摘    要：侧吹 + 顶吹生产工艺在铜冶炼行业已实现规模化应用，其在环保指标（如 SO2 排放浓度低于 50mg/m3）及经济性（吨铜能耗降低 15%）方面具有显著优势。然而，该工艺锅炉辐射区产生的烟尘因温度高达 800~ 1000℃ , 且含铅、锌等易挥发组分，导致其物理化学性质不稳定，传统输送系统面临结露、腐蚀及堵塞等难题。文章基于生产实际数据与多相流理论，通过理论与实验验证相结合的方法，系统研究了高温烟尘的气力输送技术路线，重点分析了输送过程中可能出现的问题，并提出了相关的优化解决方案，为铜冶炼行业高温烟尘的安全高效输送提供了理论依据与实践指导。

       关键词：侧吹 + 顶吹；锅炉辐射区；铜烟尘；物理化学性质

       目前国内铜冶炼工艺主要有闪速炉、艾萨炉、奥斯麦特炉及侧吹炉，其中，闪速炉对铜精矿品质要求较高，其他炉型对精矿品质要求相对较低，而由于闪速炉的造价较高，因此在国内应用较少。艾萨炉及奥斯麦特炉因其渣含铜高，且寿命与闪速炉相比寿命较短，目前国内应用也较少。而富氧侧吹因其结构简单、造价低、环保及经济指标较好目前在国内得到广泛应用。

       侧吹+顶吹的铜冶炼工艺在生产过程中产生的烟尘分为重尘和轻尘 ，其烟尘的物理化学性质受生产工艺影响较大，导致在生产过程中形成块状粘结物，因此在输送前需进行破碎 ，破碎后采用密闭车辆进行运输，并返主流程进行处理，在此过程中导致大量重金属粉尘产生，对生产现场造成严重污染[1]。

       目前国内使用侧吹 + 顶吹铜冶炼工艺的部分企业已开始探索使用气力输送系统进行侧吹+顶吹锅炉辐射区产生的铜烟尘的输送的探索与实践，部分企业在短距离输送方面已取得突破性进展，而铜烟尘的长距离输送（＞1000m）因其密度高、温度高及烟尘吸潮等原因目前仍未取得突破，基于此，文章重点探讨铜烟尘长距离输送原理、输送工艺、输送设备及输送过程中的难点及解决方案，以期为行业发展提供参考。

       1   侧吹+顶吹铜烟尘的物理化学性质

       1.1   侧吹炉锅炉

       侧吹炉通过侧吹的方式向炉内送入富氧空气或氧气，使炉料在高温下发生氧化还原反应。在此过程中，铜、铁等金属元素会被氧化成相应的氧化物。由于炉内温度较高，部分氧化物会以气态形式逸出，随后在烟尘收集系统中冷凝成固体颗粒，形成烟尘。从整体来看，侧吹炉锅炉辐射区烟尘率为 2%~5%，因其炉内气流分布、温度控制以及原料成分等因素，导致侧吹炉锅炉烟尘率波动较大，其破碎后物理性质为堆积密度 2.6t/m3，温度≤250℃ ,颗粒度 90%≤1mm，10%≤20mm。

       1.2   顶吹炉锅炉

       顶吹炉通过顶吹的方式向炉内送入富氧空气或氧气，使炉料在高温下发生氧化还原反应。在此过程中，铜、铁等金属元素会被氧化成相应的氧化物。由于炉内温度较高，搅动大部分氧化物会以气态形式逸出，随后在烟尘收集系统中冷凝成固体颗粒，形成烟尘。从整体来看，侧吹炉锅炉辐射区烟尘率为 0.5%~1.5%，因其炉内气流分布、温度控制以及原料成分等因素，导致顶吹炉锅炉烟尘率波动较大，其破碎后物理性质为堆积密度2.1t/m3，温度≤250℃ ,颗粒度 95%≤1mm，5%≤20mm。

       2   气力输送的工艺及特点

       气力输送系统是基于流体力学原理，通过密闭管道内气体流动实现粉粒状物料连续传输的工业技术体系。技术路线包含吸送式（负压）与压送式（正压）两种基础形式，其核心设备涵盖接料器、输料管、分离除尘装置及动力系统，管道设计需满足曲率半径≥1 米或 5倍管径的工程规范以降低磨损。该系统被广泛应用于新能源、食品医药、化工等多个工业领域，在硅基材料生产中实现 350t 级工业硅粉输送，为锂电池行业解决微米级正负极材料无尘化处理难题。技术发展经历稀相到浓相输送的迭代，先导式系统突破 2000m 超长距离输送极限，灰气比达到 40kg/kg，气力输送主要分为稀相输送、中浓相输送及浓相输送三种模式。

