定型焙烧炉生产工艺的探索与优化

定型焙烧炉生产工艺的探索与优化

唐有运王敬东熊义香

湖北省黄麦岭磷化工有限责任公司

摘要：硫酸装置焙烧炉都是基于某一特定矿种而设计，但由于受到市场原料矿的供应和企业追求经济效益最大化的影响，很多硫酸厂在实际生产中往往会使用与原设计不同的矿种来组织生产。当矿种变化、入炉矿水份、粒级分布、杂质变化时，就需要调整与优化定型焙烧炉的生产工艺。我公司12万吨/年硫酸装置在没有原料烘干系统的情况下，使用过多种与设计有较大区别的矿种来组织生产，但通过生产工艺的调整，做到了长周期稳定均衡生产，为公司硫酸生产装置使用各种不同硫铁矿矿种提供了技术保障，也为公司追求经济效益最大化提供了空间。

关键词：定型焙烧炉生产工艺优化与探索

一、装置设计背景

我公司2004年建成投产的12万吨/年硫铁矿制酸装置是由中国石化集团南化设计院负责设计的。当时硫铁矿资源处于一种相对饱和的状态，高品位硫铁矿（含硫46-48%）市场供应充足，较易购买。同期我公司还有一套1995年建成投产的28万吨/年硫铁矿制酸装置，该装置在长期生产运行中，取得了焙烧高氟高硫含量的硫铁矿的成功生产经验，形成了一套独特的焙烧高氟高硫含量的硫铁矿生产工艺技术。该技术硫铁矿烧渣铁含量可达63%以上，高铁含量的硫铁矿烧渣既可生产球团矿供应给

钢铁厂，也可直接供应给钢铁厂，既解决了建设硫铁矿渣场所需较大投资难题，同时又由于高铁含量硫铁矿烧渣而获得了可观的经济效益。我公司12万吨/年硫铁矿制酸装置，就是直接用高品位硫铁矿作原料进行设计和建设的。

硫铁矿主要组成如下表：

硫铁矿烧渣实验数据如下表:

二、12万吨/年硫铁矿制酸装置设计简介

本装置公称设计能力为年产12万吨硫酸，建设规模按年产13.33万吨设计的，年操作日为333.3天，操作时间为8000小时，即设计生产能力400t/d，投矿量11.37t矿/h（干基），实物投矿量12.29t /h，烧渣产量为7.53t /h（干基），年烧渣产量为6.6万t ，烧渣经冷却滚筒冷却后送至堆场。

设计焙烧炉沸腾层φ内7000 mm，扩大层φ内9000 mm，焙烧炉高22840 mm，炉膛面积38.48 m2，风帽1755个，风帽孔速60m/s，高位溢流口高度1.35m，冷排面积48.5m2，焙烧强度10t标矿/m2·d，沸腾层温度850℃。在扩大层设二次风、三次风，在焙烧炉出口设后燃风，以消除焙烧炉在磁性焙烧状态下产生的升华硫。

三、定型焙烧炉生产工艺的探索与优化

我公司12万吨/年生产硫酸装置建成投产运行两年后，硫铁矿的市场供应已出现了很大的变化，公司采购的高品位硫铁矿已不能满足28万吨/年硫铁矿制酸装置的需求，只能通过购买中低品位硫铁矿（含硫

35-40%）精选获得高品位硫铁矿（含硫≥48%），供28万吨/年硫酸装置使用，在精选过程中产出了大量含硫10%左右的尾砂。所以供应12万吨/年硫铁矿制酸装置的硫铁矿种与当初设计选定高品位硫铁矿种有很大

的变化。供12万吨/年硫铁矿制酸装置使用的硫铁矿主要有：直接购买的中低品位硫铁矿、我公司磷矿石精选磷后副产的中低品位硫铁矿、含硫10%左右的尾砂、硫磺、高品位硫铁矿、含硫量低的铁矿等。

