CN103453774A - 内旋流混合型冶金喷嘴 - Google Patents

Abstract

内旋流混合型冶金喷嘴，包括由外到内套装且共中心轴线的空气腔(1)、调风锥(2)、冷却水套(3)、内旋通道(4)和点火筒(5)，空气腔(1)底侧壁面(11)为倒圆锥台侧壁面，且和调风锥(2)底侧壁面(21)平行，内旋通道(4)底部周向均布旋流片(41)，旋流片(41)与半径交角15°～75°，点火筒(5)底部为钝体(51)，钝体(51)顶面和旋流片(41)底面平齐，钝体(51)底面直径比冷却水套(3)内径小10mm～15mm，钝体(51)水平中截面和冷却水套(3)底面平齐。铜铅镍锌精矿粉大投料量闪速熔炼可使用。发明气粒混合均匀，无生料堆和炉结，塔上部温度提高；投料量达到400吨／时，塔外壁温度<100℃，氧气利用率>98.5％，烟尘率<5％，渣含铜<0.5％。

Description

内旋流混合型冶金喷嘴

技术领域  发明涉及一种具有“精矿粉通道内侧纯氧旋流卷吸精矿粉混合和借助环状空气射流保护反应塔壁免遭高温粒子冲刷”等技术特征的内旋流混合型冶金喷嘴，适用于以粉料为原料进行大投料量空间熔炼反应的铜、铅、镍、锌冶炼领域使用。

背景技术  闪速炉冶炼铜、铅、镍、锌精矿粉，经济效益良好、节能环保效益显著。充分发挥现有闪速炉设备生产潜力，进行大投料量闪速冶炼，是闪速冶炼企业提高市场竞争力的关键。文丘里喷嘴或中央扩散式喷嘴(两者结构特征和技术特点完全不同)是闪速冶炼关键核心设备。就生产能力而言单个中央扩散式喷嘴能达到4个及以上文丘里喷嘴相同效果。工业实践表明：中央扩散式喷嘴大投料量闪速冶炼时需要解决工艺风与精矿粉掺混不均匀，局部炉温偏低、炉温分布不均匀，熔炼反应不充分，氧利用效率低，出现“生料”等问题。

如附图2所示，中央扩散式喷嘴主要包括由外到内顺序套装且共中心轴线的空气腔1、调风锥2、冷却水套3和分布器6，冷却水套3底面向下延伸至反应塔内，与反应塔内腔顶面距离h大于调风锥2底侧壁面21高度，分布器6包括中央氧管61、分散风管62和分散锥63，分散锥63底侧壁面开设均匀布置的众多分散风孔631。沿冷却水套3外壁面，调风锥2可上下移动以调节工艺风速度。为了强化气粒混合效果，设置环状工艺风、中央氧和众多径向分散风。在冷却水套3作用下工艺风为平行于塔中心向下垂直环状射流。从分散风孔631沿半径方向由内向外水平高速喷出的众多小股分散风以气力输送方式将精矿粉均匀分散到工艺风中。冷却水套3延伸至反应塔内，塔内分散风孔631出口附近区域为气粒混合区。冶炼实践和实验表明：这种喷嘴气粒混合效果取决于分散风动量大小。小投料量时分散风和工艺风动量作用易匹配，在分散风孔631附近区域易于气粒混合均匀，但在大投料量时工艺风动量大，分散风动量小且衰减快，以致于分散风不能将精矿粉送入工艺风射流中，导致精矿粉集中于反应塔中心轴线区域且限制于工艺风射流圈内，出现“反应塔中心料柱+料柱外围环状工艺风射流”等问题，炉况变差。更为重要的是冶炼现场通常只能供应小流量大静压分散风，大投料量时要求的大流量大静压分散风在经济技术上缺乏可行性。

专利200880105946.7(CN101809175A)和专利US20100207307A1，公开了一种中央扩散式喷嘴，空气腔为“圆筒+倒圆锥筒”组合体，倒圆锥筒内壁设置旋流导流片，在外界驱动力作用下全部工艺风切向进入空气腔圆筒空间，加上倒圆锥筒内壁导流片作用，在空气腔出口形成旋流工艺风进入反应塔，气粒混合安排在塔内。这种喷嘴没有工业应用报道。使全部工艺风旋转起来花费大，在经济技术上缺乏可行性。另外，精矿粉在内、工艺风在外，工艺风旋转后会加速工艺风和精矿粉的分层分离，使得气粒混合效果变差。

