400吨每炉天然气铜精炼回转炉系统设计课程设计说明书(编辑修改稿)

400吨每炉天然气铜精炼回转炉系统设计课程设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

极铜的专用设备。 回转式精炼炉主要用于液态粗铜的精炼。 精炼作业一般有加料、氧化、还原、浇铸四个阶段，产品是为铜电解精炼提供合适的阳极板，因此，回转式精炼炉一般又称回转式阳极炉 ]3[。 回转式精炼炉的主要优点是结构简单、炉容量大，机械化自动化程度高、可控性强、密封性好以及能耗比较低；其缺点是投资高、冷料低（一般不超过 15%）、 浇铸初期铜液落差大、精炼渣含铜比较高。 与反射炉相比较 , 回转式铜精炼炉具有密封性好、生产能力大、所占空间小、结构紧凑、熔炼速 度快、生产效率高、燃烧消耗低、环保条件好、机械自动化程度高等优点。 烟气余热发电技术 烟气余热发电技术就是 利用生产过程中 烟气中 的热能转换为 电能 的技术。 烟气 余热发电不仅节能，还有利于环境保护。 烟气 余热发电的重要设备是 烟气 余热锅炉。 它利用废气中的热或可燃质作热源，生产蒸汽用于发电。 烟气余热发电的一般流程如图： 高温烟气从冷却槽上层分离出来 首先进入集尘器除尘，除尘后导入过热器。 5 过热器吸收大量的烟气热量用来推动与之相连的汽轮机工作产生蒸汽推动发电机发电。 过热器中降低温度但温度依旧较高的烟气被送入汽包供蒸发器使用，烟气热量可以通过蒸发器传热层传到蒸发器表面蒸发新燃料中的水分。 通过蒸发器的低温烟气重新打回汽包送入省煤器，省煤器中的低温烟气被风机从冷却槽下层送来的高温燃气重新加热成高温烟气送到汽轮机供发电机发电。 阳极炉稀氧燃烧技术 氧气取代助燃风燃烧，其主要目的是减少大量含氮烟气排放，从而减少大量热损失。 传统氧燃系统存在热点集中，易损害 炉衬，炉寿命短等问题。 稀氧燃烧技术是利用炉内烟气循环而降低火焰峰值温度并进而降低 NOx 排放。 它通过高动量氧气燃料射流带来强劲的炉气卷吸来促进更均匀的温度分布和热量传递。 氧 气的高速射流，卷吸带动炉气以实现炉气在炉子内部循环，氧气和燃料由不同喷嘴射入炉内，高速氧气燃料射流使氧气和燃料在反应前和炉内气体发生卷吸作用而被稀释，形成漫射的、火焰温度一致的一种非常均匀的加热体系，然后再彼此混合燃烧。 燃烧稳定且火焰均匀而弥散，具有低的火焰峰值温度和均匀的传热，减少热点的产生。 这种 “JL”型烧嘴是双燃料烧嘴，既可以燃烧天然 气，也能燃烧重油，只需要更换烧嘴组件即可，对加热工艺和炉体耐火材料无不良影响。 粗铜无氧化掺氮还原火法 运用热力学和动力学原理，充分利用粗铜自身 O 和 S 反应，达到脱硫除氧的目的，避免了因传统氧化产生大量 Cu2O，减轻了还原负担，简化了工艺流程，提高了生产效率，实现了世界铜火法精炼工艺的重大突破。 充分运用高温熔体多相反应热力学动力学原理和气泡形成长大析出技术，直接通入混合气（ N2+LPG）使熔体形成沸腾状态，促进 [S]、 [O]以及 LPG 之间更有效反应，同时达到脱硫除氧双重目的。 这样既减少 LPG 消耗 ，又解决了铜火法精炼普遍存在黑烟污染的世界性难题，成为高效、节能、清洁生产技术。 透气砖充气搅拌技术 阳极炉作业时，由于混合气是从炉侧部吹入，熔体的搅拌性受到限制，冶炼反应效率不高。 因底吹搅拌性优于侧 图 15 透气砖 6 吹，结合生产实际情况，在炉底增设透气砖装置，氮气从底部鼓入，以增强搅动，提高熔体中杂质硫与氧以及还原剂与氧化亚铜碰撞几率，从而大大改善反应动力学条件，加快反应速度，提高生产效率，降低还原天然气消耗，增加公司效益。 按透气砖气体通道形式主要有三种类型，即弥散型、直通定向型、狭缝定向型。 弥散型结构气孔细小 贯通，气孔率高，气体的流动和分布合理，同等条件下吹出的氮气泡多，但制造工艺较复杂；直通定向型由数量不等的细钢管埋入砖中而制成，孔径一般在 ～ 之间，较大，底吹效果较好，使用寿命高，但在后期易堵塞，影响吹成率；狭缝定向型透气砖在成型过程中，与镶嵌材料整体成型，在高温烧成过程中镶嵌材料受热熔化挥发而形成狭缝，狭缝宽度选在 左右，惰性气体介质通过狭缝进入熔池，容易堵；铜冶炼行业，国外大部分企业采用弥散型透气砖（如瑞典 Boliden， Ronnskar 公司、美国 Kennecot 公司等）。 