文/ 北京新基業(yè)聯(lián)誠熱工設(shè)備有限公司 高山虎 王杰強(qiáng) 劉彩科 張春生

一、目前銅行業(yè)技術(shù)狀態(tài)及改造的必要性

國(guó)家節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃中指出：節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境、增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力是我國(guó)的基本國(guó)策，推進(jìn)節(jié)能減排工作是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略任務(wù)。采用高效節(jié)能燃燒技術(shù)，開發(fā)和推廣新型節(jié)能爐窯，提高窯爐熱效率、節(jié)能減排是高溫工業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重點(diǎn)發(fā)展方向。

近十多年來，我國(guó)在有色鋁業(yè)、鉛業(yè)等行業(yè)都在大力引進(jìn)和推廣蓄熱式燃燒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自控燃燒，提高火焰溫度，縮短熔煉過程，提高窯爐熱效率，節(jié)能減排達(dá)到30%左右，改善生產(chǎn)環(huán)境等均取得了明顯效果。而在銅行業(yè)中蓄熱式燃燒技術(shù)由于其爐窯熔煉的自身原因，到現(xiàn)在還仍然處在討論和觀望階段，遲遲難以引進(jìn)、吸收和消化。

我國(guó)銅業(yè)企業(yè)眾多，銅反射爐是煉銅的主要熱工設(shè)備，它是通過火焰直接加熱物料。銅反射爐是由燃燒系統(tǒng)，熔煉室和排氣煙道(煙囪)三個(gè)主要部分組成，爐型為矩形的。其工作是周期性作業(yè)，每爐分為加料、熔化、氧化、還原、除渣、澆鑄等階段。反射爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資小，操作方便，易于控制，對(duì)原料和燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，適合規(guī)模生產(chǎn)而被有色金屬行業(yè)廣泛應(yīng)用。其爐膛溫度一般在1250℃～1400℃，燃料能耗量大，排煙量大，排煙溫度又高（可達(dá)1200℃左右，煙氣帶走的熱量通常占能耗的60%之多），造成反射爐熱效率低（一般只有8%～15%），為此，如何盡快推行高效、環(huán)保的節(jié)能技術(shù)成為重中之重，大勢(shì)所趨。

工業(yè)爐燃燒技術(shù)通常分為直焰式燃燒技術(shù)（較落后）、換熱式燃燒技術(shù)（常規(guī)）、蓄熱式燃燒技術(shù)（先進(jìn)），具體介紹如表1：

表1 三種工業(yè)爐燃燒技術(shù)特點(diǎn)比較

圖1 落后式直煙式燃燒

圖2 傳統(tǒng)的換熱式燃燒

圖3 先進(jìn)的蓄熱式燃

圖4 蓄熱式燃燒的燃料節(jié)約率與預(yù)熱空氣溫度比值圖

根據(jù)工業(yè)爐熱工原理，節(jié)能的重要途徑之一就是提高爐窯的熱效率。為了提高窯爐的熱效率，其中主要途徑和措施就是充分利用反射爐排除的高溫?zé)煔庵械挠酂?，置換加熱助燃風(fēng)溫度，助燃風(fēng)溫度越高，火焰溫度就越高，高溫火焰可以加速熔煉過程，助燃風(fēng)溫度每升高100℃，或者煙氣溫度每降低100℃，能節(jié)省燃料約5%（見圖4）。因此，采用蓄熱式燃燒技術(shù)相對(duì)其他燃燒技術(shù)可以節(jié)能25%～65%。蓄熱式燃燒系統(tǒng)在燃燒及余熱回收方面的高性能，從根本上提高了反射爐的能源利用率，節(jié)約了能源，成為滿足當(dāng)前資源和環(huán)境要求的先進(jìn)技術(shù)。

二、蓄熱式燃燒系統(tǒng)

1.蓄熱式燃燒系統(tǒng)組成：

蓄熱燃燒系統(tǒng)適用于各種燃料（如；柴油、天然氣、焦?fàn)t煤氣、發(fā)生爐煤氣等燃料）。

蓄熱燃燒系統(tǒng)主要組成是：蓄熱式燃燒器（含火焰安全系統(tǒng)）、換向系統(tǒng)（燃?xì)饪烨虚y；空氣/煙氣換向閥）、燃?xì)庀到y(tǒng)、助燃風(fēng)系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)。