       2.1   稀相输送

       稀相气力输送主要分为负压吸送系统、正压吹送系统。

       稀相输送是利用风机或真空泵在管道中产生的气流，采用正压或负压并以较高的速度来推动或拉动物料在管道内流动，从而把物料输送到相应的设备。因此该输送方式又被称为低压-高速系统，它具有较低的料气比 m（通常将料气比 m=0.1~20、压力 p=0.01~0.1MPa或真空度 pv=-0.01~-0.06MPa、速度 v=5~30m/s 归为低压－高速系统）[2]。

       2.2   中浓相输送

       中浓相输送的原理是通过在输送管道中形成接近临界流化状态的颗粒流，利用静压差推动物料前进，同时保持较低的气体速度以减少磨损和能耗。

       2.2.1   核心原理

       中浓相输送过程中，颗粒在少量气体作用下处于流化状态，通过静压差（即推动力）克服流动阻力实现输送。与稀相输送不同，密相输送的气体速度较低，物料以集体运动形式移动，而非悬浮状态[3]。

       2.2.2   关键特征

       ①低气体速度：通常保持在临界流化状态附近，气体流量较小，单位质量空气可输送更多物料。②集体运动：颗粒在流化状态下通过静压差推动前进，而非单纯依赖气流加速。③低能耗：由于气体速度较低，能量效率更高，适合长距离、大容量输送。④物料保护：减少物料破碎和磨损，适合对物料完整性要求较高的场景。

       2.3   浓相输送

       2.3.1    系统工作原理与运行阶段

       正压浓相流态化气力除灰系统是结合流态化和气固两相流技术研制的，发送器以边流化、边输送的方式输送物料，系统运行一般由五个阶段组成：阶段一：可靠的、高强度的圆顶阀关闭发送器进料口；阶段二：输送空气通过流化盘导入发送器，使干灰充分流态化；阶段三：灰以连续浓相形式边流化边输送；阶段四：施加的空气压力一直保持到干灰进入灰库；阶段五：进入灰库的空气经布袋除尘器排出灰库。整个运行过程采用全自动 PLC 控制，也可进行手动控制。

       2.3.2    系统性能特点

       正压浓相气力输送技术的适应输送距离当量为50~1500m，其中提升高度已达到 75m，系统输送能力可达到 100t/h，输送物料最低温度为 -20℃ , 最高温度为450℃ 。系统灰气比高：30~60kg（灰）/kg（气）；流速低：初速度 3~6m/s，末速度 12~18m/s，平均流速 8~12m/s；磨损小。

       3   铜烟尘输送工艺

       3.1   铜烟尘参数

       侧吹炉铜烟尘参数：堆积密度 2.6t/m3，温度≤250℃ ,颗粒度 90%≤1mm，10%≤20mm，产量：240t/24h。

       顶吹炉铜烟尘参数：堆积密度 2.1t/m3，温度≤250℃ ,颗粒度 95%≤1mm，5%≤20mm，产量：22t/24h。

       输送距离：1000m。

       3.2   输送工艺

       侧吹炉铜烟尘和顶吹炉烟尘的混合物输送 1000米，若按常规输送泵型选择，势必会造成压空的浪费，输送不畅等问题。由于距离较远，已超过大多数输送仓泵的有效稳定的输送距离。文章自主研发的连续输送系统由一台装料泵和一台输送泵组成 ，由装料泵向输送泵输送烟尘，再由输送泵向目标仓输送烟尘，即形成连续输送系统。在输送泵不停止输送运行的情况下，装料泵会给输送泵供料，保证输送连续运行。而装料泵在装料完成后会及时泄压，重新进行自身装料，以等待下一次给输送泵供料。装料泵在给输送泵供料过程中，装料产生的废弃物料混合气体 ，直接进入输送泵的输送管道，用于输送物料使用。整个运行过程中物料输送始终是连续的，不存在压缩空气的浪费，从而提高输送效率。连续输送一个批次只需要一次吹扫，达到节能降耗。如图 1 所示。

       3.2.1   连续输送与间断输送对比

       连续输送：在输送泵不停止输送运行的情况下，装料泵会给输送泵供料，保证输送连续运行。而装料泵在装料完成后会及时泄压，重新进行自身装料，以等待下一次给输送泵供料。装料泵在给输送泵供料过程中，装料产生的废弃物料混合气体，直接进入输送泵 的输送管道，用于输送物料使用。整个运行过程中，没有间断停歇吹扫，管道内始终有大量的物料随着气流方向流动，不存在压缩空气的浪费，从而提高输送效率。输送一个批次只需要一次吹扫，达到节能降耗。

       间断输送：输送一个批次需要多次的装料、升压、输送、吹扫，在吹扫阶段仓泵内物料已基本清空，管道内较少的物料则需依靠较大量的空气进行吹扫，压力逐渐降低。吹扫过程管道阻力很小，耗气量很大，多次吹扫增大运行能耗，如图 2 所示。

