氧化锌脱氟氯工艺中多膛炉系统的设计与优化

2021.17科学技术创新氧化锌脱氟氯工艺中多膛炉系统的设计与优化
李杰
(中际山河科技有限责任公司,湖南长沙410000)
我国锌行业面临资源和环境的双重约束,生态文明建设和污染防治攻坚战对行业发展环境产生了重大影响,铅锌等有色金属作为国家重要的基础原材料,是践行绿色发展理念的关键领域。

氧化锌作为重要的再生回收锌二次资源,其中含有一定量的氟、氯化合物,氟、氯离子如果随氧化锌浸出进入溶液,氟离子会腐蚀阴极板,使锌片难于剥离,氯离子会腐蚀阳极板和冷却塔,带来生产上的一系列困难。

因此,对氧化锌进行脱氯氟处理是锌二次资源利用必不可少的重要过程。

现行的氧化锌除F 、Cl 工艺主要有多膛炉工艺和回转窑工艺两种,其中多膛炉工艺适用于原料氧化锌中含铅量≤15%,且有其它稀散金属的情况,而回转窑工艺适用于原料含铅量高,并不含其他稀散金属的情况。

1多膛炉脱氟氯工艺原理
多膛炉脱氟氯原理主要是氟化物、氯化物的挥发反应,在炉内高温条件下,低沸点的氟化物、氯化物分解成气态,随烟气进入烟气除尘装置而被除去,反应过程如下:
1.1高温挥发反应:MeX 2→MeX 2(g)1.2氧化锌原料反应:ZnO+SiO 2=ZnO ·SiO 2、PbO+SiO 2=3PbO ·2SiO 2(726℃)(低熔点共晶化合物)式中Me 表示Zn 2+、Pb 2+,X 表示Cl -、F -。

生产过程中,次氧化锌物料经气力输送至氧化锌贮仓,再送至多膛炉焙烧。

控制焙烧温度在650~750℃左右和一定的负压条件下,氧化锌中的氟、氯化合物分解,以气态形式进入烟气收尘系统,经收尘得到高氟氯烟尘并送至湿法碱洗工序进一步处理。

炉内物料和烟尘的运输路径如图1所示。

其中,氧化锌物料通过螺旋输送机,连续不断地从顶部进料口落入第一层,然后在第一层被耙臂通过出料口扫入第二层,经过每层连接在中心轴上耙臂下方的耙齿搅动,使物料均匀翻动,并经过炉体中每层的落料口进入下一层,物料的运输路径为“之”字形。

烟尘和废气不断往炉腔上部聚集,废气管道上的引风机通过除尘出口,将废气和灰尘抽走。

2多膛炉设备设计
2.1炉膛结构及耐火材料
2.1.1炉衬耐火材料采用特殊设计的粘土异型组合砖。

砖体采用专用钢模成型,机器压制,隧道窑高温烧结而成,理化指标符合YBT5106-2009标准ZN-40牌号的要求。

砌筑拱形炉床,热稳定性较好,可适应较大的温度波动,同时可满足最高1000℃的使用温度。

2.1.2炉壳内径ϕ6770mm ,炉墙耐火砖层230mm ,炉体外保温采用硅酸铝纤维毡,保温层表面敷设薄铝板;炉墙拱脚和每层炉膛均使用异形砖组合砌筑,采用锥形拱顶结构形式。

保温层厚度结合炉墙内衬保证炉壳钢结构长期工作温度低于
300℃,保温层外表面相对环境温升不超过50℃。

2.1.3炉床共10层,每层拱脚砖环均支撑在炉壳的加强圈位置,确保拱形炉床的稳固。

单数层炉床设置中心孔,双数层炉床每层均布15个落砂孔。

每层炉膛设有6个工作门,以便于工人操作及检修。

2.2中心轴
2.2.1中心轴按每层一节设计共12根,分别为底部中心轴1根,顶部中心轴1根,中心轴Ⅰ型9根,中心轴Ⅱ型1根。

2.2.2中心轴Ⅰ、Ⅱ型采用耐热铸铁RTCr2铸造加工而成。

底部中心轴及顶部中心轴安装在炉膛之外,底部中心轴采用铸钢ZG310-570,顶部中心轴采用耐热铸铁RTCr2。

中心轴Ⅰ、Ⅱ型采用双层夹套式结构,冷却风由夹套内层通入,外层排出,冷却中心轴及耙臂。

冷风经过中心轴变成200℃左右的热风排出,热风可作为燃烧室的助燃空气使用,减少了能源的消耗。

2.3传动装置
2.3.1减速机采用渐开线圆柱硬齿面减速机,渐开线圆锥齿轮啮合:滚动轴承式双支撑小齿轮,减速机输出轴不承受弯矩;分体式大齿轮。

2.3.2驱动电机采用变频调速器调速,既可调节炉子的能力,同时又可以对电机的工作电流设置过载保护,当中心轴扭矩过大,电机电流过载时,可以停止电机运转,保护中心轴及传动设备。

