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一、工艺设计来源及依据
由于原料锗煤赋存物理状态多为粉状,而现有四台固定床层燃冶炼炉燃烧也很不充分,不仅炉前工劳动强度大、工作环境差、受其燃烧方式的限制,在处理粉煤量上也十分有限,燃烧粉煤操作时也有一定的危险性,长期以来,公司火法部也积存了大量粉煤,几乎占用了全部储煤场地,经粒度分析3mm以下的锗煤粉占60%左右,不仅占用了大量的资金,在一定程度上困扰了公司的发展。
为了寻找更好的含锗粉煤挥发富集锗的冶炼工艺,使之适应宽粒级、高水份、低热值的锗煤的这一特性。公司于2003年10月10日在孙玉才同志主持下,在锡市保温材料厂的旋风培烧炉上进行了6小时40分的燃烧试验,共处理锗煤粉2.4吨,从燃烧过程看,煤粉在该炉内能够连续稳定燃烧,炉内中上层温度保持在1100-1186℃之间,并有部分煤灰粘结成5-20mm的渣粒落下,具备了锗挥发的温度条件。但该炉对大于3mm的颗粒状锗煤却无法实现燃烧,为此,如何选择哪种炉型既兼顾不同粒级的锗煤燃烧又能将大量的煤灰在高温状态下造渣、分离,最终以固态渣排出炉外,提高烟尘品位得到合格的富锗烟尘的冶炼工艺,是解决火法生产的首要任务。,根据固定床冶炼炉的技术指标,我们将循环流化床炉和旋风炉不同两种燃烧方式有机的结合在一起,形成一个全新的炉型来处理含锗煤粉。依据此工艺思路,我公司委托威海锅炉厂赤峰办事处承担炉型设计,提供冶炼炉、余热锅炉设计图纸及现场技术服务。该厂拥有的循环流化床锅炉设计制造技术在东北地区,具有良好声誉,技术成熟、设备可靠、服务到位,。为此,公司多次组织两单位的相关技术人员一起研讨,对设计方案反复讨论、修改,并请北京专家进行了技术论证。通过两年多的工艺性试验,认定复合式锗粉煤冶炼炉在设计方案和技术上是可行的,经济上是合理的。,该炉型与旋涡炉相比具有投资少、占地面积小、操作调节灵活方便、对煤种适应性强、工艺流程短,节约能源等优点,是处理含锗粉煤较为经济的方式之一。
二、锗煤特性及其分析
通过锗煤特性分析结果可以看出:含锗煤粉的发热量仅为1540千卡/千克、挥发份为28.38%、煤中灰份为28.08%、灰中SiO为41.8%,粒度小于1mm的煤粉约占60%以上。如果采用单一炉型处理含锗煤粉不仅无法兼顾不同粒度的粉煤燃烧,烟气中夹带的飞灰量也随之增加。由于发热量低、灰中含硅高,势必影响渣的流动性,造液体渣将增加运行成本,可能达不到预期效果。
三、复合式锗粉煤冶炼炉挥发富集锗的可行性
旋风和循环流化床这两种燃烧方式均是直接处理粉状物料的冶炼设备,其燃烧强度大,易于过程控制,已广泛应用于许多行业的工业生产中。特别是循环流化床炉是针对发热量低的褐煤、煤矸石等劣质煤进行设计的一种燃烧设备。它对物料的要求较宽松,水份在15%左右,粒级在3-20mm的煤粉均可入炉燃烧;而旋风炉可处理的粉状物料的粒级一般应为3mm以下方可充分燃烧.为此,采用复合式燃烧方式处理含锗煤粉是可行的。因为:
1、复合式燃烧工艺具有锗挥发的基本条件。该炉型分为两段燃烧,上部为旋风段,温度可达1100-1250℃,下部为循环流化床,温度为850℃-950℃。可通过控制风、煤比使炉内达到一定的还原性气氛来满足煤中锗挥发对温度和气氛的要求。
