熔铅炉蓄热式燃烧技改节能分析与计算

汪洋洋 1，鲁志昂 1，蒋绍坚2，王 涛 2，艾元方 2

(1.株洲火炬工业炉有限责任公司，湖南 株洲 412000；

2.中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 410083)

摘  要：室式燃烧间接加热熔铅炉热平衡测试表明：因不完全燃烧、高温排烟原因，熔铅燃气单耗高达 175 m3/t Pb， 热效率仅为 9.9%，排烟损失高达 53.9%，化学不完全燃烧损失高达 23.86% 。理论计算表明：应用均匀直接加热、高效回 收烟气余热及预热空气的熔铅炉蓄热式燃烧技术后，熔铅燃气单耗可降低到 105 m3/tPb，节能达到 40%。

关键词：熔铅炉；室式燃烧；蓄热式燃烧；节能能力

中图分类号：TF806.3               文献标识码：A          文章编号：1001-6988(2012) 01 - 0040 - 03

Calculation of Energy-Saving Capability on Regenerative Combustion Transformation for Lead-Smelting Furnace

WANG Yang-yang1, LU Zhi-ang1, JIANG Shao-jian2, WANG Tao2，AI Yuan-fang2

(1. Zhuzhou Huoju Industrial Furnace Limited Liability Company, Zhuzhou 412000, China；

2.College of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract:  The  heat-balance  test  on  the  chamber-type  combustion  indirect  heating   lead-smelting furnace showed that the fuel gas unit consumption of lead smelting reaches up to 175 m3/tPb, the thermal efficiency is only 9.9%, the flue gas heat loss is up to 53.9% and the chemical incomplete combustion heat loss reaches up to 23.86%, which was because of the incomplete combustion and the high temperature gas exhaustion.  The  theoretical  calculation  showed  that  by  using  of  lead-smelting  furnace  regenerative combustion technologies such as the uniform and direct heating, the efficient recovery of flue gas waste heat and the air preheating, the fuel gas unit consumption of lead smelting could cut down to 105 m3/tPb, and the energy saving rate could reach up to 40%.

Key words: lead-smelting furnace; chamber-type combustion; regenerative combustion; energy-saving capability

阴极锅、电铅锅、合金锅等熔铅锅设备在铅火法 冶炼工艺流程中应用较多，均使用钢制坩埚，通过燃 料燃烧加热坩埚来间接熔化锅里的固体铅料。这些 熔铅锅使用中普遍存在燃烧不完全、能耗高、热效率 低下、炉温均匀性差、坩埚使用寿命短、控制手段落 后、操作环境差等诸多 问题 。推广熔铅锅节能新技 术，可以有效降低铅火法冶炼工艺单位产品能源消 耗，促进我国当前有色冶金领域 (尤其是铅火法冶 炼 )节约能源消耗、减少 CO2  排放和 降低铅火法冶

收稿日期：2011- 09- 13；修回日期：2011- 11- 11

作者简介： 汪洋洋(1970—) ，男，工程师， 研究领域为冶金炉窑节 能减排技术升级改造.

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炼生产成本等工作开展。

文献[1]保持绝热燃烧室和加热室两部分，燃料 绝热燃烧后用高温烟气间接加热铅锅等特点 ，  改加 热室的高温烟气单面加热为高温烟气旋流加热，燃 料消耗降低到原来的一半 ，  且解决了铅锅使用寿命 短等难题。文献[2]考虑到高温空气燃烧[3-4]在钢铁加 热炉应用节 能 40%~50%，CO2  减排 30%~60% ，NOx 排出由数百或数千 ppm 降低到 (30~50)×10-6  等节 能减排效益，开发了蓄热式熔铅炉节能新技术，且在 2008 年 12 月将此节能技术应用到株洲冶炼集团铅 分厂，以合同能源管理项目方式改 1 台 85 t 传统熔 铅炉 (绝热燃烧、高温烟气间接加热铅锅 )为新型蓄

热式燃烧熔铅炉，文献[5]报道了蓄热式燃烧熔铅炉 运行特性和该项目的节能减排指标。文献[2，5]工作 有效地推动了高温空气燃烧技术在有色冶金铅火法 冶炼领域的应用。

以株洲冶炼集团铅分厂熔铅锅为研究对象，进 行熔铅炉热平衡计算，分析制约传统熔铅炉热效率 提高的关键，测算传统熔铅炉进行蓄热式燃烧节能 技改的节能减排效益，为铅火法冶炼厂节能技改和 组织合同能源管理项目提供参考。

1   传统熔铅炉热平衡计算

1.1   传统熔铅炉工作原理

如图 1 所示，熔铅炉包括铅锅、燃烧室、加热室 和燃气燃烧器 。整个炉膛由燃烧室及加热室组成， 燃烧室产生 1 000~1 100 ℃的高温烟气进入加 热 室，直接加热铅锅，加热后烟气温度仍高达 400~500 ℃以上，直接排空。传统熔铅炉基于绝热燃烧并用高 温烟气间接加热原理，燃烧室和加热室之间砌有隔 墙，燃烧室组织绝热燃烧，燃用发生炉冷煤气或固体 块煤，高温烟气穿过中间隔墙后直冲铅锅底受热面 加热，高温烟气和锅底面相交点位置固定不变。

