萬(wàn) 軍， 吳長(zhǎng)林， 王成國(guó)， 李 立， 肖 軍

(大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司 冶煉廠， 湖北 黃石 435101)

銅陽(yáng)極爐稀氧燃燒技術(shù)的生產(chǎn)實(shí)踐

萬(wàn) 軍， 吳長(zhǎng)林， 王成國(guó)， 李 立， 肖 軍

(大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司 冶煉廠， 湖北 黃石 435101)

簡(jiǎn)述了稀氧燃燒技術(shù)的基本原理和主要特征，對(duì)比分析了稀氧燃燒技術(shù)的節(jié)能減排效果以及生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題。通過(guò)摸索及工藝調(diào)整，縮短了陽(yáng)極爐天然氣還原操作時(shí)間30分鐘以上。通過(guò)火焰長(zhǎng)度的調(diào)整以及加強(qiáng)爐壽維護(hù)，大大延長(zhǎng)了爐壽。

稀氧燃燒； 銅陽(yáng)極爐； 節(jié)能減排； 天然氣還原； 爐壽

0 前言

近年來(lái)，大冶有色冶煉廠開(kāi)展了一些列的冶化技改工程項(xiàng)目，其主要工藝技術(shù)、裝備水平達(dá)到了國(guó)內(nèi)較先進(jìn)水平，主要產(chǎn)品產(chǎn)量創(chuàng)歷史新高，整體實(shí)力實(shí)現(xiàn)了跨越式地發(fā)展。近幾年，國(guó)際有色金屬市場(chǎng)持續(xù)低迷，銅冶煉企業(yè)利潤(rùn)空間越來(lái)越小，節(jié)能降耗是提高生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益的有效途徑。

大冶有色冶煉廠陽(yáng)極爐保溫原采用傳統(tǒng)常溫助燃風(fēng)燃燒天然氣，其天然氣消耗占陽(yáng)極銅生產(chǎn)總成本的60%以上。2013年底大冶有色冶煉廠引進(jìn)徐州燃控科技股份有限公司的稀氧燃燒技術(shù)對(duì)2#陽(yáng)極爐燃燒器進(jìn)行了改造，其節(jié)能減排效果明顯。

1 稀氧燃燒技術(shù)

1.1 稀氧燃燒技術(shù)原理

稀氧燃燒技術(shù)是純氧助燃燃燒的一種，其主要原理為：以純氧為助燃介質(zhì)進(jìn)行助燃，燃料和氧氣通過(guò)不同噴嘴高速射入爐膛，高速射流卷吸爐膛內(nèi)的煙氣，燃料和氧氣被迅速稀釋?zhuān)跔t膛形成一種漫射的、火焰溫度分布一致的燃燒加熱體系。圖1大冶有色冶煉廠稀氧燃燒燒嘴示意圖以及2#陽(yáng)極爐現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況照片。

圖1 大冶有色冶煉廠稀氧燃燒燒嘴示意圖以及2#陽(yáng)極爐現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況照片

1.2 稀氧燃燒技術(shù)特點(diǎn)

(1)采用純氧助燃，熱效率高，節(jié)約原料，減少排放。相對(duì)于傳統(tǒng)常溫助燃風(fēng)燃燒，純氧燃燒鼓入的風(fēng)量大大降低，有效的減少陽(yáng)極爐煙氣體積(最高可達(dá)70%以上)，達(dá)到了降低煙氣帶走的熱損失目的，燃燒效率得到提高，燃料消耗降低；同時(shí)，煙氣量的減少能降低陽(yáng)極爐排煙風(fēng)機(jī)和煙囪的運(yùn)行負(fù)荷。

(2)卷吸爐膛高溫?zé)煔獾南♂屪饔?，燃燒火焰溫度較常規(guī)氧氣助燃燃燒低。圖2為煙氣卷吸率R與燃燒火焰溫度曲線圖。由圖可知，傳統(tǒng)的純氧燃燒火焰溫度很高(R=0)，容易形成局部溫度過(guò)高的“熱點(diǎn)”，影響陽(yáng)極爐爐襯使用壽命；稀氧燃燒(R=8)的卷吸煙氣稀釋作用，使得純氧助燃燃燒獲得與傳統(tǒng)助燃風(fēng)助燃燃燒同樣的火焰溫度(水平粗實(shí)線)。

