流態化焙燒爐設計技術和生產實踐回顧與展望

岳鳳洲

（陜西鋅業有限公司，陜西商洛726007）

流態化技術是強化流體與固體顆粒間相互接觸的工程技術。世界上第一座流態化工業裝置——德國Winkler粉煤氣化爐于1926年正常運轉。至20世紀40年代初期，流態化技術獲得廣泛應用，1956年南京永利寧廠首先把流態化焙燒爐成功應用于國內硫酸生產[1]。中國硫酸產量從1949年的40 kt分別提高到1959年和1989年的1 061 kt和11 526 kt[2]，年均增長率分別為38.79%和8.28%，在1990—2020年的30年間，中國硫酸產量又從11 506 kt提高到98 586 kt，年均增長7.42%；鋅錠產量從550.8 kt提高到6 425 kt，年均增長8.53%。目前，中國硫酸和鋅錠的生產和消費數量都位列全球首位[3]。流態化焙燒爐號稱硫酸和鋅錠生產的“龍頭”設備，流態化焙燒爐設計和生產技術的發展和進步，直接推動了硫鐵礦和鋅精礦制硫酸行業的跨越式發展。筆者在回顧近30年來硫鐵礦和鋅精礦流態化焙燒爐設計技術和生產實踐進步的基礎上，展望流態化焙燒爐技術的發展趨勢。

1 流態化焙燒爐設計技術和生產實踐回顧

1.1 流態化焙燒爐設計技術

在鋅冶煉行業，國內第一臺109 m2流態化焙燒爐于1992年在西北冶煉廠建成投產。經過系統改進后，1994年原株洲冶煉廠投產了國內第二臺109 m2流態化焙燒爐，之后流態化焙燒爐得到廣泛應用。中國恩菲工程技術有限公司（以下簡稱恩菲公司）在消化吸收國內外流態化焙燒爐技術的基礎上，經過全面優化和集成創新，在2016年年底為西北冶煉廠開發設計建成了全球第一臺152 m2流態化焙燒爐[4]。恩菲公司近期正在開發186 m2流態化焙燒爐，以期單系列焙燒系統生產能力達到200 kt/a[5]。

在硫鐵礦制硫酸行業，近30年成功開發了3種先進流態化焙燒爐設計技術，分別為：①由四川省化工設計院研發設計的70 m2流態化焙燒爐，用硫酸法鈦白粉生產過程中排出的硫酸亞鐵摻燒硫鐵礦和硫黃生產硫酸，設計配套硫酸產能400 kt/a，于2003年成功應用于龍蟒集團下屬企業的多套硫酸裝置[6]；②由中國瑞林工程技術有限公司（以下簡稱中國瑞林）為銅陵銅冠冶化分公司開發的2臺138 m2流態化焙燒爐，利用冬瓜山選銅尾礦磁黃鐵精砂焙燒生產硫酸，設計了2套400 kt/a硫鐵礦制酸裝置，分別于2007年8月和2009年8月試產成功[7]；③由中國瑞林為紫金礦業集團股份有限公司利用青海德爾尼銅礦資源，在紫金礦業集團青海有限公司設計建設了150 m2流態化焙燒爐，配套設計硫酸產能400 kt/a，于2008年設計建成投產[8]。

目前，硫酸生產常用的2種基本爐型是硫鐵礦流態化焙燒爐（以下簡稱硫鐵礦焙燒爐）和鋅精礦流態化焙燒爐（以下簡稱鋅焙燒爐）。硫酸生產用流態化焙燒爐由風箱、底梁、風帽、下直段、擴大段、上直段和爐頂7個部分組成，結構尺寸示意見圖1，主要結構參數見表1，風帽主要技術參數見表2，主要運行參數見表3。

表3 常用硫鐵礦焙燒爐和鋅焙燒爐主要運行參數

圖1 流化態焙燒爐結構尺寸示意

表1 常用硫鐵礦焙燒爐和鋅焙燒爐主要結構參數

表2 常用硫鐵礦焙燒爐和鋅焙燒爐風帽主要技術參數

1.2 流態化焙燒爐生產實踐

目前，國內硫酸生產常用焙燒爐及其制酸裝置實際運行指標差異較大。國內先進生產數據比較情況見表4～5。主要生產技術指標較好的企業一般表現在2個方面：

表4 鋅焙燒爐2021年度實際較好生產技術指標比較

1）焙燒強度較高。例如，H廠采用富氧焙燒技術后，109 m2流態化焙燒爐的焙燒強度可以提高到8.03 t/(m2·d)[9]。

2）開車率較高。據筆者實際調研，S廠用鋅精礦w(Zn)46%、w(S)28%時，2021年度開車率達到96.59%，鋅焙砂產量（以鋅計）比設計能力提高3.61%，硫酸產量比設計能力低1.72%；Y廠用鋅精礦w(Zn)50%、w(S)30%時，2021年度開車率達到98.78%，硫酸產量高出設計能力24%，鋅焙砂產量（以鋅計）比設計能力提高43.63%；Z廠用鋅精礦w(Zn)46%、w(S)27%時，2021年度開車率達到98.50%，鋅焙砂產量（以鋅計）比設計能力提高8.47%，硫酸產量比設計能力低8.03%。

