熊家政1  赵 涛1，2

(株洲火炬工业炉有限责任公司1，中南大学能源科学与动力工程学院2)

 

 

摘要：针对目前铅及其合金熔化装备落后，能耗高及环境污染严重的现状，开发了蓄热式高效熔铅炉和工频有心熔铅感应电炉两种新型熔化炉。通过实验研究和工程实践表明，虽然两种炉型加热方式不同，但都具有能耗低、熔化速度快、热效率高和环保的特点。同比国内某大型铅锌冶炼厂普遍使用的熔铅锅，两种炉型的吨铅能耗分别降低49%和64%，热效率分别提高9.59%和62.5%，烟气排放量分别减少49%和100%，取得了良好的经济效益和社会效益。

关键词：蓄热式高效熔铅炉，工频有心熔铅感应炉、节能、环保

Abstract：Due to the fact that the metal lead and its ally melting processes are poorly equipped, high power consumption and environmentally disastrous, including waste gas in metallurgy, a new regenerative type heating furnace and 50Hz twin-channel induction furnaces are researched and developed. These are proved by the research and engineering practice that the two new type melting furnaces are low energy consumption, melting fast, high thermal efficiency and environmental protection, although they are different in heating methods. The energy consumption per ton of lead reduces 49% and 64%, the thermal efficiency increases 9.59% and 62.5%, the emission of waste gas reduces 49% and 100% respectively compared with those of lead melting pot commonly used in a main lead and zinc Smelter. The users have access to a good economic and social benefits.

Key words: Regenerative efficient lead melter, frequency channel induction lead melter，energy saving, environmental protection

1. 前言

国内铅冶炼主要工艺流程一般采用铅矿石冶炼制备粗铅，粗铅精炼制备阳极，通过电解反应制备阴极铅，最后将阴极铅熔铸得到成品铅锭。目前，主要铅冶炼厂在粗铅精炼、阴极铅熔铸、阴极板制造、铅合金制造等过程中均使用熔铅锅，根据用途可分为熔铅锅、电铅锅、阴极锅、合金锅等，在此统称为熔铅锅，均通过燃料燃烧加热钢制坩埚，达到熔化锅内金属铅的目的。熔铅锅在使用过程中，普遍存在因排烟温度高、燃料燃烧不完全、局部高温等问题，从而导致热效率低、能耗高、坩埚使用寿命短、温室气体排放量大。以国内某大型铅锌冶炼厂为例：①电铅熔化煤气单耗为240～260m3/t；②热效率仅为10%左右；③坩锅使用寿命一般只有3～4个月；④烟气带走的显热高达50%～60%；⑤不完全燃烧热损高达20%～30% 。这种粗放型生产不仅降低企业产品的市场竞争力，而且与国家节能降耗、和谐环保的产业政策相违背，尤其在目前全球经济危机的大环境下其劣势就更为明显。

针对熔铅锅的缺点，株洲火炬工业炉公司在装备类型、熔化方式、传热技术、节能技术等方面经过系统的调查和研究，结合多年铅锌及其合金熔化设备的制造经验，联合中南大学能源科学与动力工程学院研发出蓄热式高效熔铅炉和工频有芯熔铅感应电炉两种不同熔化形式、多种规格的新型熔铅炉。其中，85t蓄热式高效熔铅炉已在株洲冶炼厂成功投入运行，实践表明该炉在降低能耗、提高生产率、减少温室气体和氮氧化物排放量等方面的效果令人满意，并在有色金属网及湖南主流媒体上进行了报道。工频有心熔铅感应电炉已研制出一台3t的试验炉，成功进行了九次实验，研究结果表明，其在吨铅能耗、热效率和环保等方面的优势更加突出。下面将对两炉型及其应用效果和实验结果进行介绍。

2. 蓄热式高效熔铅炉

2.1高温低氧弥散燃烧技术

蓄热式燃烧技术是上世纪九十年代以来，国际燃料利用和燃烧技术研究领域开发成功一种高新技术，在日、美称为高温空气燃烧技术HTAC，西欧一些国家称为“无焰燃烧”技术。其原理是利用高温烟气预热燃气和助燃空气，以达到降低排烟温度和排放量、减少燃气用量的目的，其原理参见图1。

图1 HTAC技术工作原理示意图

蓄热式烧嘴成对工作，交替处于燃烧和排烟状态。如在图1中，当A烧嘴燃烧时，烧嘴前端的蓄热体A、B相应处于放热和吸热状态，空气流经已蓄热的蓄热体A，被预热到800℃以上后参与燃烧，同时B烧嘴排烟，1000℃左右的烟气加热蓄热体B，烟气温度降低后通过烟道排出；换向阀换向后，B烧嘴燃烧，烧嘴前端相应蓄热体B、A分别处于放热和吸热状态。如此重复，通过蓄热体将烟气余热回收，将空气预热至800℃以上，排烟温度降到150～200℃左右。日、美、欧等国在钢铁行业应用该技术取得了平均节能30～50%，CO2排放量减少30%以上的成效。