圖2 爐內(nèi)煙氣卷吸率R與燃燒火焰溫度曲線圖

1.3 稀氧燃燒控制系統(tǒng)

2#陽(yáng)極爐稀氧燃燒采用一套單獨(dú)的控制系統(tǒng)對(duì)燃燒器進(jìn)行自動(dòng)控制，在陽(yáng)極爐爐前操作室實(shí)現(xiàn)對(duì)

天然氣流量、環(huán)氧比例、中心氧氣(或壓縮空氣)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 稀氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

2.1 生產(chǎn)實(shí)踐情況

2#陽(yáng)極爐稀氧燃燒系統(tǒng)在2014年2月底開(kāi)始投產(chǎn)使用，3月下旬出現(xiàn)出銅口下方1.5 m，向爐頭1 m左右位置耐火磚損耗過(guò)快，爐殼發(fā)紅現(xiàn)象，被迫停爐檢修。4月初再次投入生產(chǎn)，期間出現(xiàn)一種現(xiàn)象：氧化速度慢，很難達(dá)到氧化終點(diǎn)，氧化時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)5～6 h。通過(guò)前期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及優(yōu)化改進(jìn)，到目前為止，總體性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求：

(1)操作方便。其一燃燒器上配有高能點(diǎn)火槍?zhuān)ㄟ^(guò)點(diǎn)火槍產(chǎn)生的能量點(diǎn)燃中心燃燒器，解決過(guò)去人工點(diǎn)火，保證操作人員安全；其二操作人員只需要控制天然氣的量，氧氣它會(huì)自動(dòng)按照設(shè)定的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少了操作上的失誤。

(2)系統(tǒng)安全可靠。稀氧燃燒系統(tǒng)設(shè)置了滅火保護(hù)、壓力保護(hù)，火檢探測(cè)器檢測(cè)到正在運(yùn)行的陽(yáng)極爐無(wú)火或氧氣天然氣壓力過(guò)低會(huì)自動(dòng)切斷進(jìn)氣閥，保障人員和設(shè)備的安全。

(3)節(jié)能減排效果明顯。該廠2#陽(yáng)極爐與3#陽(yáng)極爐規(guī)格及配套設(shè)施相同，3#陽(yáng)極爐仍采用傳統(tǒng)空氣助燃燃燒天然氣，在相同的工況條件下，各階段天然氣消耗如表1所示。

表1 該廠2#、3#陽(yáng)極爐各階段天然氣消耗及平均煙氣量情況

表1 該廠2#、3#陽(yáng)極爐各階段天然氣消耗及平均煙氣量情況

由表可知：應(yīng)用稀氧燃燒技術(shù)后，陽(yáng)極爐銅單耗有較大的降低，實(shí)際天然氣單耗為傳統(tǒng)壓縮空氣助燃的34.3%，節(jié)能效果明顯。

(4)火焰長(zhǎng)度可調(diào)。設(shè)備點(diǎn)火正常運(yùn)行后，中心氧改為壓縮空氣，通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓縮空氣的流量及壓力可以調(diào)節(jié)火焰的長(zhǎng)度，火焰長(zhǎng)度達(dá)到4～8 m范圍可調(diào)。

2.2 對(duì)陽(yáng)極爐氧化還原操作的影響

銅陽(yáng)極爐爐內(nèi)氧化還原氛圍對(duì)氧化、還原操作過(guò)程有較大的影響。該廠2#陽(yáng)極爐采用稀氧燃燒系統(tǒng)改造后，期間出現(xiàn)氧化速度慢，很難達(dá)到氧化終點(diǎn)，氧化時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)5～6 h。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，該廠在爐膛負(fù)壓控制和環(huán)氧比例系數(shù)調(diào)節(jié)方面進(jìn)行了摸索和研究。