透气 砖 如 图 15所示 烟气余热回收技术 换热器主要分为四种：管壳式、板式、热管以及蓄热式。 板式换热器如图12 所示。 ⒈ 板 式 换 热 器 板 片 和板式换热器密封垫片 ⒉ 固定压紧板 ⒊ 活动压紧板 ⒋ 夹紧螺栓 ⒌ 上导杆 ⒍ 下导杆 ⒎ 后立柱 蓄热式加热炉实质上是高效蓄热式换热器与常规加热炉的结合体，主要由加 热炉炉体、 蓄热室、换向系统以及燃料、供风和排烟系统构成。 蓄热室是蓄热式加热炉烟气余热回收的主体，它是填满蓄热体的室状空间，是烟气和空气流动通道的一部分。 在加热炉中，蓄热室总是成对使用，一台炉子可以用一对，也可以用几对，甚至几十对。 在国内的一些大型加热炉上，最多用到四十几对。 在蓄热式加热炉中，换向阀起到了至关重要的作用。 为配合换向阀安全准确地工作，必 图 12 板式换热器 7 须配备一套可简可繁的控制系统。 蓄热体通常采用直径 12～ 15mm 的 32OAl 质陶瓷球或壁厚 1mm 以下的陶瓷蜂窝体。 传统的燃烧方式是空气和 煤气预混和扩散燃烧，在燃烧器周围存在一个局部高温区，造成炉温不均匀，影响加热质量。 同时，在高温区内，氮气参与燃烧反应，导致烟气中 xNO 含量高，造成大气污染。 蓄热式燃烧则完全不同，在蓄热式炉中，整个炉膛为一个反应体，空气和煤气充满炉膛，在这个炉膛内弥散燃烧，不存在局部高温区，氮气几乎不参与燃烧反应。 与传统燃烧方式相比，其优势表现在下面几个方面：①炉温更加均匀；②燃料选择范围更大；③大幅度节能；④xNO 生成量更低；⑤金属氧化烧损低； ⑥适应范围广，可保留原炉基础及钢结构不动，施工简单，技术先进成熟；⑦项目投资不大，节能效益显著，投资回收期短。 蓄热式高温空气燃烧技术 HTAC（ High Temperature Air Combustion）是目前国内外开始流行的一种革命性的全新燃烧技术，它通过高效蓄热材料将助燃空气从室温预热至前所未有的 800℃高温，同时大幅度降低 xNO 排放量，使排烟温度控制在露点以上、150℃以下范围内，最大限度地回收烟气余热，使炉内燃烧温度更趋均匀。 HTAC 技术针对燃料种类或热 值的不同，有单蓄热与双蓄热之分。 一般认为油类、高热值煤气及含焦油粉尘的热脏发生炉煤气则只需或只能采用助燃空气单蓄热方式；清洁的低热值燃料（高炉煤气、转炉煤气）可采用双蓄热方式。 固定床型蓄热式换热器如图 13 所示。 其他烟气余热应用 烟气的余热利用还可以采用“气 — 气”换热方式从高温废烟气中提取热量，产生新的热空气用于生产或者供暖需要。 其核心设备为可拆卸热管式换热器。 也可以采用“气 — 水”换热方式从高温废烟气中提取热量，产生热水，热水用来锅炉补水或者生产工序，也可以作生活洗浴热水。 其换热单元采用模块化组合，可以根 据需要增减换热单元。 图 13 固定床型蓄热式换热器 8 该废铜精炼回转炉系统包括精炼回转炉、烟气余热回收蓄热器、天然气烧嘴口、风机、烟囱等部分。 图 17 铜精炼回转炉设计方案图 9 400 吨粗铜 /炉，粗铜品位 90％ 表 21 天然气成分分析 组分 i 4CH 42HC CO 2H 2CO 2N 2O iφ 其中环境温度 45℃，水分忽略不计。 表 22 温度设计表 项目 温度 /℃ 回转炉离炉烟气温度 1350℃ 回转炉排烟温度 200℃ 蓄热器空气入口温度 45℃ 蓄热器空气出口温度 800℃ 回转炉空气入口温度 800℃ 10 计计算 炉渣是火法冶金的必然产物，其组成主要来自矿石、熔剂中的脉石和燃料中的灰分。 炉渣主要是由各种氧化物组成的共熔体。 冶金炉渣的主要作用是使矿石和熔剂中的脉石、燃料中的灰分集中，并在高温下与主要的冶炼产物金属、硫等分离。 在炉渣中发生金属液滴或镏液滴的沉降分离，沉降分离的完全程度对金属在炉渣中的机械夹杂损失起着决定性的作用。 在金属和合金的熔炼和精炼时，炉渣与金属熔体的组分相互进行反应，从而可以通过炉渣对杂质的脱除和浓度加以控制。 在某些情况下，炉渣可用来覆盖在金属或合金之上作为一种保护层， 以防止金属熔体受炉气的饱和和氧化。 