摘要：本研究针对湿法炼锌沸腾焙烧炉长期运行后出现的床能力下降及焙砂品质劣化问题，深入剖析了后期炉况的成因：炉床烧结导致鼓风分布恶化、冷却系统结垢削弱换热效率、风帽变形引发风料比失衡。基于鲁奇扩大型沸腾炉（109m2炉床）的系统特性，通过实施分阶段温度调控、优化原料硫品位、应用焙砂/烟尘循环技术、精准调控水分、构建预知性维护体系，显著提升了系统稳定性与热负荷输出能力。同时采用富氧焙烧、增设二次风系统、抑制铁酸锌生成等品质优化措施。最终实现床能力突破8.0 t/（m2·d），焙砂可溶锌率稳定＞90%、不溶硫含量＜0.6%，全面提升了焙烧工序技术经济指标。

　　关键词：锌精矿；沸腾焙烧；床能力；生产指标

　　现阶段，湿法炼锌工业普遍采用传统工艺，即锌精矿经沸腾炉进行氧化焙烧脱硫，将硫化锌氧化成主要成分是氧化锌的锌焙砂[1]。然而，随着沸腾炉长期运行，炉床易形成不同程度烧结，导致鼓风分布均匀性恶化[2]，进而造成锌精矿在炉内反应不完全。这一现象导致床能力显著降低，并伴随焙砂品质劣化现象。针对后期沸腾炉运行中出现的床能力下降及焙砂品质（如可溶锌率降低、不溶硫含量升高）问题，本研究结合生产实际展开深入分析。通过优化工艺参数与操作制度，成功提升了沸腾炉床能力，确保了锌焙砂中可溶锌率稳定，同时使不溶硫含量得到有效控制。

　　1沸腾炉结构及焙烧原理

　　1.1沸腾炉结构

　　当前工业应用的沸腾焙烧炉主要包含带前室的直形炉、道尔型直形炉及鲁奇扩大型炉。综合比较表明，鲁奇扩大型沸腾炉在生产效率、热能回收效率及焙砂品质方面具有显著优势。

　　本研究以鲁奇扩大型沸腾炉为对象开展系统性分析。该炉型主体结构特征如下：炉床面积为109m2，风帽采用直筒型结构并按同心圆方式排布[2]；炉内配置6组冷却盘管以强化热交换。烟气处理系统由余热锅炉、旋风收尘器及电收尘器组成。鼓风系统配置1120-kW炉底风机及710-kW高温风机。焙砂排料与冷却系统包括流态化冷却器、高效圆筒冷却器、排料刮板机以及配套球磨机；焙砂最终采用气力输送方式外运。该炉型的核心结构与配套系统为本研究优化操作制度、提升床能力与焙砂品质奠定了重要的装备基础。

　　1.2锌精矿焙烧原理

　　锌精矿中，锌主要以ZnS的形式存在，ZnS在焙烧时发生的化学反应方程式如式（1）~（6）：

　　2ZnS+3O2=2ZnO+2SO2（1）

　　ZnS+2O2=ZnSO4（2）

　　3ZnSO4+ZnS=4ZnO+4SO2（3）

　　2SO2+O2=2SO3（4）

　　ZnO+SO3=ZnSO4（5）

　　xZnO+yFe2O3=xZnO·yFe2O3（6）

　　锌精矿进入沸腾焙烧炉后，通过炉底鼓入的氧化性气体（空气）以特定表观气速自下而上穿透炉内物料层。在适宜的气流作用下，固体颗粒层发生流态化，形成具有流体特性的气-固流化床。此状态显著增大了气-固两相接触界面，为锌精矿颗粒与氧化剂（O2）的充分反应创造了动力学优势条件。该过程的核心目标在于最大限度地将硫化锌（ZnS）氧化为氧化锌（ZnO），同时使精矿中的硫组分转化为高浓度二氧化硫（SO2）烟气，为后续硫酸生产提供优质原料烟气。

　　2影响床能力及焙砂品质的因素

　　2.1床能力的影响因素

　　床能力是表征沸腾焙烧炉生产效率的核心技术经济指标，其定义为炉床单位面积每日处理的干精矿量，单位为t/（m2·d）。在炉床面积固定的前提下，提升床能力成为实现产能突破的关键途径。沸腾炉床能力主要受焙烧温度、鼓风量、气相氧浓度、原料成分（特别是硫含量）及粒度分布等因素的综合影响[3]。

　　2.1.1焙烧温度

　　温度控制需兼顾焙砂残硫量达标、硫化锌反应动力学速率及余热锅炉蒸汽产量。在恒定鼓风条件下，提升焙烧温度可显著加快反应速率，允许更高投料量，进而提升床能力。

　　2.1.2鼓风参数

　　鼓风量指由炉底风机输入炉内空气的体积流量。充足的鼓风维持流化床稳定，确保气-固充分接触与传质，为硫化物的氧化反应提供必需的氧气。在稳定温度条件下，增大鼓风量可支撑更高的物料处理强度，直接提升床能力。