1.2   传统熔铅炉热平衡测试

熔铅锅燃用发生炉煤气 。一个熔炼周期内，煤 气总用量为 7 287 m3 ，  煤气低位发热值为 5 371.7 kJ/m3 ，  成分及含量为 CO 30.4%、CO2  4%、O2  0.2%、 CH4  1.31%、H2  10.03%、N2  54.06% 。图 2 为熔铅锅作 业程序及温度制度。燃烧室平均温度为 1 035 ℃。

熔铅锅锅 台表面 8.38 m2、45 ℃ ，   前后墙 14.8 m2、102 ℃，侧墙 7.4 m2、35 ℃ 。铅液温度、空风和烟 气流量及温度汇总见表 1。

1.3   传统熔铅炉热平衡计算

物料平衡见表 2，热平衡计算见表 3。

表 1   传统熔铅炉铅液温度、空风和烟气流量及温度

表 2   传统熔铅炉物料平衡表

表 3   传统熔铅炉热平衡结果汇总

热效率：

×100%=9.9% 燃气单耗： 电铅产量(总煤气耗量)  = =175 m3/tPb

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2   传统熔铅炉热平衡测试分析

熔铅炉热效率约为 9.9%，熔铅煤气单耗为 175 m3/tPb 。导致传统熔铅锅热效率低和燃气单耗高的 原因有：①烟气温度高达 440~445 ℃，烟气带走的显 热损失高达 53.9%；②烟气在炉内停留时间短，导致 烟气中 CO 含量高达 1.8%，化学不完全燃烧损失高 达 23.4%。

3   蓄热式燃烧熔铅炉热平衡分析

3.1   蓄热式燃烧熔铅炉工作原理

蓄热式燃烧熔铅炉，包括铅锅、燃烧加热室、2 个蓄热式主燃烧器和 2 个点火烧嘴。燃烧加热室底 面中心设置铅锅底座。燃烧加热室端墙上安装有蓄 热式主燃烧器和点火烧嘴，点火烧嘴始终开启以实 现稳定着火，2 个主燃烧器周期性交替工作，分别完 成组织燃烧和抽吸高温烟气功能，一个燃烧器高效 率快速预热空气并组织燃烧时，另一个燃烧器抽吸 烟气并高效蓄热快速冷却烟气。主燃烧器里设置有 高比表面积陶瓷蓄热体，主燃烧器切换周期 60~120 s 。通过主燃烧器周期性交替工作，空气被预热到比 离炉烟气温度低 100~150 ℃温度水平进入燃烧加热 室，烟气降至 150 ℃左右排入大气环境。加料和铸锭 期间直接排烟，集中熔化期间启用蓄热系统 。其结 构示意图见图 3。

和传统熔铅炉相比，蓄热式燃烧熔铅炉将燃烧 室和加热室合并为一室 ，  组织 U 字形炉气行程，有 效地拓宽了燃烧反应区体积，延长了停留时间及炉 内行程；燃烧加热室温度水平维持在 800 ℃左右，含 氧浓度低于 15%，在主燃烧器机械外力作用下高温 炉气对流流动速度更大，单位面积辐射换热和对流 换热强度变大，实现均匀直接加热，避免锅底受热面 局部高温现象。

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3.2   热平衡测算条件

铅锅、燃烧加热室和 2 个蓄热室组成研究对象， 考察 1 个熔炼周期。技改前后物料温度不变；反应热 与物料重量成正比；系统散热和机械散热不变；燃气 带入热、燃气燃烧放热、空气带入热、烟气带走热和 燃气消耗量成正比；空气及组分，烟气及组分均为理 想气体；熔炼操作制度不变。

燃气成分及含量不变 ，  燃烧加热室平均温度降 低到 800 ℃，流出蓄热室的烟气温度 120~150 ℃，流 入蓄热室的空气温度 35 ℃ ，  环境温度 29 ℃ ，  烟气 CO 含量 50×10-6，装料 85 t/锅。

3.3   热平衡测算

收入热：

物料带入热 0.118 719×106×85/50

燃气燃烧放热 5 407 x/4.18

化学反应热 0.001 845×106×85/50

空气带入热 1.263 4 x×0.316×(35-29)  支出热：

产物和浮渣带走热 3.772 917×106×85/50 化学反应热 0.119 074×106×85/50

留锅铅的显热 0.098 961×106×85/50

加料升温期烟气带走热 2.058 8×0.141 x×

0.362×[(800+29)×0.5-29]

集中熔化期烟气带走热 2.058 8×0.658 x×

0.362×[(150+120)×0.5-29]