（1）蓄熱式燃燒器

蓄熱式燃燒器是蓄熱式燃燒裝置的核心，蓄熱式燃燒器由燒嘴（含燃?xì)鈬姌?，燒嘴旋流片、燃燒混合腔，燒嘴磚等組成）、蓄熱箱、蓄熱陶瓷球、點(diǎn)火長(zhǎng)明槍（含火焰安全系統(tǒng)）燒嘴前管路連接件、等部分組成。

（2）蓄熱式燃燒器特點(diǎn)

蓄熱式燃燒器是高效節(jié)能燃燒器。其燃燒得更充分，空氣預(yù)熱溫度高，能達(dá)到1000℃左右，排煙溫度低于200℃,燒嘴熱效率可達(dá)95%以上。最大限度地回收煙氣中的熱焓，從而節(jié)約燃料25%～35%。

適用于各種煤氣，適于低熱值燃料燒常規(guī)燒嘴達(dá)不到的高溫。調(diào)節(jié)比大，不回火，不脫火，燃燒穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)。

蓄熱式燃燒器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，蓄熱體裝、卸和更換都很方便，可對(duì)單個(gè)燃燒器進(jìn)行在線維護(hù)，維護(hù)方便，降低了故障風(fēng)險(xiǎn)。

燃燒可為貧氧燃燒，NOx排放量能數(shù)十倍地減少,符合國(guó)家節(jié)能減排政策。

（3）蓄熱式燒嘴及燒嘴磚結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 蓄熱式燒嘴及燒嘴磚結(jié)構(gòu)

（4）蓄熱式燃燒器技術(shù)參數(shù)（見表2）：

（5）蓄熱式燒嘴安裝示意圖（如圖6所示。）

（6）燒嘴火焰安全保護(hù)系統(tǒng)

每個(gè)蓄熱式燒嘴都配一對(duì)值勤小燒嘴(即點(diǎn)火長(zhǎng)明槍)，用于點(diǎn)火引燃，并配有火焰安全保護(hù)系統(tǒng),主要由電子點(diǎn)火器，紫外火檢和火焰控制器等組成。

每臺(tái)爐配備一臺(tái)點(diǎn)火小風(fēng)機(jī)，使長(zhǎng)明燈著火更穩(wěn)定，并能在蓄熱式燒嘴停止工作保溫時(shí)，關(guān)閉大風(fēng)機(jī)，節(jié)省電耗。

表2 蓄熱式燃燒器技術(shù)參數(shù)

圖6 蓄熱式燒嘴安裝示意圖

（7）蓄熱體

由于銅熔煉爐煙氣中含有大量粉塵，容易堵塞蓄熱式格體空隙，采用帶中心孔和溝槽的莫來石蓄熱球，這樣就能增大通透截面積，增加蓄熱能力，防止堵塞，延長(zhǎng)蓄熱球的更換周期。其特點(diǎn)是；體積小，換熱表面積大，蓄熱量大，換熱速度快，比熱容大；導(dǎo)熱性好；抗腐蝕強(qiáng),急冷急熱性能好,不易脆裂、剝落和變形。高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好。

（8）換向系統(tǒng)

蓄熱式燃燒系統(tǒng)通常是采用成對(duì)燒嘴，在某時(shí)間段，一個(gè)放熱燃燒，一個(gè)排煙蓄熱，在設(shè)定時(shí)間后，火焰換向燃燒。換向分為燃?xì)鈸Q向和空氣∕煙氣換向兩種。

（9）燃?xì)鈸Q向

燃?xì)鈿鈩?dòng)快切閥；在燃?xì)鈸Q向中采用氣動(dòng)燃?xì)饪烨虚y，用于燒嘴前燃?xì)庵鞴艿?，它為電開型單電控氣動(dòng)閥。該閥具有以下特點(diǎn)：采用氣控閥，密封性能良好。該閥的閥盤提升為直動(dòng)式、彈簧復(fù)位、驅(qū)動(dòng)介質(zhì)為壓縮空氣，運(yùn)動(dòng)件滑動(dòng)摩擦部位少、使用壽命長(zhǎng)。在突然停電或停壓縮空氣時(shí)，能在極短的時(shí)間內(nèi)快速切斷燃?xì)獾墓?yīng)，防止安全事故的發(fā)生。