株洲火炬工业炉公司与中南大学能源学院从上世纪90年代初开始合作研究HTAC技术在有色金属炉窑上的应用，在借鉴国外HTAC技术基础上，成功开发出适合于有色金属熔点较低特点的高风温低氧弥散燃烧技术，达到了既能大量节能、减少温室气体排放，又能使烟气中氮氧化物的含量由数百或数千ppm降低到30～50ppm的效果。

2.2 蓄热式高效熔铅炉

蓄热式高效熔铅炉采用了优化燃烧、增强传热、余热回收、低氧弥散燃烧等诸多技术措施：①炉膛设置导焰墙，有效组织炉内气流，强化烟气与锅体的传热效果；②两个独立燃烧室，保证煤气充分燃烧同时避免火焰直接接触锅体；③通过燃烧动力学准则，采用计算机仿真优化的手段，优化烧嘴结构，使燃烧更充分，最大限度的节约燃料；④采用烟气返回及引射技术，降低燃烧区的氧含量，达到弥散燃烧—即炉膛温度均匀、火焰充满度高、无局部高温区的效果；⑤通过公司自主编制的传热效率与阻力函数的双参数优化设计计算程序反复计算并优化蓄热体结构及有关参数，蓄热效率高，换向周期适中，阻力损失适当；⑥控制系统采用德国SIEMENS生产的S7-300系列可编程控制器（PLC）实现逻辑控制，配置上位机，建立炉子的组态画面，直观地反应炉子的运行状况，并可进行远程操作。主要技术参数参见表1，设备配置及结构参见图2。

表1 蓄热式高效熔铅炉主要技术参数

序号	项 目	技 术 参 数
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	炉型 容量 加料方式 原料类型 熔化速度 烧嘴形式 煤气单耗 燃料参数 炉膛最高温度 铅液最高温度 排烟温度 炉壁温升 火焰控制 炉压控制 控制手段	蓄热式、圆形炉膛 铅锅容量85t 天车吊装 电铅阴极片 20t/h 蓄热式烧嘴 ≤130 Nm3/t 冷发生炉煤气 压力：4000～6000Pa 热值：～5300kJ/Nm3 1200℃ 580℃ ≤180℃ ≤40℃ 自动点火、火焰检测、故障熄火快速切断燃气 自动控制范围：-5～+10Pa 工控机、PLC自动控制系统

图2 蓄热式高效熔铅炉结构

2.3 工程实例与效益分析

 株洲冶炼厂85t蓄热式熔铅炉于2008年末建成投产，经过近8个月的生产实践证明其性能与熔铅锅性能对比具有诸多优点：①吨铅熔化能耗平均降低49%；②熔化速率提高21.43%；③平均炉温提高115℃左右；④热效率提高9.59%；⑤烟气排放量减少49%；⑥化学不完全燃烧率降低近13.36%；⑦烟气中氧气含量降低约5.8%；⑧铅锅使用寿命平均延长4个月以上。统计数据参见表2。

表2 蓄热式熔铅炉与熔铅锅性能对比

序号	对比项目	熔铅锅	蓄热熔铅炉
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	熔化能耗/(Nm3/tPb) 熔化速率/(tPb/h) 平均炉温/(℃) 炉温均匀性/(℃) 热效率/（%） 烟气排放温度/(℃) 烟气排放量/(Nm3/tPb) 化学不完全燃烧率/（%） 烟气中氧气含量/(%) 铅锅使用寿命/(月/个)	240～260 16 1035 ±150 10 450～500 530～710 23.36 10.8 3～4	128 20 1150 ±20 19.59 130～170 250～300 ≤10 ≤5% ≥8

    由于蓄热式高效熔铅炉性能优异，带来显著的经济效益和社会效益：①每年减少煤气消耗5000000Nm3，节能效益达150余万元；②每年减少温室气体CO2排放4000t；③每年减少NOx排放2500 Nm3以上；④减少坩埚消耗2～3个；⑤大大改善工人操作环境，减轻劳动强度。

3. 工频有心熔铅感应电炉

3.1 感应熔炼技术

工频有心感应炉由于具有热效率高、熔体排气性好、熔体温度均匀、氧化烧损低等特点而被广泛应用于金属熔化和保温。较之煤、石油、煤气等为燃料的熔化方式具有以下特点：①热效率高，节约能源。燃料炉由于燃料燃烧产生烟气带走大量热，热效率远远低于感应炉；②加热速度快，靠物料内部产生涡流直接加热，熔化效率高；③加热质量高、烧损少、金属熔体成分稳定且易于调整；④感应加热属于无公害加热方式，不产生燃料燃烧的烟气；⑤更易于实现机械化和自动化。

3.2 工频有心熔铅感应电炉数值仿真分析

由于金属铅具有熔点低、比热小、电导率小、密度大、流动性好和渗透性强等特点，采用工频有心感应加热熔化必须解决三个主要难点：①铅液质换流速较慢；②铅液的渗漏；③熔沟壁面过热度控制。为此，采取以下技术措施：①采用比铅熔点高出较多、具有较好热稳定性、不与铅液发生反应的金属材料制成密闭式熔沟空腔模代替耐火材料熔沟空腔这一全新的结构，从而防止铅液渗漏；②采用“W”型感应器，强化铅液的流动。