专利201210028963.3(公开号102560144A)公开了一种大投料量闪速冶炼使用的双旋流预混型冶金喷嘴。此喷嘴保留附图2中央扩散式喷嘴原有的分布器结构，去除冷却水套，在工艺风和精矿粉之间增设旋流通道，旋流通道底面位置上移至空气腔内。另外，设置分散风旋流喷吹。此喷嘴在中央扩散式喷嘴通过众多分散风射流垂直将精矿粉输送到工艺风中实现气粒混合的基础上，在精矿粉外围增设旋流通道，通入旋流通道的气流为除分散风之外的另一个辅助气流，该辅助气流和分散风静压相同，即增加借助大静压辅助气流旋流离心力作用强化气粒混合。这种喷嘴一方面高压气流在精矿粉外围旋流运动，离心力作用会促使气粒分层分离，离心力不能给精矿粉粒子施加推动力，另一方面垂直向下外围工艺风射流会消弱紧邻的大静压辅助气流旋流作用。旋流通道出口面积大，加上旋流要求的大速度，导致辅助气流须是大静压大流量气流，而大静压大流量气流供应在技术经济上缺乏可行性。和附图2喷嘴相比较，垂直向下的环状工艺风射流大动量作用没有被削弱，精矿粉送进工艺风的难度没有降低。分散锥侧壁薄，分散锥侧壁分散风通道切向导流作用不大，在分散锥附近区域难以形成气粒混合物旋流运动。这种喷嘴在原有的多股气流基础上又增加一股辅助气流，喷嘴管道变得更复杂，喷嘴日常运行管理工作量增加。

开发结构简单、调控性好、气粒混合均匀、适合于大投料量闪速冶炼使用的精矿喷嘴技术和装置，具有良好的经济、节能环保和社会效益。

发明内容  为了克服中央扩散式喷嘴在大投料量时借助分散风气力输送作用难于将精矿粉均匀混合到工艺风中，气粒混合不均匀、出现“生料堆”等缺点，发明公布一种去掉中央扩散式喷嘴分布器，去掉分散风和中央氧作用，精矿粉通道中心设置纯氧气流旋流通道，以满足大投料量闪速冶炼需要的内旋流混合型冶金喷嘴。

内旋流混合型冶金喷嘴，主要包括由外到内顺序套装且共中心轴线的空气腔1、调风锥2和冷却水套3，空气腔1底侧壁面11为倒置式圆锥台侧壁面，调风锥2底侧壁面21为倒置式圆锥台侧壁面，空气腔1底侧壁面11和调风锥2底侧壁面21相互平行，调风锥2底侧壁面21和空气腔1底侧壁面11之间的空间为空气通道，调风锥2内壁面紧贴冷却水套3外壁面且可以上下移动，下移到最底位置时将空气通道完全切断，冷却水套3底面伸入反应塔内，冷却水套3底面离反应塔内腔顶面距离大于调风锥2底侧壁面21高度，冷却水套3内腔设置由外到内顺序套装且和冷却水套3共中心轴线的内旋通道4和点火筒5，内旋通道4为由内外两个圆筒围成的圆环形通道，圆环形通道为纯氧气流通道，圆环形通道底部周向均匀设置众多的呈螺旋状的旋流片41，旋流片41和水平截面的相交线和过该相交线中点的半径交角为15°～75°，内旋通道4内圆筒内壁面紧贴点火筒5外壁面，点火筒5底部为呈圆锥台状的中空的钝体51，钝体51顶面和内旋通道4旋流片41底面处于同一水平面上，冷却水套3内壁面和内旋通道4外圆筒外壁面之间的空间为精矿粉通道，点火筒5钝体51底面直径比冷却水套3内径小10mm～15mm，钝体51水平中截面和冷却水套3底面处于同一水平面上。