燃?xì)怆姶砰y；電磁閥用于燃?xì)恻c(diǎn)火槍上的燃?xì)夤苈飞系耐〝嚅y，常閉型（斷電時(shí)），開啟時(shí)間短，小于0.5S,關(guān)閉時(shí)間小于1S，其結(jié)構(gòu)緊湊，功耗低。

（10）空氣∕煙氣雙關(guān)三通換向閥

空氣∕煙氣三通換向閥，為雙閥瓣雙驅(qū)動(dòng)小型三通換向閥，換向快，斷火時(shí)間短，能實(shí)現(xiàn)雙關(guān)，優(yōu)化了整個(gè)燃燒系統(tǒng)，系統(tǒng)效率高。耐溫為200℃，切換時(shí)間為1次/min。具有定時(shí)和強(qiáng)制換向功能。三通換向閥可實(shí)現(xiàn)與燃燒器就近安裝的優(yōu)勢(shì)，并能停爐時(shí)完全關(guān)閉，防止?fàn)t膛通過煙道排煙，減少熔液散熱造成的溫降，當(dāng)操作按鈕選擇自動(dòng)方式時(shí),換向動(dòng)作是依據(jù)工藝設(shè)定的定時(shí)換向周期換向和在定時(shí)換向中排煙溫度超溫時(shí)強(qiáng)制換向。當(dāng)操作按鈕選擇手動(dòng)方式時(shí),可單動(dòng)控制各單個(gè)閥的動(dòng)作。

表3 換向閥其性能指標(biāo)

（11）燃?xì)庀到y(tǒng)

燃?xì)庀到y(tǒng)通常包含安全降壓系統(tǒng)，燃燒自控閥組及相應(yīng)管道系統(tǒng)。

安全降壓系統(tǒng)

該系統(tǒng)布置在窯爐附近，屬于爐前調(diào)壓，是把燃?xì)鈮毫τ筛邏赫{(diào)到10～20Kpa左右，該系統(tǒng)配備有：燃?xì)馇蜷y、燃?xì)膺^濾器、燃?xì)鈮毫Ρ怼⑷細(xì)庹{(diào)壓閥、燃?xì)獯祾唛y、燃?xì)夥派㈤y等組成。

燃?xì)庾钥亻y組系統(tǒng)

該系統(tǒng)配置有：燃?xì)鈮毫﹂_關(guān)、燃?xì)馇蜷y、燃?xì)怆妱?dòng)調(diào)節(jié)閥、燃?xì)饬髁坑?jì)、燃?xì)饪焖偾袛嚅y等。

燃?xì)夤苈废到y(tǒng)

燃?xì)夤苈废到y(tǒng)是指由總天然氣管路分別通向燃燒器、長(zhǎng)明槍及燃?xì)庵返母鞑课还芗胺ㄌm等。

（12）助燃風(fēng)系統(tǒng)

助燃風(fēng)系統(tǒng)主要包括：鼓風(fēng)機(jī)、管路減振膨脹節(jié)、現(xiàn)場(chǎng)壓力表閥組、壓力變送器、流量孔板、雙位蝶閥等組成。

雙位蝶閥主要用于實(shí)現(xiàn)大小火助燃風(fēng)的切換，間接實(shí)現(xiàn)燃燒器的大小火脈沖火焰。該閥由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和蝶閥兩部分組成，在蝶閥體與氣缸支架的連接處設(shè)有隔熱層。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由兩只串聯(lián)氣缸組成。每只氣缸各有一只先導(dǎo)電磁閥用外氣源控制?？蓪?shí)現(xiàn)閥門兩種開度，并有限位機(jī)構(gòu)使開度分別可調(diào)。蝶閥閥板的起始角為15℃，全開時(shí)轉(zhuǎn)角為75℃。開度數(shù)值由指針顯示，在系統(tǒng)中作為控制風(fēng)量大小，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。

鼓風(fēng)機(jī)是根據(jù)蓄熱式燃燒系統(tǒng)所需的高風(fēng)壓、小流量的特點(diǎn)風(fēng)而決定的，所以選用耐高溫、耐腐蝕的特種高壓風(fēng)機(jī)。