2、该炉型燃烧强度大,对煤种适应性强,可免除煤粉烘干、磨煤工序,降低生产成本。
3、该炉型可直接向炉外排出固体渣,不受渣型及温度限制。
4、为减少小于3mm的煤粉在炉内中部形成焰带燃烧,防止大量煤灰向后漂移。将煤粉的给煤位置设在流化床稀相高温区,采用二次风机从切线方向吹入炉内,使其沿壁面旋转燃烧并粘结成较大的渣粒下落到流化床内经排渣管排出炉外。而循环流化床大量的煤灰随高温烟气向上漂移经过旋风段时,也将被切向风旋向炉壁造渣,完成二次富集。从而降低烟气含尘浓度,提高烟尘品位。
5、烟气中的锗由化学尘转为机械尘的过程中,一般在700℃左右开始吸附在煤灰上,针对这一特性,为减少锗在煤灰中的分散现象,在高温状态采用旋风复燃室和四旋风除尘器降低烟尘量,最终得到合格的富锗烟尘是可以实现的。
6、该炉型可连续或间断运行,不受收尘工序影响。
四、复合式锗粉煤冶炼炉的工作原理
FBC1500型复合式锗粉煤冶炼炉,由硫化床燃烧系统、旋风燃烧系统及复燃室(兼粉尘分离)组成。3-20mm的颗粒状煤由埋刮板输送机提升至粒煤仓,再由炉前螺旋给煤机送至落煤管,在流化床浓相区出口以微正压方式送入炉内。3mm以下的细煤粉由埋刮板输送机提升至粉煤仓,再通过GF型回转给料机、煤粉输送器、煤粉管路送至粉枪,粉枪在流化床稀相区位置以切向方向将煤粉送入炉内。稀相区出口设有缩口,缩口使烟气中的大颗粒煤灰在炉内自动形成粒度分级,在不断燃烧碰撞过程中粘结成较大颗粒的煤灰,回落到流化床内进一步燃烧。流化床稀相区出口烟气以切向方向进入复燃室,烟气中的可燃成分进一步燃烬;同时,复燃室又相当于一个旋风分离器,在高温状态下将烟气中的煤灰进行初级分离,以降低冶炼炉出口烟气的含尘浓度,在复燃室的底部装有冷渣器,冷渣器可使熔融炉渣冷却变成固体颗粒排出。为了进一步降低高温烟气中机械尘含量,在冶炼炉出口处设置了四旋风高温除尘器,进行二次分离。高温烟气通过余热锅炉和室内表面冷却器进行冷却、沉降和热能回收,生产的饱和蒸汽供给湿法车间生产和公司冬季采暖,含锗烟尘由布袋收尘器捕获收集送湿法车间蒸馏。
五 、主要工艺技术数据
A、锗粉煤冶炼炉
设计燃料:褐煤(低位发热值1540kcal/kg)空气量:5000m3/h
处理量B=1500kg/h 烟气量:16000m3/m
流化床处理量:B1= 1000kg/h烟气阻力:1800Pa
旋风段处理量:B2=500kg/h吨煤产灰量:20kg/T
设计温度:浓相区≤950℃ 布袋尘品位:1-2%
稀相区≥1250℃冶炼炉出口烟尘浓度:13.2mg/m3
流化速度:浓相区3.5m/s 锗挥发率:80%
稀相区4.4m/s 直收率:62.4%
有效床面积:1.21m2金属量:5.1kg/d
燃料粒度:0-20mm 造渣率: 30%
B、四旋风除尘器
入、出口烟气量:16000m3 / 16000m3烟气阻力:1100Pa
入、出口温度:1250℃/1250 ℃除尘效率:80%
C、余热锅炉
额定蒸发量:2T/h 入、出口烟气量:16000m3/6500m3