表5 硫鐵礦焙燒爐2021年度實際較好生產技術指標比較

1.3 先進大型流態化焙燒爐設計成果

回顧先進大型流態化焙燒爐近30年的設計技術和生產實踐成果，筆者認為，先進大型流態化焙燒爐的設計技術進步主要體現在以下三方面。

1.3.1 床能力逐步提高

流態化床和焙燒爐內的反應基于連續流動的活塞流反應原理，物料以“隊列”的方式流經反應器，在流動方向上無擴散，任何兩個流體微團幾乎沒有速度差[10]。焙燒爐床能力的確定本質上是流態化床線速度的確定[11]。設計原理和生產實踐均表明，床能力與流態化床線速度、原料粒度均呈正相關變化規律。以鋅焙燒爐為例，先進大型焙燒爐的床能力已經從傳統的5.5～6.0 t/(m2·d)提高到7.0～7.5 t/(m2·d)，采用弱富氧焙燒工藝的焙燒爐床能力已經突破8 t/(m2·d)，實際達到8.03 t/(m2·d)[9]，為設計和建設更大面積的焙燒爐提供了成功經驗。

1.3.2 多目標整體設計不斷優化

多目標整體設計優化主要體現在以下幾方面：

1）爐底梁結構設計安裝形式簡化且更加安全。焙燒爐底梁需要承擔風帽分布板、爐底隔熱耐火材料、風帽和固定床爐料的重量，是很重要的受力構件，需要同時滿足強度和撓度的要求，還要考慮溫度折減系數。目前大型焙燒爐底梁設計一般選用700 mm×300 mm的H型平行條梁結構，制作安裝施工比較簡便，生產實踐證明該底梁設計安全可靠。

2）永久型單孔風帽設計制造國產化技術成熟先進。據筆者實際調研，目前國內新建28～152 m2鋅焙燒爐，普遍成功使用了孔徑6 mm的單孔直吹式風帽，材質選用國內獨特配方的稀土材料精密鑄造，開孔率0.28%～0.31%，孔速50～60 m/s，風帽安裝密度為100～110個/m2，流態化更趨均勻穩定，焙砂質量好，脫硫率高，原料應變能力相對提高，安全生產運行周期延長，生產效率顯著提高。在(900±50)℃爐溫下，風帽使用壽命一般可以達到10年以上[12]。同時，該單孔直吹式風帽可以避免外側風帽高速直吹下直段爐墻，延長了爐體的安全生產周期。

3）主要高度尺寸更加合理。焙燒爐下直段高度降低、擴大段和上直段高度均逐步提高是主要變化趨勢，爐內反應空間擴大后有利于提高焙燒爐生產能力和焙砂質量。

4）擴大角提高。大型鋅焙燒爐的擴大角由7°～15°提高到20°，有利于擴大爐膛容積，煙氣在爐膛內的反應和停留時間可以穩定在24～28 s，脫硫、氧化、酸化反應更加充分均勻、高效。

5）煙氣出口方式更加安全合理。新建大型硫鐵礦焙燒爐借鑒鋅焙燒爐的設計和生產成功經驗，煙氣出口設計在擴大段爐身側面，筑爐施工更加方便快捷，生產操作和檢修清理結塊更加安全高效。

6）爐頂設計采用球形拱頂和整體澆筑施工技術。與錐形拱頂相比，球形拱頂受力更加合理，徹底消除了外側拱頂磚斷裂的隱患，加之球拱采用特制鋼纖維粉體材料整體澆筑施工技術，一次成形，強度高，密封性能好，有利于提高焙燒爐的使用壽命。

7）焙燒爐和余熱鍋爐連接處采用迷宮式和含鋯纖維氈特制材料。大型焙燒爐煙氣出口跟余熱鍋爐煙氣進口的連接處，設計和施工成功采用了簡潔、方便的迷宮式結構形式，并在砌筑過程中科學使用了含鋯纖維氈特制材料，施工和維護都很方便，只要嚴格按要求施工，都能較好地解決兩爐連接處的密封難題。

8）取消了下直段的操作門。新建大型焙燒爐下直段均未設計升溫和探爐專用的操作人孔門，點火升溫采用密封的高效燃燒器，煤粉加料采用進料皮帶和拋料機，探爐和扎爐臨時操作在拋料機進料孔和排料溢流孔均可完成。下直段的操作門取消后，減少了爐內漏風率，爐內更容易實現微負壓清潔生產，改善了操作環境。

