致，但作业结果不同，且1#布袋并没有出现积水的情况，主要操作参数如表2，为直观表述，沸腾炉各个部分结构参照示意图1。
表2 2014年-2016年两座沸腾炉实际操作参数对比
4.2 数据分析
（1）在同等的煤耗下，2#炉的处理量仅为1#炉的70%左右，有明显差距，且中部温度相对1#炉高。
（2）入炉风量2#炉高于1#炉，但是压力却低于1#炉，为进一步比较，我们将两座炉子的供风机进行调换，期间，仍然存在同样的数据变化结果。
（3）从之前方案四所进行的生产实践看，提高处理量的同时各种耗量也在不断增加。
（4）为进一步验证引风机能力不足的问题，2016年检修期间也为2#炉引风机进行了改进，改进后的抽风能力是一致的，但是布袋积水问题仍然没有解决。
分析结果：数据是以作业指导书为基准，根据物料结构和产品质量的要求，进行逐步校正，这些经验值应当符合每个炉子的实际。因此可以初步判断2#炉炉底分布板可能存在缺陷，导致风在炉内形成不均衡的分布。如下图2，可能存在的各点风量不均衡的分布。
图1 沸腾炉示意 图2 炉底可能存在的阻力点示意
为进一步证明其缺陷带来的能力不足，工序在2016年7月，对两座炉子的处理量进行调整（调整的重点是2#炉处理量较1#炉高）。如表3。
表3 2016年两座沸腾炉处理量对比
调整结果：2#沸腾炉处理能力提升后，直接导致炉结产生，严重时导致死炉，停炉频次增加，说明2#炉炉底分布板确实存在缺陷，导致风量及其压力不足。
4.3 烟气水分来源的确认
为进一步验证前期方案参数中关于烟气中存在水分与炉内气氛的关系，结合操作参数变化分析结果，对比烟气测量结果进行分析，寻找水分形成点，如表3。
表4 两座沸腾炉实际烟气数据对比
4.4 数据分析
（1）2#炉布袋进口的温度大于1#炉，且高于冷凝点，一方面说明系统设备设施密闭性不存在大的问题或者说大体上完好，另一方面说明在该条件下，布袋仓内不可能产生水分，但是实际布袋积水严重，说明水分的形成在前段甚至炉内已经开始形成。
（2）2#炉布袋的烟气湿度大于1#炉，但速度较低，烟气量及尘量较低，可为酸水（水）在烟气管道中形成提供充足条件。
（3）烟气中SO2是以气体的方式透过布袋进入后续系统，但是因为前端酸水已经形成，因此即使加大风机的能力，布袋积水问题也无法解决。
通过以上数据的推测，可以初步认为布袋积水问题是整个流程问题的综合表现，一是2#炉炉底存设备布置存在缺陷直接产生酸雾；二是高温收尘器参数控制与工艺不相匹配；三是后续抽风能力不足为气体冷凝提供条件，因此要对水的形成进行分析。
5 沸腾炉工艺实际与酸水成因的研究
沸腾炉锡精矿焙烧的原理：在一定的温度下，利用锡精矿中各种元素化合物受热离解的性质，通过控制一定的氧化还原气氛将硫砷锑等元素挥发除去，得到杂质较少的适合粗锡冶炼需要的锡精矿，主要反应式如下。烟气中SO2的通过抽风迅速排除。
1/2S2+O2=SO2 （1）
2FeS（s）+ 3×1/2O2 = Fe2O3（s）+ 2SO2 （2）
2CuS + O2 = Cu2S + SO2 （3）
As4（g）+3O2 = As2O3（g） （4）
2FeS2（s）+ 5×1/2O2 = Fe2O3（s）+ 4SO2 （5）
FeAsS（s）+5O2= As2O3（g）+ Fe2O3（s）+ 2SO2 （6）
2FeAs2（s）+4×1/2O2=Fe2O3（s）+ 2As2O3（g） （7）
2Sb2S3（s）+9O2 =2Sb2O3（g）+6SO2 （8）
As2O3（g）+ O2= As2O5（s） （9）
Sb2S3（g）+1/2O2 =2SbO2（s） （10）
SO2+1/2O2 =SO3 （11）
从以上反应式看，主要硫化物在作业条件下大部分被氧化，离解出的硫最终以二氧化硫气体的形式挥发排除，因为物料结构复杂和操作方式的不同也会不同程度出现如反应式（11）的反应生成SO3。
二氧化硫微溶于水，形成亚硫酸：
SO2+H2O=H2SO3
亚硫酸不稳定，容易被分解或被氧化生成硫酸。
H2SO3+O2= H2SO4
SO3在作业温度下容易与物料中的水分发生反应，因为反应条件比较容易实现，因此也会生成亚硫酸：
SO3+H2O= H2SO3
5.1 沸腾炉工艺实际为酸水的形成提供条件