工作压力:0.7MPa 入、出口温度:1250℃/35℃
烟气阻力:1400Pa
D、表面冷却器
冷却面积:200m2 入、出口烟气量:6500m3 /4413m3
烟气阻力:230Pa
E、布袋收尘器
过滤面积:200m2入、出口烟气量:6500m3/4413m3
烟气入口含尘浓度:6.79g/m3过滤风速:1.5m/min
设备最大阻力:2600Pa (实测) 处理风量:10800-20800m3/h
除尘效率:99-99.5%
以上工艺技术指标为理论值和经验值,有待于炉子建成后在调试过程中加以修正。
六、结构性能特性
1、流化床的浓相区(流化床的下部)以燃烧3-20mm颗粒煤为主,温度控制在≤950℃即可使颗粒煤充分燃烧、燃烬,通过控制一次送风量、煤量来调节炉内燃烧气氛提高锗的挥发率。
2、在流化床稀相区煤粉以切向方向由粉枪送入炉内,其目的在于(1)含锗煤粉可以得到充分利用;(2)通过调节粉枪中的风煤比来控制稀相区和复燃室温度。复燃室的温度控制在≤1180℃(灰的软化温度),以防止因稀相区的结渣而造成浓相区的结焦,导致停炉事故。
3、炉体稀相区出口处烟气以切向方向进入复燃室,一方面使烟气中的可燃成分得到进一步的燃烧、燃烬,提高了复燃室的温度,氧化锗进一步以化学态析出;另一方面复燃室又相当于一个下排烟的旋风分离器,使大颗粒的烟尘粒子及结在复燃室炉壁上松软的熔融渣在大颗粒粒子的冲刷下得以分离。熔渣在通过冷渣器时得到冷却,以固体颗粒的形式排出。
4、流化床燃烧系统、旋风燃烧系统和复燃室(兼旋风分离器)的有机结合,既可以充分利用有限的含锗褐煤资源又可以随机调整粉煤和颗粒煤的入炉比例以提高金属量和布袋尘品位。
由于原料锗煤赋存物理状态多为粉状,而现有四台固定床层燃冶炼炉燃烧也很不充分,不仅炉前工劳动强度大、工作环境差、受其燃烧方式的限制,在处理粉煤量上也十分有限,燃烧粉煤操作时也有一定的危险性,长期以来,公司火法部也积存了大量粉煤,几乎占用了全部储煤场地,经粒度分析3mm以下的锗煤粉占60%左右,不仅占用了大量的资金,在一定程度上困扰了公司的发展。
为了寻找更好的含锗粉煤挥发富集锗的冶炼工艺,使之适应宽粒级、高水份、低热值的锗煤的这一特性。公司于2003年10月10日在孙玉才同志主持下,在锡市保温材料厂的旋风培烧炉上进行了6小时40分的燃烧试验,共处理锗煤粉2.4吨,从燃烧过程看,煤粉在该炉内能够连续稳定燃烧,炉内中上层温度保持在1100-1186℃之间,并有部分煤灰粘结成5-20mm的渣粒落下,具备了锗挥发的温度条件。但该炉对大于3mm的颗粒状锗煤却无法实现燃烧,为此,如何选择哪种炉型既兼顾不同粒级的锗煤燃烧又能将大量的煤灰在高温状态下造渣、分离,最终以固态渣排出炉外,提高烟尘品位得到合格的富锗烟尘的冶炼工艺,是解决火法生产的首要任务。,根据固定床冶炼炉的技术指标,我们将循环流化床炉和旋风炉不同两种燃烧方式有机的结合在一起,形成一个全新的炉型来处理含锗煤粉。依据此工艺思路,我公司委托威海锅炉厂赤峰办事处承担炉型设计,提供冶炼炉、余热锅炉设计图纸及现场技术服务。该厂拥有的循环流化床锅炉设计制造技术在东北地区,具有良好声誉,技术成熟、设备可靠、服务到位,。为此,公司多次组织两单位的相关技术人员一起研讨,对设计方案反复讨论、修改,并请北京专家进行了技术论证。通过两年多的工艺性试验,认定复合式锗粉煤冶炼炉在设计方案和技术上是可行的,经济上是合理的。,该炉型与旋涡炉相比具有投资少、占地面积小、操作调节灵活方便、对煤种适应性强、工艺流程短,节约能源等优点,是处理含锗粉煤较为经济的方式之一。