9）爐底排渣采用底部側墻斜管結構設計。焙燒爐在長期生產運行期間，靠近風帽層處會有大顆粒積渣形成，必須每班及時檢查排渣2～4次，這種精細操作有利于降低沸騰層阻力，消除生產隱患。排渣管一般設計在溢流口附近，斜管上設計一個插板，人工間斷排料操作比較方便、安全。

10）焙燒爐風帽分布板采用積木式拼塊精準設計。由于大型鋅焙燒爐風帽設計安裝密度比傳統蘑菇頭形式的風帽高1～1.2倍，風帽分布板上每個風帽的開孔必須全部避讓底梁H型鋼，所以必須采用積木式拼塊精準設計，施工選用成本較低、焊接性能好的奧402焊條，采用“剛性夾持法”和機械矯正法可以減少焊接變形量[13]。

1.3.3 全面協同集成創新，改進相關配套設計

協同集成創新和相關配套設計改進主要體現在以下6個方面：

1）成功使用了特制鋼纖維粉體材料和整體澆筑等專利技術。焙燒爐下直段及其開孔、爐頂和風帽耐火層、上直段煙氣出口等關鍵部位，設計和施工均采用了洛陽洛華窯業有限公司的特制鋼纖維粉體材料和整體澆筑專利技術。該材料和專利技術自2007年在大型鋅焙燒爐維修和新建施工中推廣使用以來，經過10余年的持續改進和技術積累，目前已成為成熟、可靠、國際領先的成套專利技術，為世界大型爐窯技術進步和超越創新奠定了堅實

基礎。

2）多點高速均勻給料設備技術的配套使用。大型焙燒爐設計采用拋料機給料，具有多點、高速、均勻、靈活的優勢，相對較好地解決了傳統的溜料管設計導致的爐墻附近容易積料的隱患和一系列生產操作難題。

3）高效燃燒器的配套使用。焙燒爐點火烤爐和升溫安裝使用了北京凱明陽熱能技術有限公司設計生產的燃油燃燒器或天然氣燃燒器，在大型焙燒爐上成功應用十余年以來，開啟和操作簡便，霧化效果好，燃燒充分，不需要備品備件和特殊維護維修，只需要在停爐檢修期間清理掉燒嘴處的積塵，即可重復正常使用，一般可以使用十年以上，堪稱國產化“物美價廉”的節能設備技術。

4）余熱資源利用率較高。大型鋅焙燒爐配套設計使用了流態化冷卻器和強制循環余熱鍋爐，余熱鍋爐清灰采用高效專利設備，妥善解決了受熱面粘結礦塵的難題。焙燒爐溢流口排出的焙砂經過流態化冷卻器后，焙砂溫度可以從900 ℃降低到600 ℃以下，再進入高效冷卻圓筒冷卻至100 ℃左右。流態化冷卻器在冷卻焙砂過程中，回收的焙砂余熱用來加熱余熱鍋爐給水。按109 m2焙燒爐配套余熱鍋爐設計蒸發量28～36 t/h計算，相當于每噸硫酸可回收3.8 MPa、252 ℃的飽和蒸汽1.27～1.39 t。

5）礦產資源回收率較高。由于大型鋅焙燒爐爐體開孔較少，密封條件好，改進后的電收塵器出口煙氣中的塵質量濃度可以達到100 mg/m3以內[14]，焙燒工序金屬鋅的回收率達99.9%以上[15]。

6）勞動生產率高。由于采用成熟先進的自動化、集成化、智能化先進控制系統，操作人員精簡，152 m2鋅焙燒爐比109 m2鋅焙燒爐系統減員30%以上，新建單系列300 kt/a電鋅全套裝置實際用工不到1 000人，系統開車率最高已達到99.65%。

2 展望

大型流態化焙燒爐屬于現代冶金爐窯的代表，其發展方向是多目標整體優化。多目標整體優化技術的基礎和核心是研制爐窯的全息仿真數學模型與全息仿真軟件，在此基礎上可建立優化CAD設計、操作優化決策支持系統（離線指導）或在線優化控制系統[16]。國內現有138 m2、150 m2硫鐵礦焙燒爐和109 m2、152 m2鋅焙燒爐設計過程中，在多目標整體優化基礎研究領域已取得了大量數據和成功經驗，建議設計單位以數據共享和全面深度合作交流為途徑，聯合更多的優勢資源，加快186 m2和200 m2流態化焙燒爐優化研究和設計建設的步伐，繼續全面集成創新，為現有大型流態化焙燒爐更新換代提供科學、可靠、經濟、高效的基礎數據，供設計研究參考。