       3.2.2   输送能力设计

       以侧吹炉与顶吹炉产出的铜烟尘为例，可采用集中输送方案：将两种烟尘汇入中转仓后统一处理，其总产量为 262 吨 /24 小时。在设备选型时，需优先确定输送时长：若按24 小时连续运行计算，平均每小时产量约为 11 吨；但结合生产工艺及检修需求，建议在 8 小时内完成输送，此时需达到 33 吨 / 小时的输送能力。

       基于此工况，选用 SCCD2-4 型连续输送系统，其配置包括 2m3 装料泵与 4m3 发送泵，并采用 DN125-DN 150-D175 的变径输送管道设计。管道逐级变径的优化方案可有效降低末端磨损，同时满足高负荷、高效率的输送要求，确保系统稳定运行。

       连续输送系统由一台装料泵和一台发送泵组成，在计算输送能力时 ，只考虑装料泵在单位时间内的装料次数，则输送能力的计算如式（1）：

       Q=v§ρgn=2 ×0.6 ×2.5 × 13=39（t/h）          （1）

       式中：v 为装料泵的容积；§为仓泵的充满系数；ρg为混合烟尘的堆积密度；n 为 1 小时内的循环次数。

       由以式（1）计算得出 SCCD2-4 型连续输送系统的输送能力 39 吨，满足 33 吨的输送需求。

       3.2.3   管道直径的设计

       正压浓相气力输送的管道直径计算需综合考虑物料输送量、气体流速、混合比及管道压降等因素，基础计算公式如式（2）：

       式中：D 为管道内径，m；Qg 为气体体积流量，m3/s （需根据物料输送量、混合比及气体状态换算得出）；vg为气体流速，m/s，通常取 8~15m/s（浓相输送）。

       式（2）中的气体流速 vg 在浓相输送时，推荐流速范围为 8~15m/s（避免过高流速导致能耗增加或物料破碎）。垂直管道需额外考虑悬浮速度，流速应大于 1.3 倍物料悬浮速度。

       式（2）中的气体体积流量 Qg 需通过物料输送量 Qm （kg/s）、混合比 μ（kg 灰 /kg 气）及其气体密度 ρg 换算，如式（3）：

       式（3）中的混合比 μ,混合比越大，管道直径越小，但需平衡能耗与设备成本。浓相输送通常选择高混合比（通常为 10~50）。

       在工程实际中，也常根据经验公式和图表来确定管道直径。这些经验公式和图表是基于大量的实验数据和工程实践总结出来的，对于初步设计和快速估算具有一定的参考价值。

       4   影响铜烟尘输送的因素与优化措施

       4.1   影响因素

       4.1.1   铜烟尘的粒径

       铜烟尘的粒径分布相对均匀，当颗粒粒径控制在3mm 以下时，其对气力输送效率的影响可忽略不计；然而，由于铜烟尘密度较大，若粒径显著增大，将导致固体颗粒对管壁的冲击磨损加剧 ，磨损速率与颗粒粒径呈正相关关系。为应对此问题，建议采用耐磨性能优异的管道材料，如内衬陶瓷复合管或高铬合金钢管，这类材料通过提升表面硬度可有效降低磨损速率，同时具备良好的抗冲击性能。

      4.1.2   铜烟尘含水率

       铜烟尘的含水率是影响气力输送系统稳定运行的关键参数，需严格控制在 3%以下 。当含水率超过 3%时，烟尘易因吸湿结块导致管道阻力激增，堵管风险显著提升，进而造成输送效率下降甚至系统停机。尽管输送系统通常配备自动排堵装置（如高压脉冲清灰或机械疏通），但此类措施仅能作为堵塞后的应急处理手段。为从根本上解决问题，需建立含水率在线监测系统，重点排查烟尘干燥工艺缺陷（如热风温度不足）或配气参数不当（如气固比低于设计值）等成因，通过优化干燥设备运行参数、调整气力输送系统风量分配等预防性措施，实现从源头控制堵管风险，保障输送系统长期稳定运行。

       4.1.3   输送管道的磨损

       在气力输送系统中，管道磨损作为设备运行过程中的固有现象，其不可避免性源于物料与管壁的持续摩擦作用，属于机械磨损的范畴。然而，不同物料因其物理特性（如硬度、粒径、形状）及化学性质（如腐蚀性、黏附性）的差异，对管道的磨损程度存在显著区别。例如，高硬度、多棱角的物料会加剧管道的磨粒磨损，而具有腐蚀性的物料则可能引发化学腐蚀与机械磨损的协同作用。因此，在输送管道选型时，需基于物料的磨损特性进行针对性设计：对于高磨损性物料，宜选用内衬陶瓷复合管或高铬合金钢管等耐磨材料；对于腐蚀性物料，则需采用双相不锈钢或衬塑管道等耐腐蚀材质。通过科学选材与结构优化，可有效延长管道使用寿命，保障输送系统的稳定运行。