二、锗煤特性及其分析
通过锗煤特性分析结果可以看出:含锗煤粉的发热量仅为1540千卡/千克、挥发份为28.38%、煤中灰份为28.08%、灰中SiO为41.8%,粒度小于1mm的煤粉约占60%以上。如果采用单一炉型处理含锗煤粉不仅无法兼顾不同粒度的粉煤燃烧,烟气中夹带的飞灰量也随之增加。由于发热量低、灰中含硅高,势必影响渣的流动性,造液体渣将增加运行成本,可能达不到预期效果。
三、复合式锗粉煤冶炼炉挥发富集锗的可行性
旋风和循环流化床这两种燃烧方式均是直接处理粉状物料的冶炼设备,其燃烧强度大,易于过程控制,已广泛应用于许多行业的工业生产中。特别是循环流化床炉是针对发热量低的褐煤、煤矸石等劣质煤进行设计的一种燃烧设备。它对物料的要求较宽松,水份在15%左右,粒级在3-20mm的煤粉均可入炉燃烧;而旋风炉可处理的粉状物料的粒级一般应为3mm以下方可充分燃烧.为此,采用复合式燃烧方式处理含锗煤粉是可行的。因为:
1、复合式燃烧工艺具有锗挥发的基本条件。该炉型分为两段燃烧,上部为旋风段,温度可达1100-1250℃,下部为循环流化床,温度为850℃-950℃。可通过控制风、煤比使炉内达到一定的还原性气氛来满足煤中锗挥发对温度和气氛的要求。
2、该炉型燃烧强度大,对煤种适应性强,可免除煤粉烘干、磨煤工序,降低生产成本。
3、该炉型可直接向炉外排出固体渣,不受渣型及温度限制。
4、为减少小于3mm的煤粉在炉内中部形成焰带燃烧,防止大量煤灰向后漂移。将煤粉的给煤位置设在流化床稀相高温区,采用二次风机从切线方向吹入炉内,使其沿壁面旋转燃烧并粘结成较大的渣粒下落到流化床内经排渣管排出炉外。而循环流化床大量的煤灰随高温烟气向上漂移经过旋风段时,也将被切向风旋向炉壁造渣,完成二次富集。从而降低烟气含尘浓度,提高烟尘品位。
5、烟气中的锗由化学尘转为机械尘的过程中,一般在700℃左右开始吸附在煤灰上,针对这一特性,为减少锗在煤灰中的分散现象,在高温状态采用旋风复燃室和四旋风除尘器降低烟尘量,最终得到合格的富锗烟尘是可以实现的。
6、该炉型可连续或间断运行,不受收尘工序影响。
四、复合式锗粉煤冶炼炉的工作原理
FBC1500型复合式锗粉煤冶炼炉,由硫化床燃烧系统、旋风燃烧系统及复燃室(兼粉尘分离)组成。3-20mm的颗粒状煤由埋刮板输送机提升至粒煤仓,再由炉前螺旋给煤机送至落煤管,在流化床浓相区出口以微正压方式送入炉内。3mm以下的细煤粉由埋刮板输送机提升至粉煤仓,再通过GF型回转给料机、煤粉输送器、煤粉管路送至粉枪,粉枪在流化床稀相区位置以切向方向将煤粉送入炉内。稀相区出口设有缩口,缩口使烟气中的大颗粒煤灰在炉内自动形成粒度分级,在不断燃烧碰撞过程中粘结成较大颗粒的煤灰,回落到流化床内进一步燃烧。