　　2.1.3气相氧浓度

　　氧气是硫化锌氧化反应的关键氧化剂。根据主要反应方程式（1）和（2），提高气相氧浓度（或氧分压）可强化反应推动力，促进单位时间内更多ZnS的转化，从而支撑更高投料量与床能力。

　　2.1.4原料特性

　　锌精矿氧化反应为强放热过程，热量主要来源于硫的氧化。高硫硫化锌精矿单位质量反应焓值大，在恒定目标炉温下，需适当降低投料速率以避免过热，导致床能力相应降低。

　　2.1.5粒度分布

　　粒度直接影响反应比表面积与颗粒在炉内停留时间。粒度过粗会降低反应界面，延缓反应速率；粒度过细则增大烟尘发生率，降低有效反应份额，两者均对床能力产生负面影响。

　　综合而言，沸腾炉内热平衡状态是调控床能力的决定性因素。有效增大热负荷输出（如强化余热回收），可支撑更高投料强度；反之，热量的过度蓄积则制约处理能力。

　　2.2焙砂品质的影响因素

　　锌焙砂的品质是直接影响后续浸出效率的关键指标，主要体现在可溶锌含量及不溶硫含量两方面。焙砂中的锌主要以氧化锌（ZnO）、铁酸锌（ZnFe2O4）、硅酸锌（Zn2SiO4或ZnSiO3）、少量未反应的硫化锌（ZnS）以及可能的硫酸盐形态存在[3]。可溶锌率越高且不溶硫含量越低，则中性浸出过程的锌回收率越高，产生的浸出渣量越少，从而显著降低渣含锌损失。优化焙砂品质是本研究的核心目标之一。

　　2.2.1可溶锌率

　　焙砂中的锌铁尖晶石（ZnFe2O4）在中性浸出条件下溶解度极低（通常仅1%~3%）[3]。该物相是原料中铁组分在焙烧过程中通过固相反应（如反应式6所示）生成的主要产物。原料铁含量越高，焙砂中ZnFe2O4生成量越大，导致可溶锌率显著降低。因此，原料铁含量是制约焙砂可溶锌率的关键因素。本研究通过优化焙烧制度（温度场、氧势控制）旨在抑制ZnFe2O4的过量生成。

　　2.2.2不溶硫含量

　　焙砂中残留的硫化锌（ZnS）在常温、常压条件下，在稀硫酸浸出体系中几乎不溶解[3]。ZnS含量直接决定了不溶硫水平。根据硫化锌焙烧反应动力学，焙砂中ZnS残留量主要反映焙烧反应的不完全程度。最终焙砂由炉内溢流焙砂与烟气捕集的烟尘混合而成，故炉内主反应区或烟尘系统内任何局部的反应不完全（如低温区、缺氧区、颗粒粗大或停留时间不足）均会导致焙砂不溶硫含量升高。本研究聚焦于强化全流程反应完全性（优化流化质量、温度分布、氧传递效率）以有效控制不溶硫含量。

　　3床能力及焙砂品质下降的原因分析

　　基于现代冶金企业连续化生产管理体系，锌精矿沸腾焙烧炉的运行周期持续延长。当连续运行时间达到360天后，沸腾炉通常界定为进入运行后期。此阶段炉况呈现床能力衰减、焙砂关键品质指标劣化等特征。

　　3.1后期沸腾炉床能力衰减的成因

　　基于前文对床能力影响机制的解析，炉内热负荷的有效输出是制约床能力的核心因素。炉内热量主要通过以下途径转移：一是烟气携带热，即在系统负压驱动下，高温烟气经余热锅炉进行热交换。负压升高将加速烟气逸出速率，缩短炉内停留时间；二是冷却系统换热，即沸腾层热量通过浸没式冷却盘管导出，其换热效率直接影响热平衡。

　　沸腾炉运行初期，冷却盘管及余热锅炉受热面清洁度高，有效换热面积大，热传导效率显著。然而，随连续运行周期延长，原料中伴生的PbS、SiO2、Al2O3等杂质在高温氧化条件下生成低熔点氧化物（如PbO）。此类熔体逐步沉积于冷却盘管表面，并与ZnO、SiO2等组分结合，进一步与酸性炉气（含SO3）反应生成硫酸盐（如ZnSO4）及硅酸盐（如Zn2SiO2）复合粘结层[4]。该烧结层的持续增厚导致冷却盘管热阻增大，有效换热面积锐减。冷却系统导热量下降引发沸腾层温度异常升高。为维持目标焙烧温度区间，需降低锌精矿投料速率以限制热输入，最终表现为床能力的系统性衰减。

　　3.2后期沸腾炉焙砂品质劣化的机理

　　硫化铅（PbS）是作为锌精矿典型伴生组分，其焙烧行为与ZnS高度相似。PbS氧化生成硫酸铅（PbSO4），在>800℃高温区发生显著分解，生成的氧化铅（PbO）具有强助熔性，可与Fe2O3、ZnO等金属氧化物形成低熔点共晶体系（如PbO·Fe2O3，初晶点<800℃)此类熔体在沸腾层表面迁移聚集，逐步形成局部烧结体。其后果包括风帽结构变形与孔道堵塞，破坏鼓风分布均匀性；炉内温度场畸变，形成低温缺氧区域；局部脱硫反应动力学恶化，导致ZnS未完全氧化残留；最终表现为焙砂中不溶硫（ZnS）含量上升及可溶锌率下降的核心品质劣化现象。