不同矿种、不同品位以及不同水分和杂质含量的原料，其操作条件是不一样的。一般反映在焙烧炉的沸腾层温度、焙烧炉炉底压力、炉前风量、焙烧炉出口二氧化硫浓度等都不一样。使用水分含量高的硫铁矿时，一方面影响焙烧炉的热平衡，影响炉温指标而无法维持炉温，另一方面矿粒容易粘结成团，极易造成进料部位沸腾不良，引起堆积和结疤，在水分含量较高的硫铁矿原料时，由于投料量大而负荷高时，堆积和结疤矛盾更加尖锐，硫铁矿原料水分含量高还会使炉气体积增大，炉子容易产生正压，操作条件变差，使环境恶化。

我公司12万吨/年硫铁矿制酸装置经常在不同矿种之间切换生产，使焙烧和灰渣两个工序的生产经常发生波动，为了确保装置长周期稳定均衡生产，通过对生产工艺的调整与优化，逐步摸索出了一定生产经验，形成了一套较完整的生产工艺技术。现总结如下：

焙烧炉的正常操作并不很难，主要只要调节风量和矿量两项，如果

情况清楚了掌握了要领，便能得心应手，控制自如。但是若麻痹大意，不搞清各个因素相互间的关系，也可能会操作失措，不知所以，以致贻误时间，造成事故，带来不必要的损失。尤其是焙烧炉的反应迅速，变化很快，不冷静和认真操作是不行的。

首先谈谈焙烧炉操作的几点原则：

1、要掌握焙烧炉运行的全面情况

不仅仅是掌握好几个工艺指标问题，还要掌握入炉原料变化情况、排渣情况、炉前风量以及锅炉、冷却、除尘设备等，还有后序工序是否正常运行都可能影响炉子的稳定运行。

2、养成对各个指标、各个因素综合分析的习惯

不要看到了炉子的温度、压力变化就去轻易调节炉前风量，其实更应该从投矿量、排渣等因素去考虑。有时炉子温度高了偏偏只能减矿不宜减风，而炉子出口温度偏低却要增加炉底压力也不是调节风量。所以要将各个因素综合分析，而光凭不全面的经验，就难免顾此失彼，产生误操作。

3、要抓住主要矛盾、并养成过细的作风

在正常生产过程中遇到问题时，一定要分清主次，知道问题的根源所在。全面细致地了解情况，冷静分析，将问题真正搞清，耐心比急躁好几百倍，分析问题只能“去伪存真”，才能“由表及里”。有时因为设备出了问题，如焙烧炉内风帽损坏，空气室内漏入矿灰，使压力表堵塞，引起炉底压力异常，如果不找到真正原因，而在工艺上分析肯定会适得其反。

4、提倡一个“勤”字，要作预见性调节

操作调节动作要小，不能怕麻烦，要逐步调节，不是在不得已情况

下不作大幅度调节，每次调节后要先观察出变化，然后再作第二步动作。不要一次变动几个因素将情况搞乱。只有勤观察、勤思考分析，才能做到准确地预见性调节，使炉子听你指挥，操作上才能达到一个“稳”字。

下面具体谈谈使用不同矿种硫铁矿原料生产的一些经验：

1、焙烧中低品位硫铁矿

（1）中低品位硫铁矿的组成及特性

中低品位硫铁矿由公司磷矿石精选磷后副产硫精砂（含硫33-35%）与外购中品位硫铁矿浮选后的尾砂（含硫10%）混合配矿而成。混合矿含硫25-30%，矿粒度细，杂质含量高（主要是粘土），滤水性差，自然堆放不易变干。由于尾矿品位波动大，所以混合矿品位稳定性差。另外本装置原料矿库为公司原有20吨锅炉干煤棚改造而成，库容量小（3000t 左右），又无干燥系统。这样导致入炉矿含水量常高达10%左右，入炉矿进入焙烧炉只能用φ25 mm筛网过筛，有时甚至用φ30 mm筛网过筛。从入炉料仓可以看到入炉矿中有大量泥团，有时还有一部分小石子。