以粉料为原料进行空间熔炼反应的铜、铅、镍、锌闪速冶炼领域，都可以使用本发明。

发明经济、节能环保和社会效益显著。气粒混合充分均匀，冶炼反应完全，氧气利用率高，避免了“生料堆”和炉结的产生，增强了炉况的稳定性，降低了闪速炉检修损失；提高了反应热效率，反应塔上部温度得到提高。喷嘴投料量400吨／时，反应塔外壁面温度低于100℃，氧气利用率提高到98.5％以上，烟尘率降低到5％以下，炉渣含铜降低至0.5％以下，冰铜和炉渣流动性良好，冰铜和炉渣分离效果良好。

附图说明

图1为内旋流混合型冶金喷嘴结构示意图，图2为中央扩散式喷嘴结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对发明作进一步的说明。

如附图1所示，内旋流混合型冶金喷嘴，主要包括由外到内顺序套装且共中心轴线的空气腔1、调风锥2、冷却水套3、内旋通道4和点火筒5，点火筒5位于喷嘴中心，点火筒5之外是冷却水套3，冷却水套3之外是调风锥2，调风锥2之外是空气腔1。空气腔1底侧壁面11为倒置式圆锥台侧壁面，调风锥2底侧壁面21为倒置式圆锥台侧壁面，调风锥2底侧壁面21和空气腔1底侧壁面11相互平行。调风锥2内壁面紧贴冷却水套3外壁面，沿冷却水套3外壁面调风锥2可以上下移动，调风锥2下移到最底位置时将空气通道堵死。冷却水套3底面伸入反应塔内，冷却水套3底面离塔内腔顶面的距离大于调风锥2底侧壁面21高度。内旋通道4为由内外两个圆筒围成的圆环形通道，圆环形通道底部沿周向均匀设置众多的呈螺旋状的旋流片41，旋流片41与内旋通道4内圆筒外壁面、外圆筒内壁面满焊连接，旋流片41和水平截面的相交线和过该相交线中点的半径交角为15°～75°。内旋通道4内圆筒内壁面紧贴点火筒5外壁面。点火筒5包括底部呈圆锥台状的中空的钝体51，钝体51顶面和内旋通道4旋流片41底面处于同一水平面上。点火器沿点火筒5中心轴线穿过点火筒5伸出钝体51底面以外。点火筒5钝体51底部设有水冷盘，冷却水进出管置于点火筒5内，水冷盘可以保护点火筒5钝体51免受气流高温腐蚀和颗粒高温冲刷腐蚀。点火筒5钝体51底面直径比冷却水套3内径小10mm～15mm，钝体51连同内旋通道4一起，可以从冷却水套4内取出，以便点火筒5钝体51安装和维修。钝体51水平中截面和冷却水套3底面处于同一水平面上。空气通道里流动的空气可以冷却空气腔1和调风锥2，使两者免受塔内高温的影响。

组成工艺风的空气和纯氧分开供给，纯氧在工艺风中占50％～60％，表压为5～20kPa。调风锥2底侧壁面21和空气腔1底侧壁面11之间的空间为空气通道，内旋通道4内外圆筒围成的圆环状空间为纯氧通道，没有中央氧通道，冷却水套3内壁面和内旋通道4外圆筒外壁面之间的空间为精矿粉通道。空气通道、纯氧通道和精矿粉通道顶部互不联通，精矿粉通道底部和纯氧通道出口相联通，精矿粉通道出口和空气通道出口相联通。

内旋流混合型冶金喷嘴为悬挂式冶金喷嘴，垂直安装于反应塔顶面上，喷嘴中心轴线和反应塔中心轴线重合。喷嘴位于反应塔顶外，沿反应塔顶面中心垂直安装。安装喷嘴时，首先在反应塔顶面中心区域垂直安装空气腔1，将调风锥2套在冷却水套3外壁面上组合成一体，吊进空气腔1里，调整冷却水套3底面在反应塔内的高度，然后垂直安装固定好冷却水套3。将内旋通道4和点火筒5的组合体吊进冷却水套3圆筒内，然后调整好点火筒5钝体51在反应塔里的高度。为了确保冶金喷嘴运行安全，空气腔1和冷却水套3的重量均由车间里处于室温环境的承重钢结构承担，冷却水套3重量不传递到空气腔1上，空气腔1重量不传递到反应塔顶面上。停炉维修时，可先从点火筒5里往上抽出点火器，然后往上移出点火筒5和内旋通道4组合件，最后往上移出冷却水套3和调风锥2组合件。