焙烧过程中沸腾层参数变化决定硫化物形态，按照工艺设计和生产实践经验得出，酸水形成与物料在沸腾层中的停留时间、空气直线速度、作业温度、处理量等因素有关。在高温下作业条件下，部分酸水将以酸雾的形态出现，进人烟管后会冷凝成酸水，其冷凝的速度和量由其在焙烧过程中产生的量、在烟气中的浓度决定以及烟气温度有关。
5.1.1焙烧空气直线速度的变化与分析
在富氧焙烧过程中，因为反应速度较空气焙烧剧烈，因此金属铅因为软化点底容易造成物料烧结，根据这一情况，沸腾炉也大幅度降低了沸腾层的温度，作为沸腾炉重要操作参数的直线速度也不同程度受到影响。具体情况如表4：
沸腾炉焙烧空气直线速度由风量、床面积、作业温度有关，该参数的控制直接影响流态化层的稳定。其计算公式如下：
w—直线速度
—鼓风量
—炉床面积
—沸腾层操作温度
表5 沸腾炉技术性能和结构参数
根据生产实际数据，如表4，计算直线速度，W=0.26～0.31 m/s。很显然，实际作业中空气直线速度仅为设计值的±50%，降低幅度非常大。直线速度的降低必然会降低沸腾层的高度，缩小沸腾层空间（体积），从而增加物料的堆积密度。
5.1.2 直线速度变化改变物料堆积密度
通过直线速度数据变化情况计算进一步推算物料堆积密度的变化，关系如下公式：
公式中： H—沸腾层高度m
t—物料在流态化层内停留时间h
W—精矿加入量t/h
A—产出率%
S—流态化路床面积㎡
r—流态化下物料堆积密度t/m³
经过计算设计物料在沸腾层的堆积密度为1.35t/m³，而在实际中物料供给系统计量精度不足和物料结团的情况问题严重，为达到温度控制的均衡性和减少物料结构对作业的影响，经常要对操作进行调整，物料堆积密度波动较大，最高可达到2.71 t/m³，较设计值有很大的变化。
从以上计算结果看，由于空气直线速度的降低，减少了流态化空间的体积，造成了沸腾层物料堆积密度的增加，空气在沸腾层内滞留时间较长，从而为焙烧过程中酸水的形成提供足够的时间和接触条件。
5.2 沟流的形成进一步促进酸气形成
因为直线速度和物料堆积密度的改变后，气流因为不均衡容易穿透沸腾层，形成沟流（如图3），破坏炉床的稳定，同时沸腾层部分气流速度较低的位置因阻力较大而造成SO2不能及时排出。
图3 沸腾层的沟流现象
5.3 分析验证
（1）从表5看出在同等物料条件下，2#炉上部温度比1#炉高，是因为沟流现象发生时，大部分气体没有与固体颗粒很好接触就通过了床层，过程中不但造成质量较轻的烟煤被腾空吹起，而且会发生燃烧反应。
（2）从表1的方案四中可以得到验证，烟气中粉尘量很少，因为直线速度过高，烟尘率增加，返料多，焙烧产出率低。
（3）两座沸腾炉采用同样的设计能力，而1#沸腾炉与2#沸腾炉在处理量上存在较大差别。因炉底分布板缺陷造成风阻增加和以上计算结果，沸腾层降低，部分颗粒没有流化或流化不好，造成床层温度不均匀，焙烧质量因为无法满足要求。这也是为什么1998年投产后的两年要进行大幅度改造的原因。
6改进措施
（1）对物料水分进行贫化。沸腾炉精矿杂质硫含量较高，摆放过程中发热结块，配料仓底部物料难以清理，排水沟道堵塞严重，2016年初，车间设计一套滤水装置，随时对积水进行抽排，极大降低水分含量。
（2）提高空气直线速度。对风帽的制造、加工进行合理安装布置和严密监控，以免通过风帽的流体阻力相差过大而造成空气直线速度不均衡。
（3）进一步研究炉底分布板的设计和实际的差异，根据不断的经验积累，通过风量风压等参数调整的方式适应其缺陷。
（4）根据实际作业条件情况，优化高温电收尘参数，适当提高烟尘产出量。
（5）根据两座炉子抽风能力的差异，进行适当平衡调整，降低烟气输送阻力和减少酸水后移。
7 结论
关于2#沸腾炉布袋积水问题现在已经基本得到解决，总体来说影响的因素较为复杂，还需要进行长期的探索和研究。
参考文献：
【1】黄位森主编.《锡》.北京.冶金工业出版社.
【2】唐绍铧主编.《有色冶炼》.北京.中国有色工程设计研究总院期刊杂志部.
【3】徐祖耀 李麟主编.《材料热力学》.上海.科学出版社.
论文作者:樊家剑
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/26
标签：布袋论文; 物料论文; 烟气论文; 积水论文; 直线论文; 速度论文; 作业论文; 《基层建设》2019年第3期论文;