周亮亮，杨卫严，连明磊
（1.中国瑞林工程技术股份有限公司，江西 南昌 330031；
2.六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553004）
富氧侧吹熔炼工艺具有投资小、物料处理能力强、操作简单、环保效果好等特点，充分适应我国产能分散、精矿杂质高、成分复杂等状况［1-2］。目前侧吹炉工艺已非常成熟并广泛应用于高铅渣还原、铜精矿冶炼和其他一些原料的处理领域，同时还逐渐扩展到锡冶炼、锑冶炼、垃圾焚烧、固废处理及尾渣提铁等领域［3］。富氧侧吹熔炼工艺原型来源于前苏联瓦纽科夫教授的一项技术发明［4］。
华东某铜冶炼厂是一家具有近40 年历史，专业从事铜冶炼生产的企业。为了满足企业多元化的发展需求，该企业计划拆除1 台现有的反射炉，并在充分利用反射炉现有烟气处理系统的基础上新建1 台富氧侧吹炉。现有烟气处理系统的工艺流程为：反射炉出口烟气→余热锅炉→空气冷却器→布袋收尘器→排风机→烟囱。
新建的侧吹炉投产运行后，现有的烟气处理系统出现一系列的问题：（1）布袋收尘器入口温度高达250℃，导致滤袋温度超过了200℃的耐温极限；
（2）排风机达到额定转速后，侧吹炉炉膛仍处于正压状态，逸出的含SO2烟气和含PbO 烟尘造成了厂房内的环境污染；
（3）侧吹炉出口管段和余热锅炉辐射部积尘较严重，需要采用弹簧振打锤装置清除受热面的积尘［5］。根据现场实测，侧吹炉出口烟气波动达到38.5%，烟气温度高达1800 ℃，烟气含水率10.15%，含尘浓度163.62 g/Nm3。根据现场实测数据并进行单因素实验，找到了适宜新建侧吹炉和现有烟气处理系统的最佳运行条件，为同类型工艺避免出现或处置解决类似问题提供了参考和借鉴。
2.1 侧吹炉出口烟气状况
华东某铜冶炼厂新建的侧吹炉炉床面积约4.8 m2，用于回收含铜物料中的有价金属，侧吹炉出口烟气状况如表1 所示。
表1 侧吹炉出口烟气状况
2.2 现有烟气处理设备技术规格
现有烟气处理系统的主要设备有余热锅炉、空气冷却器、布袋收尘器和排风机，各设备技术规格如表2 所示。
表2 烟气处理系统主要设备规格
由表1、表2 可知，新建侧吹炉出口烟气量（10827～15000 Nm3/h，烟气波动达到38.5%）和烟气温度（1800 ℃），均超过了余热锅炉的额定入口烟气处理量（14000 Nm3/h）和烟气温度（1300 ℃）。
2.3 侧吹炉烟气处理工艺流程
为了解决侧吹炉出口最大烟气量、烟气温度均超过了余热锅炉原有的额定处理能力的问题，在侧吹炉出口、余热锅炉入口之间的烟管上增加了冷却水喷头，使烟气温度从1800 ℃骤冷降到1200 ℃，并进入余热锅炉冷却降温，然后再进入空气冷却器强制降温；
同时在空气冷却器出口烟管上设置调节阀吸入冷空气，以此确保通过空气冷却器出口的烟气温度降到150 ℃以内后，再进入到布袋收尘器中净化，最后由排风机排入烟囱。
烟气处理工艺流程简图如图1 所示。
图1 烟气处理工艺流程简图
3.1 侧吹炉出口适宜的烟气量
侧吹炉出口烟气量为10827～15000 Nm3/h。现有余热锅炉的额定处理能力为Q=14000 Nm3/h，温度T=1300℃；
现有空气冷却器冷却面积F=300 m2，温度T=350℃。分别对以下三种类型的烟气参数进行计算，烟气处理设备处理能力对比情况如表3 所示。
（1）侧吹炉出口烟气量为10827 Nm3/h，余热锅炉出口烟气温度为350 ℃；
（2）侧吹炉出口烟气量为12000 Nm3/h，余热锅炉出口烟气温度为350 ℃；
（3）侧吹炉出口烟气量为13000 Nm3/h，余热锅炉出口烟气温度为350 ℃。
由表3 得到的结论：
表3 烟气处理设备处理能力对比
（1）侧吹炉出口适宜的烟气量范围为10827～12000 Nm3/h，当烟气量继续增加时，现有烟气处理设备的处理能力不足；
（2）因现有余热锅炉出口设计温度为350 ℃，在该温度下需要掺入的冷空气量相对最少，整个烟气处理系统的总烟气量明显是最少的，后续烟气处理设备的负荷也最小。
3.2 余热锅炉出口适宜的烟气温度
确定了侧吹炉出口适宜的烟气量范围（10827～12000 Nm3/h）后，再分别对以下三种类型的烟气温度进行计算，烟气处理设备处理能力对比情况如表4 所示。
表4 烟气处理设备能力对比
（1）侧吹炉出口烟气量为10827 Nm3/h，余热锅炉出口烟气温度为400 ℃；
（2）侧吹炉出口烟气量为10827 Nm3/h，余热锅炉出口烟气温度为450 ℃；
（3）侧吹炉出口烟气量为12000 Nm3/h，余热锅炉出口烟气温度为400 ℃。
由表4 得出结论：余热锅炉出口适宜的烟气温度范围为350～400 ℃，当温度继续增加时，现有烟气处理设备的处理能力不足。