       4.2   管道下坡对气力输送的影响

       4.2.1   料栓结构破坏与物料堆积

       浓相输送依赖物料在管道内形成较密集的“料栓 ”或“团块 ”，依靠前后气压差推动前进。下坡时，重力分量会加速物料下滑。物料下滑速度可能超过输送气流 的推动速度，导致料栓前端被“拉断”或整体解体。解体的物料在重力作用下加速滑落，容易在坡底或下游水 平段形成堆积，这些堆积点极易成为堵塞的起始点。

       4.2.2   气流与物料分离

       物料加速下滑，而气流速度相对变化较小（或可能因压力变化而稍有变化）。物料与气流之间产生较大的相对速度差，破坏了维持浓相稳定输送所需的气固两相紧密耦合状态，这会导致输送模式从稳定的浓相（如栓流、集团流）向不稳定的稀相或沙丘流转变。

       4.2.3   压力波动加剧与能耗上升

       首先，物料在下坡段堆积、滑移、再启动的过程是动态的且不稳定的。系统压力（尤其是下坡段下游的压力）会出现剧烈波动（峰值和谷值），给压力控制系统带来挑战。其次，能耗增加。为了克服堆积阻力、重新加速物料、维持下游输送，气源（空压机或罗茨风机）需要提供更高的压力，导致能耗显著增加。

       4.2.4   管道磨损加剧

物料在下坡段加速滑落，对管道底部（特别是弯头、变径处和坡底）产生更强的冲击和摩擦。因此这些区域的管道磨损速率远高于水平段或上坡段，缩短管道寿命，增加维护成本和停机风险。

       4.2.5   增加堵塞风险

       物料堆积是堵塞的前兆，下坡段形成的堆积物会阻碍后续物料的通过，堆积规模不断扩大。当堆积物达到一定规模，上游的气流压力无法将其推动时，就会发生严重堵塞。

       4.3   优化措施

       管道下坡段是正压浓相输送系统的薄弱环节和潜在故障点。重力导致的物料加速滑落会破坏稳定的料栓结构，造成物料堆积、气流分离、压力波动、磨损加剧，最终显著增加堵塞风险并降低系统效率。设计时应优先避免或最小化下坡，如果不可避免，必须采取严格限制坡度、采用阶梯式布置、考虑局部补气、加强监控和保护等综合措施，才能确保系统长期稳定可靠运行，忽视下坡段的设计细节极易导致运行失败[4]。

       输送泵的结构，主要分为上出料和下出料，在选型上主要根据物料的特性做出选择。例如，物料的颗粒很粗，应选择下出料方式，若物料颗粒很细且距离很远，粒径分布较均匀，现场的安装空间允许，此时可以考虑上出料的仓泵。输送泵的结构选择，应考虑多个方面，综合考虑影响输送的因素后，再选择输送泵的结构类型。

       输送物料温度过高时，应充分考虑防高温措施。若输送物料过高时，要做设备保温，例如，顶吹炉铜烟尘和侧吹炉铜烟尘温度均在 250℃以上，因此要考虑管道保温和设备保温，以及集中仓的保温，保温材料应选择硅酸铝加外包铝皮的形式或类似有效的保温措施，保温的主要作用是防止人员的烫伤，高温度的物料温度降低时，会造成凝结水析出导致物料受潮，影响输送效果。

       5    总  结

       通过对稀相、中相、密相输送的特点比较和分析，对铜烟尘输送工艺的研究和计算分析，以及影响输送的注意事项和解决方法的探索，连续输送系统的输送工艺完全满足侧吹炉铜烟尘和顶吹炉铜烟尘的输送。目前，金川集团、南国铜业、紫金铜业、铜陵有色等单位均有铜烟尘的输送案例，随着气力输送技术的不断发展，在有色行业的运用也会日益普遍。

参考文献

［1］龚欣，郭晓镭，代正华，等.高固气比状态下的粉煤气力输送［J］.化工学报，2006（3）：640-644.

［2］李鲁涛.低压稀相气力输送粉煤灰系统的应用［J］. 中国氯碱，2017（5）：40-41.

［3］蔡海峰，熊源泉，周海军，等.双组分高压密相煤粉气力输送数值模拟［J］.东南大学学报（ 自然科学版），2018，48（3）： 449-454.

［4］张开发，汪志全，龙世刚.气力输送废轮胎颗粒固气比影响因素的实验研究［J］.安徽工业大学学报（自然科学版），2009， 26（2）：106-109.