精矿粉经给料系统均匀向下流进精矿粉通道。在精矿粉通道水平截面上精矿粉沿圆周方向均匀分布，无局部、径向和周向不均匀分布现象发生。纯氧气流被鼓入内旋通道4，在内旋通道4旋流片41导流作用下，以100m／s速度高速旋流喷出。在纯氧气流旋流托起和卷吸作用下，精矿粉通道落下的精矿粉不断地进入旋流纯氧气流中，完成气粒混合过程。在冷却水套3导流作用下，空气射流为平行于反应塔中心轴线垂直向下环状射流。在环状空气射流作用下，气粒旋流混合物螺旋下行，气粒旋流混合物运动区域因环状空气射流限制而被固定在塔中心区域。离开内旋通道4旋流片41的纯氧气流高速旋流，给氧气分子扩散至精矿粉中施加横向驱动力。另外，纯氧气流在内、精矿粉在外，精矿粉自身垂直向下的重力作用促使精矿粉落入纯氧气流中。点火筒5钝体51可以避免精矿粉自由落入塔中心区域。环状空气射流可以引导气粒旋流混合物离开点火筒5钝体51后继续旋流，可以延长精矿粉在反应塔内的停留时间，可以将气粒旋流混合物和塔内壁分隔开，防止从塔中心区域逃逸出来的高温粒子冲刷腐蚀塔内壁。喷嘴气粒混合为纯氧气流和精矿粉直接混合，喷嘴气粒混合驱动力为纯氧旋流离心力和精矿粉重力。

发明结构特征、技术特征及带来的技术效果详细描述如下：

发明具有“精矿粉通道内侧设置内旋通道4”的结构特征。点火筒5位于喷嘴中心轴线区域，紧接点火筒5外壁面是内旋通道4内圆筒内壁面，内旋通道4底部是均匀布置的旋流片41。纯氧全部从内旋通道4顶部进口通入，在旋流片41导流作用下，纯氧气流转变成高速旋转气流。和附图2相比，发明喷嘴点火筒5和内旋通道4组合体取代了附图2喷嘴分布器6。除空气腔1、调风锥2和冷却水套3及连接相同外，附图1和附图2中其余部件及连接均不同。

发明具有“点火筒5底部设置钝体51”的结构特征。点火筒5钝体51不同于附图2分布器6分散锥63。设置钝体51的目的在于：一是阻止精矿粉直接落下导致集中于塔中心区域；二是引导纯氧气流旋流流动，使得纯氧气流沿钝体51侧壁面螺旋下行，促使气粒混合均匀；三是削弱精矿粉粒子贴壁效应。附图1喷嘴钝体51强化了气粒混合作用和效果。附图2喷嘴分散锥63底侧壁开设均匀布置的众多分散风孔631，从分散风孔631沿半径方向由内向外高速水平喷出的众多小股分散风将精矿粉均匀分散到工艺风中。附图2喷嘴设置分散锥63目的是能从精矿粉中心位置沿半径方向水平高速喷出众多分散风射流。

上述结构特征导致的技术特征是：一是纯氧气流高速旋流卷吸精矿粉实现气粒两相直接混合。附图2喷嘴依靠众多小流量高速喷出但迅速衰减的分散风射流将精矿粉垂直送进高速环状工艺风射流中实现气粒混合，大静压分散风和大静压中央氧设置降低了喷嘴运行经济性。附图2喷嘴实际运行中分散风表压25kPa～30kPa，中央氧表压250kPa，因经济技术限制导致大投料量时需要的大流量大静压分散风和中央氧无法实现，发明节省了分散风和中央氧生产成本。发明气粒两相直接混合，气粒混合过程影响因素少、可控可调。附图2喷嘴气粒混合是气粒两相间接混合，气粒混合过程影响因素多、可调性差，特别是大投料量时不可调节。二是气粒混合驱动力不同。发明喷嘴纯氧借助旋流离心力作用混入精矿粉中，精矿粉借助自身重力作用混进纯氧气流中，气粒混合难度降低。附图2喷嘴借助众多分散风射流将精矿粉送进垂直向下的环状工艺风射流中，工艺风射流动量大、分散风射流动量小且快速衰减，精矿粉混入工艺风射流中难度大。三是塔内反应动力学条件不同。发明喷嘴纯氧通入内旋通道4并直接均匀混进精矿粉，塔内发生冶炼反应所需的氧化剂含氧浓度100％，实现了富氧闪速冶炼的最佳反应条件，极大地强化了冶炼反应。附图2喷嘴纯氧和空气在空气腔1里混合后再均匀混进精矿粉，塔内冶炼反应所需的氧化剂含氧浓度只有60％～70％，反应动力学条件明显次于发明冶炼反应氧化剂含氧浓度100％条件。