3.3 适宜的喷水量及冷空气掺入量
（1）适宜的喷水量。
喷雾冷却是将水雾化喷入热态烟气中，利用烟气的热量蒸发水分而降低烟气温度的方法。常用的装置有喷雾烟道、喷雾塔、喷雾冷却器等，其中喷雾烟道常用于高温出炉烟气［6］。
侧吹炉出口适宜的烟气量范围为10827～12000 Nm3/h，烟气温度为1800 ℃；
余热锅炉出口适宜的烟气温度范围为350～400 ℃。由于现有余热锅炉技术规格为Q=14000 Nm3/h，T=1300 ℃，将导致余热锅炉冷却元件和后续的烟气处理设备因烟气温度过高而损坏，因此需要在侧吹炉出口、余热锅炉入口之间的烟管上增加冷却水喷头，使烟气温度从1800 ℃骤冷降到1200 ℃，耗用冷却水及压缩空气情况如表5 所示。
表5 耗用冷却水及压缩空气情况
（2）适宜的冷空气掺入量。
吸风冷却主要用于布袋收尘器入口前的烟气冷却，就是在烟道系统中装设一个带有调节阀的支管，支管一端与大气相通，吸收自然风来辅助冷却烟气。调节阀的控制可利用温度控制器进行自动操作或人工操作，从而控制吸入烟道系统的空气量，以降低烟气温度。吸风冷却仅适用于降温幅度小，且烟气量不太大的情况，对于因增加含氧量易引起燃烧爆炸的气体不能使用［6］。
当侧吹炉出口烟气量为10827 Nm3/h，余热锅炉出口烟气温度为350 ℃时，计算得到的空气冷却器冷却面积F=488 m2，而现有的空气冷却器冷却面积F=300 m2，处理能力不够，换热效果差［7］，需要在冷却器出口设置调节阀辅助掺入冷空气使烟气降温，确保布袋收尘器入口烟气温度控制在150℃以内，掺入的冷空气量及调节阀数量如表6 所示。
表6 掺入的冷空气量
（3）布袋收尘器入口烟气露点。
布袋收尘器主要通过棉织物、毛毡物等滤料对烟气中的粉尘进行过滤，促使烟气得到有效净化。
在烟气的净化流程中分为两个环节：
①通过干净的滤料对烟气进行处理，使烟气中的粉尘滞留在滤料纤维中；
②随着滤料表面截留的粉尘不断增多，形成的粉尘层对烟气中的粉尘进行有效过滤［8］。
布袋收尘器入口布置的空气冷却器，在压力和温度降低的工况下有利于除尘。
随着温度的降低必须考虑腐蚀对设备的影响。布置在高含尘段的空气冷却器会存在积尘的问题［9］。
在一定压力下，含有可凝组分的气体混合物在被冷却到一定温度时达到气液相平衡的临界状态，可凝组分在气相中达到饱和而凝结成液体，即达到烟气露点，此时的温度即为露点温度［10-11］。烟气的露点可通过查询空气的饱和含水气量表得到。布袋收尘器入口烟气露点情况如表7 所示。
表7 布袋收尘器入口烟气状况
布袋收尘器入口的烟气露点为55.7～60.2 ℃，远小于布袋收尘器的操作温度150 ℃，布袋收尘器入口烟气不会结露。
（4）排入烟囱的烟气状况。排入烟囱的烟气状况如表8 所示。
表8 排入烟囱的烟气状况
（1）本次技术改造得到的结论：侧吹炉出口的适宜烟气量范围为10827～12000 Nm3/h，余热锅炉出口的适宜烟气温度范围为350～400 ℃。在侧吹炉出口、余热锅炉入口之间的烟管上的适宜喷水量为3078～3411 kg/h，压力为0.35 MPa，压缩空气用量为6.04～6.70 Nm3/min，压力为0.4～0.5 MPa，喷枪数量为4 支。在空气冷却器出口烟管上设置带有调节阀的支管用以吸入冷空气来冷却烟气，冷空气掺入量10860～21560 Nm3/h，带有调节阀的支管规格为DN700，调节阀数量为1 套。
（2）本次技术改造采取的主要技术措施：在侧吹炉出口、余热锅炉入口之间的烟管上增加冷却水喷头，使烟气温度从1800 ℃骤冷降到1200 ℃。在空气冷却器出口烟管上设置调节阀吸入冷空气，以确保空气冷却器出口温度降到150 ℃以内，满足布袋收尘器入口温度的要求。
（3）侧吹炉出口、余热锅炉入口之间的烟管长度约8 m，烟气停留时间仅为0.4 s，难以保证将烟气温度从1800 ℃骤冷降到1200 ℃。
（4）现有余热锅炉入口烟气量为14657～16245 Nm3/h，烟气温度为1200 ℃，超过了余热锅炉设计处理能力Q=14000 Nm3/h，T=1300 ℃，而且该设备已使用了多年，难以保证将出口温度降到350～400 ℃范围内。
（5）排风机计算规格的压头为4800 Pa，与现有烟气处理设备规格（Q=96000 m3/h，H=4800 Pa，N=200 kW）一致，建议清理现有设备和烟气管道内部的积尘，以减少烟气处理系统的阻力。
（6）侧吹炉出口的适宜烟气量范围为10827～12000 Nm3/h，余热锅炉出口的适宜烟气温度范围为350～400 ℃，如果余热锅炉出口温度过高，建议适当增加烟管上的喷水量。
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