（2）生产中存在的问题

由于入炉混合矿具有品位稳定性差、品位低、含水量高等特性，导致了焙烧炉下料口经常堆积，生产难以稳定。另外还造成灰渣量大，且不稳定，冷却滚筒冒灰严重。该装置原设计使用的是高品位硫铁矿，按100%设计负荷生产时，系统的灰渣量只有7.53t /h（干基）。而改用这种中低品位矿后,要想维持100%设计负荷生产，投矿量就要达到20 t /h（干基），实物投矿量为22.22 t /h，并且这种中低品位硫铁矿的烧渣产率高达78.04%，灰渣量达17.34t /h（干基），这已远远超出了原有的设计值。只能通过降负荷的办法维持生产，此时灰渣量还是达到15.60t /h（干基），

并且这种含粘土的烧渣比重轻，体积大，亲水性差，冷却滚筒增湿段调水困难，不是拉稀就是冒灰，既严重污染了生产环境，又损伤托辊、皮带等设备，装置不能长周期稳定均衡生产，生产一度陷入非常被动的局面。

（3）生产工艺的调整与优化

着眼于公司利益，适应市场变化，使用多种硫铁矿入炉焙烧生产是必由之路。生产实际表明入炉硫铁矿品位的较大波动导致了投矿量变化频繁，入炉硫铁矿的粒度粗细不均匀导致了底压的较大波动，最后导致高位排渣溢流量的较大变化，是灰渣量不稳定的主要原因。采取关闭高位排渣口，通过低位排渣口控制底压，用人工拖渣的措施，虽然能减轻冷却滚筒负荷，改善操作条件，但操作劳动强度太大，且环境恶劣。

为解决出渣量不稳定及下料口堆积的生产工艺技术问题，经过生产工艺分析，采取改变低位排渣进入冷却滚筒的管道直径、新增插板阀及备用中间开不同圆心孔插板等有效措施，将低位排渣插板阀的开度由时常变化改为一个固定的开度，能够稳定地控制低位排渣量。采取调整高位排渣溢流口的高度，焙烧炉沸腾层高度增加了0.2m，焙烧炉稳定性变强、热容量增加、矿砣不易沉底而在炉料中受热炸开，在下料口处有堆积时采用压缩空气及时将堆积矿捅开，很好地解决了下料口堆积问题；同时加快了底压的上涨速度，从而增加了低位排渣量，使得炉内粗粒级矿渣能及时排走，保证了焙烧炉良好的沸腾状态。使用不同开孔直径的低位排渣插板，能方便调节沸腾炉内的排渣量，将焙烧炉底压控制在一个相对稳定的范围，稳定了焙烧系统生产控制，整个硫酸装置生产也进入良性循环。

2、焙烧高品位硫铁矿掺配低含硫量铁矿的混合矿

2008年由于铁矿石价格上涨，高品位硫铁矿烧渣（含铁63%）价格也上涨迅猛，为获取最大的经济效益，当时公司购进了一批低含硫量的铁矿石，并将此矿与高品位硫铁矿混配入炉焙烧，以提高硫铁矿烧渣产量。

低含硫量铁矿的主要成分如下表：

低含硫量铁矿烧渣实验数据如下表:

以上数据表明低含硫量铁矿是一种高氟、高铁、低硫含量的铁矿，并且此矿的烧渣产率相对较高。高品位硫铁矿中掺配一定量的此矿，无疑会给公司带来较好的经济效益。

（1）低含硫量的铁矿特性

此矿具有磁硫铁矿的特性，在堆放及运输的过程中易发生结团现象。在室外自然堆积状态下，能氧化发热甚至可以自燃，在沸腾炉内发热量较高，并且实际生产中也表现出了磁硫铁矿的特性。

（2）生产存在的问题

我公司是在全烧高品位硫铁矿（含硫47%左右），（当时负荷为430t/d，炉温为880－900℃）后转烧高品位矿掺配此矿的，掺配比3：2（混合矿含硫35%左右）。该混合矿入炉焙烧后炉温上升，虽然生产控制负荷到400t/d左右，但炉温还是涨到了930－960℃，说明此矿发热

量较普通硫铁矿高。我们通过观察炉子冷灰口排渣发现排出的底渣较粗，大的有10mm左右，一般也有6mm，颗粒为轻微疏松结构，里面呈黑色，表面呈红色壳状。这说明此矿反应缓慢，在给料部分形成的二次矿团在炉内表层氧化结壳后，矿团里面不能完全炸开而散开，在出渣皮带取样测得烧出率急剧下降，烧出率只有98％。沸腾炉下料口处有沉砂，且焙烧炉温度出现波动。