铸锭期烟气带走热 2.058 8×0.201 x×0.362×

(800-29)

化学不完全燃烧热损失 9.385 106×1 000/0.018

系统散热 4.407 447×12%×106

机械散热 0.080 424×106

满足 Σ 收入 热 ≈Σ 支 出 热 的燃气消耗总量 x = 7 437 m3。传统熔铅炉进行蓄热式燃烧技改后的热平衡测算 见表 4；熔化和操作期两种燃烧方式参数对比见表 5。

热效率  6.209 2+0.168 2+0.202 4  ≈69.5%

9.462 2

煤气单耗 =105 m3/tPb

4   蓄热式燃烧熔铅炉节能能力测算

煤气节约率为 ×100%=40%

(下转第 52 页)

材料与施工：140 t/h 干熄焦斜道牛腿破损状况及修复方法

2.3   砌体的找正

砌砖过程中，用木槌或橡胶槌及时对砌体进行 找正，不得同时敲打两层及以上的砖层 。砌筑过程 中砌体下层砖有扭曲或其它缺陷，或有超过允许误 差的灰缝时，不得用木槌强行敲打进行修正，应拆掉 重砌。拆除重砌时，应按阶梯形留茬。不得为了减小 砖缝宽度，或为了找正修整墙面，而强力敲打砌体中 互为毗邻的砖，同时要求斜道砌体碳化硅灰浆凝固 时间在 25~30 min 内，且有强度。

3   炉衬结构设计的改进方向

随着焦炭处理量的增加，需要加大冷却风量，斜 道部位的气体流速会增加，焦炭堆积层的安息角被 破坏，斜道部位有可能被焦炭堵塞 。必须根据焦炭 颗粒的实际情况，对干熄炉斜道牛腿、环形烟道等关 键部位进行优化设计 (必要时需通过实验最终确定 设计参数 )，才能确保干熄焦装置的稳定运行，如果 只是简单地对斜道区结构进行修改，会严重破坏内 部承重结构，使得干熄炉斜道区域砌体受力和热震 性能受到破坏[1] 。在满足焦炭冷却风量处理能力的 条件下，设计上可考虑将烟道开口面积适当降低以 增大牛腿承载宽度，进而增强其承载能力；或将支撑 牛腿的倾斜角适当加大，以增加牛腿底部垂直受力

载荷,减少剪切载荷，亦可考虑将斜道至一次除尘出 口位置两侧的牛腿截面宽度适当加大 ，   以增加其抗 含焦屑粉尘颗粒循环气体的冲刷能力 ，  减少因使用 过程中产生裂缝对牛腿强度的影响。

可选用热震及耐磨性能好、抗折强度大的耐火 材料如 BE3-LN 砖或 NMβ-SiC-2 砖 ，  严格控制砌 筑质量 ，  提高耐材对固体焦炭磨损和含尘循环气流 冲击磨损的抗击性能,  使斜道牛腿的寿命得到有效 延长。

4   结语

目前，我国投产的干熄焦装置约 100 多套。其干 熄炉处理能力从 65 t/h 发展到 260 t/h，在提高焦炭 质量及节能降耗方面收到了良好的效果。然而，由干 熄炉斜道牛腿使用寿命决定的干熄焦系统年修周期 大多不超过 2 年 ，  密切跟踪干熄焦耐材系统技术发 展状况 ，  特别是斜道牛腿区域的结构设计改进及采 用具有更好抗折强度和热震性的耐火砖 ，对延长干 熄炉的使用寿命有着重要作用。

参考文献:

[1]     赵恒林.干熄焦技术的新特点和工程实践[J]. 中 国焦化业,2011 (2):38.

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(上接第 42 页)

表 4   蓄热式燃烧熔铅炉热平衡计算汇总

表 5   熔化和操作期两种燃烧方式参数对比

设熔炼作业率为 88%，一年 365 天，一天 2 炉， 则年节省煤气：

365×0.88×2×41.7×85/50×(175-105)=3.188×106 m3 年减排 CO2：

3.188×106×(0.304 0+0.013 1)=1.106×106  m3

参考文献：

[1]    白桦.一种新型熔铅锅的设计[J].有色冶金节能,2007(6):6,38-39.  [2]    汪 洋 洋 ,  李 培 华 ,  夏 中 卫 ,  等 .  蓄 热 式 熔 铅 炉 ：   实 用 新 型

ZL201020169513.2[P].2010-04-26.

[3]   周怀春,盛锋,姚洪,等.高温空气燃烧技术-21 世纪关键技术之一

[J].工业炉,1998(1):19-27.

[4]   蒋绍坚,艾元方,彭好义,等.高温低氧燃烧技术与应用[M].长沙:中

南大学出版社,2010.

[5]   沈维民,贺新华,王赛辉,等. 蓄热式燃烧技术在有色熔铅炉的研究

与运用[J].有色冶金节能,2009(3):35-39.

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