2.4燃烧系统
2.4.1燃烧器为可拆卸清理的形式,在必要时可将燃烧器或易堵塞部件从炉体上退出清理。

燃烧器配置自动点火和火焰监测装置,具有全程火焰监测和熄火、欠压、断电保护功能,燃烧功
摘要:本文就氧化锌脱氟氯工艺中多膛炉系统的设计,从工艺参数、炉体结构、燃烧系统、控制系统等几个方面进行了介绍,并根据以往的生产实践情况,对多膛炉系统从炉内温度、耙齿结构方面进行了优化设计。

关键词:多膛炉;优化设计;氧化锌;脱氟氯中图分类号:TF813文献标识码:A 文章编号:2096-4390(2021)17-0175-02作者简介:李杰(1984,5-),男,学历:硕士研究生,主要从事铅锌冶炼工艺、机械设计及其他管理工作。

图1多膛炉内物料和烟尘流向
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科学技术创新
率和温度手动控制。

燃烧器点火和火焰调节现场操作,设置现场操作控制箱和远程点火和控制系统,相关信号传输至主控室。

每个燃烧器配置两个安全切断阀。

2.4.2该型号燃烧器结构设计上采用多级旋流半预混式燃烧的机理,混合强烈充分,空气过剩系数在1:1.1~1:1.2之间,燃烧完全,火焰刚性好,火焰长,燃烧率达99.9%以上。

2.4.3燃烧器耐热部分全部采用高级优质耐热不锈钢
(310S/321等),耐高温和抗氧化能力极强,使用寿命长。

在燃烧器内部结构上设计了防回火装置,确保燃气可靠安全使用。

燃烧器燃气流量为10~20Nm 3/h ,使用压力为10kpa 。

2.5多膛炉控制系统
多膛炉的操作监控系统,是自成体系的装置,其人机界面安置在高压及低压控制柜上,并且配置一台置于智慧中心的远程维护终端微机。

PLC 自动控制和报警,PLC 可调、可切换成手动;设置与总厂DCS 系统通讯的接口,采用Profinet 协议通信,传送所需状态及控制;PLC 带多网口并开放内部数据,可实现在智慧中心远程操作。

PLC 采用S7-1500系列,采用PLC+触摸屏控制,操作简单,易于上手(图2)。

3多膛炉脱氟氯系统优化3.1温度控制
铅熔点较低,当温度达到脱氟、氯需求的600℃时,过多的铅就会融化结块,将耙齿和中心轴粘住,导致设备故障,影响脱除率。

在生产过程中,反应带主要发生在前六层,第六层温度最高,依次向两边递减,各层之间应形成温度梯度,根据生产实践摸索,多膛炉各层较合理温度分布如表1所示,按照表内温度范围区间设置,可实现炉内温度在线自动控制。

3.2耙臂上耙齿优化
在以前设计的耙臂燕尾槽内,圆形碗口可以转动,刮料板的方向会改变甚至反向,不利于物料的运动,使用寿命短。

此次优化成方形碗口,方向固定,齿路清晰,物料顺畅,使用寿命较长。

粑齿下端增加了真正的小耙齿,可以翻炒物料,又不增加阻力,可防止物料板结(图3)。

3.3中心轴转速优化
中心轴转速越快,脱除率效果越差,但是转速过慢又制约了设备处理能力,根据实践经验,物料停留时间必须保证2h 以上,对应的转速为0.8~1.2r/min 。

设计中,中心轴传动电机采用变频调速电机,可根据工作实际情况实时调整中心轴转速。

(图4)
4结论
多膛焙烧炉作为氧化锌脱氟氯的主流手段,无论是从经济性还是环保角度与其他工艺进行对比,多膛焙烧炉工艺都占据着明显优势。

所以,对多膛焙烧炉结构的技术优化和提升,依然具有重要意义。

本设计从温度控制、物料控制、耙臂等方面对多膛炉系统进行了自动化与稳定性优化。

但受生产环境、原料质量,杂质含量等因素的影响,在不同地区生产厂家的设备需求不尽相同,甚至可能在相同地点,不同时间点上也会出现较大差异。

可以预见,在今后的设计发展趋势是向智能化、以及高适应性方向发展,因此站在设计的角度上,依然有着较大发展空间与挑战。

参考文献
[1]陈学刚,曲洪涛,陈霞.含锗高铅氧化锌烟尘多膛炉脱氟氯设计与实践[J].中国有色冶金,2015,44(02):11-15+55.
[2]白桦,李阳.多膛炉的设计与改进[J].有色冶金节能,2010,26(01):31-33.
图2多膛炉控制系统
焙烧层 二层
四层
六层
八层
十层
控制温度（℃） 360-490 440-660 650-750 310-510 240-310
图3新旧耙齿对比
图4中心轴转速对脱F 、C l
影响表1多膛炉工作中温度分布
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