流化床稀相区出口烟气以切向方向进入复燃室,烟气中的可燃成分进一步燃烬;同时,复燃室又相当于一个旋风分离器,在高温状态下将烟气中的煤灰进行初级分离,以降低冶炼炉出口烟气的含尘浓度,在复燃室的底部装有冷渣器,冷渣器可使熔融炉渣冷却变成固体颗粒排出。为了进一步降低高温烟气中机械尘含量,在冶炼炉出口处设置了四旋风高温除尘器,进行二次分离。高温烟气通过余热锅炉和室内表面冷却器进行冷却、沉降和热能回收,生产的饱和蒸汽供给湿法车间生产和公司冬季采暖,含锗烟尘由布袋收尘器捕获收集送湿法车间蒸馏。
五 、主要工艺技术数据
A、锗粉煤冶炼炉
设计燃料:褐煤(低位发热值1540kcal/kg)空气量:5000m3/h
处理量B=1500kg/h 烟气量:16000m3/m
流化床处理量:B1= 1000kg/h烟气阻力:1800Pa
旋风段处理量:B2=500kg/h吨煤产灰量:20kg/T
设计温度:浓相区≤950℃ 布袋尘品位:1-2%
稀相区≥1250℃冶炼炉出口烟尘浓度:13.2mg/m3
流化速度:浓相区3.5m/s 锗挥发率:80%
稀相区4.4m/s 直收率:62.4%
有效床面积:1.21m2金属量:5.1kg/d
燃料粒度:0-20mm 造渣率: 30%
B、四旋风除尘器
入、出口烟气量:16000m3 / 16000m3烟气阻力:1100Pa
入、出口温度:1250℃/1250 ℃除尘效率:80%
C、余热锅炉
额定蒸发量:2T/h 入、出口烟气量:16000m3/6500m3
工作压力:0.7MPa 入、出口温度:1250℃/35℃
烟气阻力:1400Pa
D、表面冷却器
冷却面积:200m2 入、出口烟气量:6500m3 /4413m3
烟气阻力:230Pa
E、布袋收尘器
过滤面积:200m2入、出口烟气量:6500m3/4413m3
烟气入口含尘浓度:6.79g/m3过滤风速:1.5m/min
设备最大阻力:2600Pa (实测) 处理风量:10800-20800m3/h
除尘效率:99-99.5%
以上工艺技术指标为理论值和经验值,有待于炉子建成后在调试过程中加以修正。
六、结构性能特性
1、流化床的浓相区(流化床的下部)以燃烧3-20mm颗粒煤为主,温度控制在≤950℃即可使颗粒煤充分燃烧、燃烬,通过控制一次送风量、煤量来调节炉内燃烧气氛提高锗的挥发率。
2、在流化床稀相区煤粉以切向方向由粉枪送入炉内,其目的在于(1)含锗煤粉可以得到充分利用;(2)通过调节粉枪中的风煤比来控制稀相区和复燃室温度。复燃室的温度控制在≤1180℃(灰的软化温度),以防止因稀相区的结渣而造成浓相区的结焦,导致停炉事故。
3、炉体稀相区出口处烟气以切向方向进入复燃室,一方面使烟气中的可燃成分得到进一步的燃烧、燃烬,提高了复燃室的温度,氧化锗进一步以化学态析出;另一方面复燃室又相当于一个下排烟的旋风分离器,使大颗粒的烟尘粒子及结在复燃室炉壁上松软的熔融渣在大颗粒粒子的冲刷下得以分离。熔渣在通过冷渣器时得到冷却,以固体颗粒的形式排出。
4、流化床燃烧系统、旋风燃烧系统和复燃室(兼旋风分离器)的有机结合,既可以充分利用有限的含锗褐煤资源又可以随机调整粉煤和颗粒煤的入炉比例以提高金属量和布袋尘品位。