旋渦熔煉

旋渦熔煉是細粒爐料和粉狀燃料隨高速氣流沿旋渦室的切線方向進入，並在旋渦室內的旋流中迅速完成主要冶金反應的熔煉方法。屬閃速熔煉範疇。由於爐料成分和氣相間的反應速度大，因而是一種能強化冶金過程的熔煉方法。它的生產能力比常規的鼓風爐熔煉大得多。

基本介紹

• 中文名：旋渦熔煉
• 外文名：cyclone smelting
• 含義：強化冶金的工藝過程
• 學科：冶金工程
• 設備：旋渦熔煉爐
• 優點：熱強度大

旋渦熔煉的原理

旋渦爐燃燒技術是由旋風燃燒技術發展而來的，是液態排渣爐的一種。它是在圓柱形旋風筒內組織的一種溫度可控制的高速旋轉火焰流，火焰充滿整個燃燒空間，爐料從爐體頂部加入旋渦爐內，經切線風送入和空氣作強烈的螺旋運動，大部分爐料顆粒甩向旋風筒內壁灼熱的熱熔渣膜上，使爐料顆粒與氣流之間有很高的相對速度，燃燒十分強烈，使旋渦爐的容積熱強度大於一般煤粉爐，對燃燒中碳的燃盡起很大作用，因此旋渦爐灰渣(即水淬渣)中可燃物極少，燃燒狀態好的情況下接近於零，較細的爐料在旋風筒中進行懸浮狀燃燒。由於筒內的高溫和高速旋轉氣流，使其燃燒十分強烈並使渣因高溫融化而黏在筒壁上，形成液態渣膜，液態渣向下經隔膜流出筒外，形成液態排渣。液態排渣到粒化箱水中遇水粒化成水淬渣，衝到沉渣池。

旋渦熔煉系高溫快速的火法強化冶金過程。其基本原理是利用爐料在旋渦爐強烈燃燒產生的高溫(>1300℃)和爐壁弱的還原性氣氛，爐料中的鉛、鋅、銀等金屬氧化物被還原呈氣態形成煙塵進入爐氣。在冷卻過程中，爐氣中的金屬又與氧結合生產金屬氧化物，懸浮在爐氣中，最後由收塵裝置捕集而獲得含鉛、鋅、銀的煙塵，不揮發的金屬銅、鐵隨渣從渣口排出。

工藝特點

旋渦熔煉的優點

(1)熱強度大，回收率高。由於旋風筒內高速旋轉火焰射流，在燃燒空間內有極其強烈的擾動，有良好的傳熱傳質條件，使燃料顆粒完全處於擴散燃燒過程，在高溫的燃燒溫度作用下，金屬化學冶金過程迅速充分，使金屬回收率高，鉛、鋅、銀的回收率達到了90%、80%、75%。