在某些情况下，炉渣不是冶炼厂的废弃物，而是一种中间产物。 用矿热式电炉冶炼时，炉渣是电阻发热体，可用调节电极插入炉渣中深度的方法来调节电炉的功率。 用反射炉冶炼时，炉渣是传热介质，通过它把热量传递给金属熔体。 要使炉渣在冶炼过程中发挥其有利的作用，就必须根据各种有色金属冶炼过程的特点，合理地选择炉渣成分，使之具有合适要求的物理化学性质，如适当的熔化温度和酸碱性、较低的粘度和密度等。 炉渣相系 （ 1） 2SiO CaO 二元系（如图 31 所示） 各种硅酸钙盐熔点都很高，熔点1600℃的硅酸钙位于含 CaO 32~59％的狭窄组成范围内，在含 CaO 59％时再增加 CaO ，则渣熔点将急剧升高。 钙硅酸盐在熔化温度上不适于作有色冶炼渣。 CaO 能使炉渣密度降低，且钙硅酸盐溶解重金属硫化物能力比较小 . （ 2） FeO 2SiO 二元系（如图 32 所示） FeO 不是一个固定组成的化合物，而是溶有 43OFe 的固熔体，将 43OFe 看成FeO 178。 32OFe ,因而有一部分 Fe 系以32OFe 形态存在。 当 2SiO 含量 30％时，渣熔点最低 图 31 2SiO CaO 二元系 11 1200 ℃，与有色冶炼温度(11501300℃ )相近。 就熔点而言，用接近 2FeO 178。 2SiO 炉渣造硫或还原熔炼可行。 渣密度较大 (含 FeO 70％ )，与锍或金属分离效果不好。 硅酸盐中 FeO 含量愈高，其对硫化物溶解能力愈大，导致金属损失增大。 不单独用铁硅酸盐作炉渣，须加 CaO 以改善炉渣性能。 （ 3） CaO FeO 2SiO 三元系（如图 33所示） 以上分析说明铁硅酸盐或钙硅酸盐都不适宜于单独有色冶炼炉渣。 在实践中，能符合有色冶金过程要求的炉渣是铁钙硅酸盐的熔合体，其中基本组成部分为 FeO 、CaO 和 2SiO。 故 CaO FeO 2SiO三元系是有色冶金炉渣的主要造渣系。 因炉渣成分系CaOFeO 2SiO 三元系，在熔融体中加入少量 CaO 可造出熔点1100℃的适合工艺要求的炉渣。 建议熔剂量为炉料量的 58％加入。 加碱性熔剂（ FeO 、 CaO 、ONa2 ），可使得渣粘度降低，渣熔点降低，但 FeO 会使渣比重升高，渣含铜升高，而 CaO 适中，故要首选。 加酸性辅料（如 2SiO ），虽然会使渣比重降低，渣含铜量降低，但渣粘度与熔点均会升高，需要高的炉温方可保证渣流动性。 相图曲线是等熔点曲线，就是将熔点相同的各三元成分的点连接起来的曲线。 其中最低熔点为 975℃，它的成分大致是： 2SiO 47%、 FeO 30%、 CaO 23%。 在此成分的炉渣中增加三元系的任何一种成分，都会升高炉渣的熔点，但出升高的幅度各不相同。 可以通过熔点最低的成分 D点与三角形三个顶点分别作三 图 32 FeO 2SiO 二元系 图 33 CaO FeO 2SiO 三元系 12 条连线，由这些连线可看出各成分对熔点影响的幅度。 例如由 D 点分别增加三种组分的含量时，以 2SiO 对熔点升高的影响最大， CaO 次之， FeO 最小。 渣型选择 为了降低炉渣熔点，本设计采用CaO FeO 2SiO 三元系造渣，其中最低熔点为 975℃，在图上做各线的平行线，交点如图 34所示，它的成分大致是： 2SiO 47％、 FeO 30％、 CaO 23％ 计算过程如下： 2SiO ： 400179。 10％ =40t CaO ： 23/47179。 40= FeO ： 30/47179。 40= 由此可知，每炉造渣需加入 以及。 图 34 图 34 CaO FeO 2SiO 三元系 13 天然气燃烧计算 表 31 天然气成分分析 组分 i 4CH 42HC CO 2H 2CO 2N 2O iφ 其中环境温度 45℃，水分忽略不计。 根据表 31计算得到： （ 1）天然气低发热量 ]5[ Q低 =（ 3046179。 CO%+2580179。 H2%+8550CH4%+14100179。 C2H4%+„„ +5520 H2S%） =179。 +179。 +179。 +179。 =3。