（13）壓縮空氣系統(tǒng)

壓縮空氣是為燃燒系統(tǒng)氣動(dòng)元件提供氣源，一般壓縮空氣的氣壓為3～4Kg,該系統(tǒng)是由空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、空氣三連件，調(diào)壓閥，手動(dòng)閥，電磁閥等組成。

（14）排煙系統(tǒng)

蓄熱燃燒排煙系統(tǒng)分為主排煙管路和輔排煙管路組成。主排煙管路用于蓄熱式燒嘴燃燒，在主煙道設(shè)有對(duì)應(yīng)的煙道調(diào)節(jié)閥；輔煙道量只占總煙量的10%～20%，主要起到調(diào)節(jié)爐壓的作用和在銅還原煙塵濃度大時(shí)開啟的功效，輔助煙道設(shè)有對(duì)應(yīng)的煙道調(diào)節(jié)閘板。

排煙管路由高溫引風(fēng)機(jī)（配套變頻器）組成，耐溫為200℃，電機(jī)為耐高溫電機(jī)。這種風(fēng)機(jī)具有耐高溫、耐腐蝕、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)。蓄熱燃燒系統(tǒng)主排煙道與輔助煙道共設(shè)一個(gè)煙筒。

（15）自動(dòng)控制系統(tǒng)

a.自控組成

反射爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)是由S7-300PLC控制模塊作為控制器，其中觸摸屏與PLC之間采用MPI通訊，其中 PLC控制器用于生產(chǎn)過程中的邏輯和順序控制，閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和過程I／O處理等。觸摸顯示屏（人機(jī)界面）用于參數(shù)設(shè)定、操作和修改、報(bào)警和事故顯示、過程畫面顯示、系統(tǒng)狀態(tài)顯示等。

b.主要檢測(cè)及控制功能

爐膛溫度檢測(cè)、顯示、控制；

銅液溫度的檢測(cè)、顯示、記錄；

排煙溫度檢測(cè)、顯示、報(bào)警；

爐壓檢測(cè)、顯示與自動(dòng)調(diào)節(jié)；

空、燃?xì)鈮毫Φ蛨?bào)警、顯示及切斷燃?xì)猓?/p>

換向閥換向到位顯示及不到位報(bào)警、聯(lián)鎖功能；

鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)停運(yùn)、燃?xì)饪烨虚y聯(lián)鎖功能；

風(fēng)機(jī)、爐門電機(jī)等的起停控制。

c.控制系統(tǒng)說明

系統(tǒng)啟動(dòng)

系統(tǒng)啟動(dòng)之前可人工選擇是否進(jìn)入爐膛吹掃程序，爐膛吹掃程序由PLC自動(dòng)完成，吹掃約三分鐘后，即可進(jìn)入人工電子點(diǎn)火程序。若火檢探頭檢測(cè)到穩(wěn)定的火焰，PLC接收到信號(hào)后，即認(rèn)為點(diǎn)火成功；若PLC未接收到火焰信號(hào)，即認(rèn)為點(diǎn)火失敗，控制系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警并在控制柜上顯示。

點(diǎn)火成功后，燒嘴既可切換為換向燃燒方式，也可通過觸摸屏畫面的選擇按鈕選擇爐溫控制方式，手動(dòng)控溫/自動(dòng)控溫。

換向控制部分

氣動(dòng)空氣三通換向閥為雙電控氣動(dòng)閥，由二個(gè)電磁鐵控制換向閥的換向，二個(gè)均斷電時(shí)換向閥不動(dòng)作，其中一個(gè)通電時(shí)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的閥位，三通換向閥上裝有二個(gè)行程開關(guān)；分開和關(guān)兩個(gè)位置安裝，用于反饋閥位。燃?xì)饪烨虚y為電開型單電控氣動(dòng)閥。

整個(gè)換向過程如下：

當(dāng)操作按鈕選擇自動(dòng)方式時(shí)，換向動(dòng)作是依據(jù)工藝設(shè)定的定時(shí)換向周期換向和在定時(shí)換向中排煙溫度超溫時(shí)強(qiáng)制換向。當(dāng)操作按鈕選擇手動(dòng)方式時(shí)，可單動(dòng)控制各單個(gè)閥的動(dòng)作。