(2)燃燒穩定。爐料進入旋風筒內黏附在熔渣膜上，故爐料在筒內有相當大的滯留時間，因而在燃燒室內蓄積相當多的熱量，有助於維持燃燒過程的連續性。

(3)餘熱得到充分利用。由於燃燒原料是殘渣球，無需添加其他燃料，就可實現熱平衡，完成冶煉過程。既減少環境污染，又可使餘熱得到充分利用。

(4)主體設備簡單，鍋爐尺寸緊湊，處理能力大，工業過程連續，生產便於實現機械化、自動化。

旋渦熔煉的不足

(1)能耗高。旋風筒內高速旋渦氣流使流動阻力劇增，必須採用高壓頭風機，同時相應配套的制粉系統也消耗一定的能量。

(2)工藝複雜，製造費用高。原料製備、旋渦熔煉、鍋爐運行及化學水製備等多套工藝相互關聯，工藝較複雜，旋渦爐結構複雜，銷釘焊接工作量大，製造費用較高。

(3)熔渣物理熱損失高。旋渦爐的燃燒經濟性較高，但50%的產渣率使熔渣熱量排掉，熱損失較高。

雖然旋渦爐有以上缺點，但綜合優勢是其他爐型或方式無法比擬的。它同樣可適用於銅冶煉、燃煤及處理其他冶煉殘渣，具有廣闊的發展前途。

旋渦熔煉燃燒的過程

爐料從爐頂加人爐內後接受爐內輻射熱和煙氣回流熱量，因為殘渣在鋅冶煉過程後已沒有揮發分，這與其他燃料首先是揮發分揮發著火不同。爐料中的炭接受熱量直接迅速燃燒，沒有預熱過程。固定碳燃燒需要大量的氧來助燃，此時切向進入的熱風，不但使爐料得到充足的氧，而且隨熱風旋轉使爐料與空氣充分地接觸。

爐料顆粒在旋風筒內的燃燒過程分為空間和壁上兩種情況。爐料中的細料部分在旋渦流場中保持懸浮狀態，很快燃盡。而大部分大顆粒的燃燒主要是在簡體壁面上完成的。這部分爐料黏在筒壁熔渣膜表面燃燒，所以壁上燃燒過程也可稱作“熔渣膜燃燒”過程。

由於爐料顆粒大小不同，因而它們的運動軌跡和在筒內滯留時間也不同。顆粒群體在空間分離過程中不是全部顆粒都可以達到筒壁，卻都是向筒壁接近，因而在筒壁附近爐料的濃度比較大。相對來說空氣卻顯不足，即形成了以CO為主的弱的還原性氣氛區域。在這個區域內，在高溫的作用下，爐料中的鉛、鋅、銀等金屬氧化物揮發被還原成氣態單質金屬進入爐氣中。爐氣在向富氧區流動時，又與氧結合重新生成金屬氧化物溶人煙塵中，實現了與爐料的分離。而不揮發的其他金屬和脈石則隨渣流經渣口排出。主要化學反應方程式為：

2C+O₂=2CO

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

旋渦熔煉爐

旋渦熔煉爐首先用於銅鋅精礦的熔煉研究。1964年在蘇聯建成了第一台半工業性氧氣旋渦電熱爐，這種旋渦爐至1973年經逐步完善後可用來熔煉銅鋅、銅鎳及含有銅、鋅、鉛、鎳、錫等伴生金屬的原料。在蘇聯，到70年代中期改為熔煉鉛鋅精礦，並已將旋渦爐改為閃速熔煉豎爐。聯邦德國在前蘇聯技術的基礎上發展成一種連續頂吹熔煉法(CONTOP)。CONTOP法即旋渦熔煉和頂吹技術結合的熔煉方法，先後用來熔煉複雜的銅精礦、低硫錫精礦及各種爐渣。1975年在玻利維亞建成了一座CONTOP法煉錫廠。1988年在智利建成投產了日處理620t銅精礦的CONTOP法煉銅廠。

旋渦熔煉爐一般由旋渦室(或稱旋渦爐)、沉澱池及上升煙道三部分組成，類似於閃速爐，只是將閃速爐的反應塔改為旋渦室。旋渦室形狀目前大體上可以分為筒型和半錐型兩種。最初的旋渦爐外面為鋼殼層水套內襯耐火材料，實踐證明現採用全水套結構對熔煉更有利。與常規的鼓風爐比較，旋渦爐具有結構簡單、體積小、單位熱負荷大、處理物料量大的特點。

一般將粒度小於1mm、含水低於1%～2%的細顆粒固體物料從爐頂或爐子一側隨一次空氣以約20～40m/s速度噴入旋渦室內，二次空氣沿旋渦室的切線方向以約100m/s速度噴入而產生了高速旋轉流，爐料的質交換和熱交換都非常強烈，小小的旋渦室空間便能迅速完成焙燒和熔煉反應。粗顆粒由於離心力的作用加速到達爐壁，在那裡形成熔融狀黏膜，並緩慢地向下流入沉澱池。熔融狀黏膜的緩慢流動。延長了爐料在旋渦室的停留時間，有助於爐料反應完全，同時也起到了保護爐壁的作用。