（3）生产工艺调整与优化

为防止焙烧炉发生严重积冷灰，保证焙烧炉正常稳定生产，我们采取关闭焙烧炉的正常高位溢渣口，全部通过低位排渣，提高炉底压力，并控制排渣的速度；采用更小网孔的原料筛；在两个下料口处各增加一根压缩空气管（气压为5kgf/cm2），以吹扫下料口附近的冷砂，加快冷砂至炉子中心的速度等措施，稳定了炉内下料口处温度，下料口处沉砂也明显减少，焙烧炉正常稳定运行。为了防止焙烧炉底部温度超标采取了两个方面的措施：一是准备水枪，在底温超过950℃时向炉内喷水，以降低底温；二是降低底风，使渣的颜色接近黑色，按磁性焙烧气氛控制。通过这两个措施很好地解决了炉底温度超标的问题。

掺配含硫量低的铁矿主要是通过混配掺烧得到高铁含量的硫铁矿烧渣，进而提高经济效益。在使用这种易结块磁硫铁矿生产而系统本身又没有很好的破碎系统时，要注意该矿不要长久堆放，即买即用。如果有条件最好进行破碎筛分，保证入炉矿的粒度粗细在指标范围之内。

3、焙烧选硫后的尾砂掺配硫磺的混合矿

通过效益对比，使用高品位硫铁矿焙烧制酸工艺要优于使用中低品位硫铁矿焙烧制酸工艺。我公司调整原料矿结构，将公司自产的精选磷

后副产的硫精砂再次精选得到高品位硫精砂（含硫≥48%），作为高品位矿直接入炉供28万吨/年硫铁矿制酸装置使用。同时为了充分利用硫资源，决定选硫后的尾砂（含硫10%）直接掺配价格稍低的硫磺，使入炉混合矿硫含量在35%左右，供12万吨/年硫铁矿制酸装置使用。

（1）尾砂的特点

受选硫工艺的影响，尾砂含硫不均匀，品位波动大；尾砂大部分为粘土，粒级分布不均匀，粗粒级和细粒级量大，中间粒级量少；疏水性差，即使堆存一年，尾砂堆中间仍然含水量高；容易板结，进炉时矿团多，入炉后矿团不能完全散开。

（2）生产中存在的问题

焙烧尾砂掺配硫磺的混合矿的最大问题是焙烧炉沸腾不良。主要原因是尾砂细粒级量较大，焙烧生产时大部分以矿灰的形式从炉子出口随气流而出，留在焙烧炉内的较少。即使关闭高位溢渣口，底压也上升缓慢，导致低排排渣量不足，炉内粗颗粒多，积冷灰，下料口堆积。

（3）生产工艺调整与优化

为解决焙烧此混合矿存在的问题，采取以下措施：首先将低位排渣改成人工用斗车排底渣，待底渣冷却后过4mm筛网筛分，将筛分后粒级符合要求的底渣掺入原料中，再次入炉生产，由于加入这种粒级稍粗的底渣后底压上涨较快，控制底压在合适的范围内，最后再通过低位排渣口由人工用斗车排渣，如此循环，焙烧炉内的沸腾状况趋于正常稳定。

尾砂成功掺烧硫磺即提高了装置的生产负荷，又充分利用了硫资源。尾砂成功掺烧硫磺不仅给公司创造了良好的经济效益，还有效保护了生态环境。

四、结论

硫酸生产装置焙烧炉都是针对某一种特定矿种而设计的。但在实际生产中，由于种种原因，最后入炉的矿与原设计的矿种会有很大的变化，作为生产管理者要从影响焙烧炉操作的主要因素：矿含硫、矿含水、矿的粒度、入炉风量等条件入手，仔细分析，认真寻找解决问题的最佳途径。只有这样，才能使装置对原料矿的适应性更强，操作弹性也更大，硫酸装置长周期均衡稳定运行就成为必然。

中国石油和化工勘察设计协会硫酸和磷肥设计专委会

暨全国化工硫酸和磷肥设计技术中心第十三次年会

《论文集》

2010年10月厦门