在此基础上建立工频有心熔铅感应体数值模型（参见图3），采用数值仿真和等效电路模型（参见图4）方法分析工频熔铅感应体的性能，从而对感应体进行数值仿真和优化。

           

图3 熔铅感应体模型计算区域与网格划分           图4 熔铅感应体等效电路模型

通过仿真优化计算得知，熔铅感应体具有高电压、高自然功率因数、低补偿电容的特点，即“二高一低”阻抗特征。数值模拟分析从理论上验证了采用工频有心感应体熔化金属铅的可行性，并找出了感应体相关结构的优化参数，同时对工况进行了预测。300kW工频有心熔铅感应体的仿真计算数据参见表3。

表3 熔铅感应体模拟计算结果

序号	计算内容及说明	熔铅感应体(150V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13	系统电抗X/Ω 系统电阻R/Ω 系统阻抗Z/Ω 线圈端电压/V 线圈电流强度/A 电容支路电流强度/A 干路电流强度/A 补偿电容容量/kvar 质换流速/(m/s) 熔沟出口熔体温度/℃ 熔沟壁面最高温度/℃ 焦耳热功率/kW 自然功率因数	1.015 1.305 1.653 177.1 107.2 58.2 64.61 15.72 0.067 612.8 642.9 30.3 0.798

3.3 工频有心熔铅感应炉热态实验

为进一步验证工频有心感应炉熔铅的可行性及技术性能指标，公司于08年底根据仿真优化计算得出的数据制作了一台3t试验用工频有心熔铅感应电炉，前后进行了九次热态熔铅试验，实验结果参见表4。

表4 实验测量数据与计算数据

项目	100V		150V		220V		380V
	测量	计算	测量	计算	测量	计算	测量	计算
补偿后电流/A	101	123.43	153.3	184.128	222.25	272.57	410.67	484.471
感应器电流/A	139	155.55	214.3	232.045	322	343.50	576.67	610.550
有功功率/kW	10.725	13.139	24.318	29.239	52.040	64.074	171.243	202.427
自然功率因数	0.7248	0.7935	0.7146	0.7935	0.6875	0.7935	0.7107	0.7935
功率因数	0.9975	1	0.999	1	0.996	1	0.998	1
感应器电压/V	106.45	106.45	158.8	158.8	235.075	235.075	417.83	417.83
500V时功率/KW	236.617		241.083		235.431		245.219	289.874

实验表明：①应用工频有心感应电炉加热熔化铅及其合金切实可行；②加热过程中液态铅流动明显，有利于传热和传质，参见图5；③金属熔沟腔壁表面温度较均匀，不存在严重的壁面过热情况，在端电压达到300V以后，铅液温度和金属熔沟型腔壁表面温度差保持稳定在50℃以内，参见图6；④感应体及金属熔沟模结构设计合理，在多次破坏性试验后无任何损坏。

    

图5 边侧熔沟口处的质换流动          

图6 熔沟壁面测点温度随时间变化

                          AB: U=100V; BC: U=200V; CDE: U=300V

表5为工频有心熔铅感应实验电炉性能与蓄热式高效熔铅炉、熔铅锅性能数据对比。可以看出工频有心熔铅感应电炉各项技术性能优越，同比熔铅锅吨铅能耗降低64%，热效率提高62.5%，烟气排放预计降低100%。

表5 工频有心熔铅感应电炉、蓄热式高效熔铅炉以及熔铅锅性能数据表

对比项目	熔铅锅	蓄热熔铅炉	工频熔铅感应试验电炉
熔化能耗/(kg标煤/tPb) 平均炉温/(℃) 热效率 烟气排放温度/(℃) 烟气排放量/(Nm3/tPb) 化学不完全燃烧率 铅锅使用寿命/(月/个)	45 1035 10 450～500 530～710 23.36 3～4	23 1180 19.59 250～300 ≤260 ≤10 ≥8	16.2 500(铅液) 72.5 ——— ——— ——— 估计≥12

目前，株洲冶炼厂已购定一台6t工频有心熔铅感应合金电炉，正处于制作阶段，将于八月份投入使用。

4. 结束语

通过工程实践和实验研究表明，虽然两种新型熔化炉加热方式不同，但都具有能耗低、熔化速度快、热效率高和环保的特点；同比国内某大型铅锌厂普遍使用的熔铅锅，单位吨铅能耗分别降低49%和64%，熔化速率大大提高，热效率分别提高9.59%和62.5%，烟气排放减少49%和100%，取得了良好的经济效益和社会效益。尽管新炉型初期投资较熔铅锅大，但性价比高，在铅及其合金熔化企业具有很高的推广价值。

对于两款炉型的选择需要根据当地条件而定，如工人的操作习惯、当地煤价及电价情况、是否已有煤气发生炉、是否需要进行电力增容等具体情况而定。目前，国内铅及其合金熔化装备水平比较落后，株洲火炬工业炉公司有意与广大同仁一道为提高行业装备水平、促进行业发展做出贡献。