上述结构特征和技术特征带来的技术效果是：纯氧利用更合理，满足大投料量闪速冶炼需要。附图2空气和纯氧通入空气腔1均匀混合形成垂直向下流动的环状工艺风射流。工艺风通道面积小，工艺风射流流量大，工艺风速度达到100m／s、动量大，增加了分散风射流输送颗粒到工艺风射流中去的难度。投料量越大，纯氧气流对气粒混合阻碍作用越明显，成为大投料量时喷嘴气粒混合变差的主要原因。发明喷嘴空气腔1里没有空气和纯氧混合过程，纯氧气流直接通入内旋通道4后以100m／s速度高速旋流喷出。纯氧气流旋流速度大、旋流强度大，纯氧气流旋流卷吸精矿粉作用大，促使了气粒混合。投料量越大，纯氧流量越大，纯氧旋流卷吸作用越明显，越适用于大投料量闪速冶炼。发明喷嘴环状空气射流不担负气粒混合任务，只起风幕作用阻止高温粒子冲刷塔内壁，附图2环状工艺风射流既要完成均匀混入精矿粉实现气粒混合，又要阻挡高温粒子冲刷反应塔内壁。发明喷嘴纯氧使用更科学、更合理。

在铜、铅、镍、锌冶炼企业采用粉状精矿粉进行大投料量空间熔炼反应的场合都可以使用本发明。

工业应用表明：发明气粒混合均匀充分，冶炼反应更加完全，氧气利用高，避免了“生料堆”和炉结的产生，增强了炉况稳定性，炉况检修周期长，冶炼生产率提高，维修费用降低；反应热效率提高，反应塔上部温度提高。喷嘴生产能力能稳定到400吨精矿粉／小时，反应塔外壁面温度低于100℃，氧气利用率提高到98.5％以上，烟尘率降低到5％以下，渣含铜降低至0.5％以下，冰铜和渣流动性和分离效果良好。

Claims (1)

1.内旋流混合型冶金喷嘴，主要包括由外到内顺序套装且共中心轴线的空气腔(1)、调风锥(2)和冷却水套(3)，空气腔(1)底侧壁面(11)为倒置式圆锥台侧壁面，调风锥(2)底侧壁面(21)为倒置式圆锥台侧壁面，空气腔(1)底侧壁面(11)和调风锥(2)底侧壁面(21)相互平行，调风锥(2)底侧壁面(21)和空气腔(1)底侧壁面(11)之间的空间为空气通道，调风锥(2)内壁面紧贴冷却水套(3)外壁面且可以上下移动，下移到最底位置时将空气通道完全切断，冷却水套(3)底面伸入反应塔内，冷却水套(3)底面离反应塔内腔顶面距离大于调风锥(2)底侧壁面(21)高度，其主要特征在于：冷却水套(3)内腔设置由外到内顺序套装且和冷却水套(3)共中心轴线的内旋通道(4)和点火筒(5)，内旋通道(4)为由内外两个圆筒围成的圆环形通道，圆环形通道为纯氧气流通道，圆环形通道底部周向均匀设置众多的呈螺旋状的旋流片(41)，旋流片(41)与水平截面的相交线和过该相交线中点的半径交角为15°～75°，内旋通道(4)内圆筒内壁面紧贴点火筒(5)外壁面，点火筒(5)底部为呈圆锥台状的中空的钝体(51)，钝体(51)顶面和内旋通道(4)旋流片(41)底面处于同一水平面上，冷却水套(3)内壁面和内旋通道(4)外圆筒外壁面之间的空间为精矿粉通道，点火筒(5)钝体(51)底面直径比冷却水套(3)内径小10mm～15mm，钝体(51)水平中截面和冷却水套(3)底面处于同一水平面上。

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