[科普中国]-旋涡熔炼

旋涡熔炼的原理

旋涡炉燃烧技术是由旋风燃烧技术发展而来的，是液态排渣炉的一种。它是在圆柱形旋风筒内组织的一种温度可控制的高速旋转火焰流，火焰充满整个燃烧空间，炉料从炉体顶部加入旋涡炉内，经切线风送入和空气作强烈的螺旋运动，大部分炉料颗粒甩向旋风筒内壁灼热的热熔渣膜上，使炉料颗粒与气流之间有很高的相对速度，燃烧十分强烈，使旋涡炉的容积热强度大于一般煤粉炉，对燃烧中碳的燃尽起很大作用，因此旋涡炉灰渣(即水淬渣)中可燃物极少，燃烧状态好的情况下接近于零，较细的炉料在旋风筒中进行悬浮状燃烧。由于筒内的高温和高速旋转气流，使其燃烧十分强烈并使渣因高温融化而黏在筒壁上，形成液态渣膜，液态渣向下经隔膜流出筒外，形成液态排渣。液态排渣到粒化箱水中遇水粒化成水淬渣，冲到沉渣池。

旋涡熔炼系高温快速的火法强化冶金过程。其基本原理是利用炉料在旋涡炉强烈燃烧产生的高温(>1300℃)和炉壁弱的还原性气氛，炉料中的铅、锌、银等金属氧化物被还原呈气态形成烟尘进入炉气。在冷却过程中，炉气中的金属又与氧结合生产金属氧化物，悬浮在炉气中，最后由收尘装置捕集而获得含铅、锌、银的烟尘，不挥发的金属铜、铁随渣从渣口排出。1

工艺特点旋涡熔炼的优点(1)热强度大，回收率高。由于旋风筒内高速旋转火焰射流，在燃烧空间内有极其强烈的扰动，有良好的传热传质条件，使燃料颗粒完全处于扩散燃烧过程，在高温的燃烧温度作用下，金属化学冶金过程迅速充分，使金属回收率高，铅、锌、银的回收率达到了90%、80%、75%。

(2)燃烧稳定。炉料进入旋风筒内黏附在熔渣膜上，故炉料在筒内有相当大的滞留时间，因而在燃烧室内蓄积相当多的热量，有助于维持燃烧过程的连续性。

(3)余热得到充分利用。由于燃烧原料是残渣球，无需添加其他燃料，就可实现热平衡，完成冶炼过程。既减少环境污染，又可使余热得到充分利用。

(4)主体设备简单，锅炉尺寸紧凑，处理能力大，工业过程连续，生产便于实现机械化、自动化。

旋涡熔炼的不足(1)能耗高。旋风筒内高速旋涡气流使流动阻力剧增，必须采用高压头风机，同时相应配套的制粉系统也消耗一定的能量。

(2)工艺复杂，制造费用高。原料制备、旋涡熔炼、锅炉运行及化学水制备等多套工艺相互关联，工艺较复杂，旋涡炉结构复杂，销钉焊接工作量大，制造费用较高。

(3)熔渣物理热损失高。旋涡炉的燃烧经济性较高，但50%的产渣率使熔渣热量排掉，热损失较高。

虽然旋涡炉有以上缺点，但综合优势是其他炉型或方式无法比拟的。它同样可适用于铜冶炼、燃煤及处理其他冶炼残渣，具有广阔的发展前途。

旋涡熔炼燃烧的过程炉料从炉顶加人炉内后接受炉内辐射热和烟气回流热量，因为残渣在锌冶炼过程后已没有挥发分，这与其他燃料首先是挥发分挥发着火不同。炉料中的炭接受热量直接迅速燃烧，没有预热过程。固定碳燃烧需要大量的氧来助燃，此时切向进入的热风，不但使炉料得到充足的氧，而且随热风旋转使炉料与空气充分地接触。

炉料颗粒在旋风筒内的燃烧过程分为空间和壁上两种情况。炉料中的细料部分在旋涡流场中保持悬浮状态，很快燃尽。而大部分大颗粒的燃烧主要是在简体壁面上完成的。这部分炉料黏在筒壁熔渣膜表面燃烧，所以壁上燃烧过程也可称作“熔渣膜燃烧”过程。

由于炉料颗粒大小不同，因而它们的运动轨迹和在筒内滞留时间也不同。颗粒群体在空间分离过程中不是全部颗粒都可以达到筒壁，却都是向筒壁接近，因而在筒壁附近炉料的浓度比较大。相对来说空气却显不足，即形成了以CO为主的弱的还原性气氛区域。在这个区域内，在高温的作用下，炉料中的铅、锌、银等金属氧化物挥发被还原成气态单质金属进入炉气中。炉气在向富氧区流动时，又与氧结合重新生成金属氧化物溶人烟尘中，实现了与炉料的分离。而不挥发的其他金属和脉石则随渣流经渣口排出。主要化学反应方程式为：

2C+O2=2CO

ZnO+CO—zn +CO2
PbO+CO—Pb+CO2
CuO+CO—Cu +CO2
GeO2+2CO=Ge +2CO2

旋涡熔炼炉旋涡熔炼炉首先用于铜锌精矿的熔炼研究。1964年在苏联建成了第一台半工业性氧气旋涡电热炉，这种旋涡炉至1973年经逐步完善后可用来熔炼铜锌、铜镍及含有铜、锌、铅、镍、锡等伴生金属的原料。在苏联，到70年代中期改为熔炼铅锌精矿，并已将旋涡炉改为闪速熔炼竖炉。联邦德国在前苏联技术的基础上发展成一种连续顶吹熔炼法(CONTOP)。CONTOP法即旋涡熔炼和顶吹技术结合的熔炼方法，先后用来熔炼复杂的铜精矿、低硫锡精矿及各种炉渣。1975年在玻利维亚建成了一座CONTOP法炼锡厂。1988年在智利建成投产了日处理620t铜精矿的CONTOP法炼铜厂。

旋涡熔炼炉一般由旋涡室(或称旋涡炉)、沉淀池及上升烟道三部分组成，类似于闪速炉，只是将闪速炉的反应塔改为旋涡室。旋涡室形状目前大体上可以分为筒型和半锥型两种。最初的旋涡炉外面为钢壳层水套内衬耐火材料，实践证明现采用全水套结构对熔炼更有利。与常规的鼓风炉比较，旋涡炉具有结构简单、体积小、单位热负荷大、处理物料量大的特点。

一般将粒度小于1mm、含水低于1%～2%的细颗粒固体物料从炉顶或炉子一侧随一次空气以约20～40m/s速度喷入旋涡室内，二次空气沿旋涡室的切线方向以约100m/s速度喷入而产生了高速旋转流，炉料的质交换和热交换都非常强烈，小小的旋涡室空间便能迅速完成焙烧和熔炼反应。粗颗粒由于离心力的作用加速到达炉壁，在那里形成熔融状粘膜，并缓慢地向下流入沉淀池。熔融状粘膜的缓慢流动。延长了炉料在旋涡室的停留时间，有助于炉料反应完全，同时也起到了保护炉壁的作用。2