　　4后期沸腾炉床能力及焙砂品质提升的措施

　　4.1后期沸腾炉床能力强化措施

　　4.1.1分阶段温度调控策略

　　基于沸腾炉运行周期特性，实施差异化温度控制。

　　运行初期维持沸腾炉980~990℃基准温度，保障流态化质量与热平衡；运行后期（换热面结垢≥10%，流态化恶化）将焙烧温度提升至1000~1010℃高温工况，床能力提升0.4t/（m2·d）。不同焙烧温度对应的实际床能力数据，如表1所示。

　　4.1.2原料硫含量优化

　　沸腾炉的热量供给主要依赖于硫化锌精矿中硫元素的氧化放热反应。在稳态工况下，维持目标焙烧温度（980~990℃)所需的热量输入相对恒定，此热平衡关系决定了系统对总硫量的基本需求。原料硫品位与给料量成反比关系，在确保沸腾炉稳定运行的前提下，适当降低入炉原料硫品位，可相应提高给料量，从而提升床能力。

　　（1）采用低硫精矿梯度配入法。常规锌精矿硫品位约为30%~31%。实践表明，配入硫品位24%~25%的低硫锌精矿后，入炉混合料硫品位可降至28%~29%。此方案既可确保炉温稳定在工艺要求范围，同时，随着入炉硫品位的降低，给料量相应提升，床能率可提高约0.5t/（m2·d）。不同入炉硫品位对应的实际床能力数据，如表2所示。

　　（2）焙砂/烟尘循环技术应用。沸腾炉产出的焙砂与烟尘，其硫含量显著低于锌精矿，再次入炉后呈化学惰性。将其少量配入锌精矿中，可有效降低混合原料硫品位，从而提高系统给料量。鉴于焙砂及烟尘水分接近饱和蒸气压、粒度呈微细颗粒分布，需进行增湿制粒预处理，再与主原料均匀混合。生产实践表明，日循环处理约50t焙砂或烟尘，可提升床能力约0.5t/（m2·d）。

　　（3）预知性维护体系构建沸腾炉的稳定、连续运行是提升床能率的核心要素。通过强化炉床状态管控及关键设备精细化管理，可显著提升运行周期后期的生产效率，保障沸腾炉的长周期稳定运行。

　　强化炉床状态管控至关重要。针对铅杂质形成低熔点共晶相诱发炉床烧结的风险，需建立早期预防机制，加强炉床监测与吹扫频次。通过抛料口观察孔实施可视化监测与清理，一旦发现局部轻微烧结迹象，立即采用压缩风高效吹扫结合机械钎探干预，有效遏制烧结区域扩展，确保炉床流化质量均匀稳定。

　　4.2后期沸腾炉焙砂品质提升的措施

　　4.2.1富氧焙烧优化焙砂质量

　　沸腾炉运行后期因风帽变形导致局部空塔气速升高，长期高风量工况将加剧床层粗颗粒化并引发布风阻力上升，威胁系统稳定性。故后期炉应避免高风量运行，但面临低风量-高给料量矛盾，导致风料比失衡及供氧不足，致使焙砂与烟尘质量劣化。通过提高鼓风中氧浓度（富氧操作），可在同等风量下强化氧化反应动力学，显著降低焙砂残硫（ZnS）含量，改善焙砂冶金性能。

　　4.2.2铁酸锌生成抑制策略

　　当焙烧温度＞650℃时，ZnO与Fe2O3通过固相扩散反应生成铁酸锌（ZnFe2O4），此过程虽不可完全避免，但可通过以下措施抑制其生成[5-6]：①原料成分调控：控制入炉物料铁品位＜10%、硫品位＜31%，从热力学源头降低反应驱动力；②反应动力学优化：加速焙烧进程以缩短ZnO与Fe2O3接触时间，抑制固相扩散反应；③粒度调控：在布风稳定的前提下适度增大入炉原料粒度，减小有效反应界面面积，阻滞铁酸锌生成动力学。

　　5结论

　　综上所述，本研究通过系统性优化解决了沸腾焙烧炉后期运行瓶颈。针对炉床烧结与热效率衰减问题，创新采用运行后期高温模式（1000~1010℃)、低硫原料梯度配入（入炉硫28%~29%）及焙砂循环技术，使床能力突破8.0 t/（m2·d）极限。同步实施富氧强化氧化与铁酸锌生成抑制策略（控铁<10%+粒度调控），保障焙砂可溶锌率>90%、残硫≤0.6%；并建立预知性维护体系，通过炉床状态实时监控与设备可靠性管理，有效控制铅杂质烧结导致的流态化恶化，显著提升焙烧工序技术经济指标，为同类冶金装备延寿增效提供实证范例。

  参考文献

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　　［2］徐发祥，刘习滔.锌精矿沸腾炉富氧焙烧工艺的可行性研究［J］.中文科技期刊数据库（全文版）自然科学，2021（12）：6-7+10.

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