換向過程描述：假設(shè)初始狀態(tài)是在A位燃燒，則換向信號(hào)到來時(shí)，馬上關(guān)閉A位燃?xì)饪鞌嚅y（QV-102）,延時(shí)1秒將空氣三通換向閥（HXF）切換到空氣通向B位燃燒的閥位，再延時(shí)1秒后打開B位燃?xì)饪鞌嚅y(QV-101),到此完成一次換向周期。再次換向信號(hào)到來時(shí)，狀態(tài)反之。

溫度控制

溫度控制為設(shè)備控制的核心。反射爐設(shè)有2支S分度熱電偶：分別檢測(cè)爐膛溫度，銅液溫度，熱電偶信號(hào)送給PLC進(jìn)行處理并在觸摸屏上顯示。

爐溫控制是根據(jù)熱電偶采集到的溫度信號(hào)，送入PLC中的模擬量輸入模塊，經(jīng)冷端補(bǔ)償，線性化處理，與給定溫度比較，經(jīng)PID運(yùn)算后，輸出信號(hào)控制和調(diào)節(jié)燃燒負(fù)荷的大小，以達(dá)到溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。爐膛溫度由安裝在爐壁的熱電偶檢測(cè)。銅液溫度電偶從爐門測(cè)量。

爐壓控制

在爐壁設(shè)置爐壓取壓點(diǎn)。

爐壓控制采用閉環(huán)控制方式，通過PLC對(duì)爐壓實(shí)際值與設(shè)定值的偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算，通過排煙風(fēng)機(jī)變頻器調(diào)節(jié)排煙風(fēng)機(jī)抽力的大小，從而實(shí)現(xiàn)爐膛壓力的閉環(huán)控制。

系統(tǒng)報(bào)警部分

若下列主要聯(lián)鎖保護(hù)超出限制或未達(dá)到，PLC控制系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警并立即關(guān)閉快切閥切斷燃燒，同時(shí)顯示報(bào)警信息。

鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)關(guān)閉

助燃風(fēng)壓力低

燃?xì)鈮毫Φ?/p>

火檢無信號(hào)

換向閥未到位

爐壓過高

爐膛超溫

排煙溫度超過極限溫度

三、問題和措施

考慮到銅熔煉的特殊性——在還原階段煙塵比較大，容易堵塞蓄熱球的生產(chǎn)特點(diǎn)。我們從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)：

保留原來磚砌煙道作為輔助煙道，在熔化過程中，用閘板關(guān)閉輔助煙道；當(dāng)還原過程時(shí)，煙塵過大，把蓄熱式燃燒系統(tǒng)停掉，排煙換向閥全部關(guān)閉，引風(fēng)機(jī)停止。把輔助煙道閘板打開，使煙塵直接從煙道中排走。

蓄熱球采用帶中心孔和溝槽的莫來石球，這樣就能增大通透截面積，防止堵塞，增加蓄熱能力，延長(zhǎng)蓄熱球的更換周期。

合理設(shè)計(jì)蓄熱室箱裝、卸小球門，快捷打開和關(guān)閉，使換球時(shí)間大大縮短，整個(gè)用時(shí)不超過30分鐘，在更換蓄熱球時(shí)，不會(huì)影響生產(chǎn)。

在工藝上，還可考慮用天然氣代替煤粉或木材作為還原介質(zhì)，也可大大降低煙塵含量。

四、經(jīng)濟(jì)效益分析

改造后效益：

1.單爐產(chǎn)量：100t∕爐；

2.改造前單位能耗：100Nm3∕t；

3.改造后單位能耗：70Nm3∕t；

4.節(jié)約能耗：30%；

5.燃?xì)鈫蝺r(jià)：3元∕Nm3；

6.月爐生產(chǎn)次數(shù)：25爐；

7.單爐月節(jié)約金額=100t∕爐×100Nm3∕t×30%×3元∕Nm3×25次=22.5萬∕月爐。

五、結(jié)論

1.在同反射爐中采用蓄熱式燃燒技術(shù)取代普通的燃燒技術(shù)是可行的。

2.改造后可使落后的同反射爐改變?yōu)樾滦偷母咝Ч?jié)能爐窯。

3.節(jié)能減排效果明顯，其節(jié)能可達(dá)25%～35%，能為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.改造后環(huán)保要求完全可達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。