2.2.1 負(fù)壓控制

氧化時(shí)間偏長(zhǎng)的原因：由于使用稀氧燃燒，爐子煙氣量的大大減少(約為傳統(tǒng)燃燒的30%)，在氧化階段，爐膛內(nèi)SO2排出速度減慢，SO2分壓較高，導(dǎo)致脫硫速度較慢，造成氧化時(shí)間延長(zhǎng)。

生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)加大爐膛內(nèi)負(fù)壓和提高銅水溫來(lái)加快脫硫；另外，可通過(guò)轉(zhuǎn)爐粗銅適當(dāng)過(guò)吹，實(shí)現(xiàn)來(lái)縮短精煉爐氧化時(shí)間。經(jīng)過(guò)一些列的優(yōu)化，該廠2#陽(yáng)極爐氧化操作時(shí)間與3#陽(yáng)極爐基本相同，基本控制在2 h以?xún)?nèi)。

經(jīng)過(guò)摸索，銅水溫度控制范圍為1180～1220 ℃。各階段爐膛負(fù)壓控制范圍如表2所示。

表2 2#陽(yáng)極爐各階段爐膛負(fù)壓控制范圍

2.2.2 環(huán)氧比例系數(shù)調(diào)節(jié)

利用稀氧燃燒系統(tǒng)能靈活調(diào)整環(huán)氧比例系數(shù)的特性，可改變爐內(nèi)氧化還原氛圍。該廠對(duì)銅水溫度為1180～1220℃范圍內(nèi)的不同環(huán)氧比例系數(shù)與氧化還原操作時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行了摸索，試驗(yàn)得到氧化還原操作時(shí)間與環(huán)氧比例系數(shù)的關(guān)系如圖3所示。

圖3 氧化還原操作時(shí)間與環(huán)氧比例系數(shù)的關(guān)系

由關(guān)系曲線可知：隨著環(huán)氧比例系數(shù)的越大，爐膛內(nèi)氧化氛圍越強(qiáng)，氧化操作時(shí)間縮短；環(huán)氧比例系數(shù)越小，爐膛內(nèi)還原氛圍越濃，還原操作時(shí)間縮短。

利用環(huán)氧比例系數(shù)與氧化還原操作時(shí)間的關(guān)系，在環(huán)氧比例系數(shù)許可的變化范圍內(nèi)(天然氣燃燒發(fā)熱滿足保溫需求)，及時(shí)調(diào)整環(huán)氧比例系數(shù)可以?xún)?yōu)化陽(yáng)極爐氧化還原操作，縮短作業(yè)時(shí)間。該廠陽(yáng)極爐環(huán)氧比例系數(shù)控制范圍為：氧化階段2.05～2.20、還原階段為1.80～1.90、待料及澆鑄階段1.90～2.10。

經(jīng)過(guò)2#、3#陽(yáng)極爐的對(duì)比實(shí)驗(yàn)：通過(guò)對(duì)環(huán)氧比例系數(shù)和負(fù)壓的調(diào)節(jié)，在同等條件下(銅量、溫度、氧化程度、還原天然氣流量和壓力相同)，2#陽(yáng)極爐使用天然氣的還原操作時(shí)間較3#陽(yáng)極爐縮短了30 min以上。

2.3 稀氧燃燒對(duì)陽(yáng)極爐爐壽的影響及改善措施

據(jù)了解，國(guó)內(nèi)其他同行企業(yè)在陽(yáng)極爐應(yīng)用稀氧燃燒技術(shù)時(shí)，陽(yáng)極爐爐壽均受到了較大的影響，一般為3～6個(gè)月，比使用傳統(tǒng)燃燒器的陽(yáng)極爐壽命低3個(gè)月以上。該廠2#陽(yáng)極爐處于生產(chǎn)尾期，使用稀氧燃燒生產(chǎn)約20天，出現(xiàn)出銅口下方1.5 m，向爐頭1 m左右位置耐火磚損耗過(guò)快，爐殼發(fā)紅現(xiàn)象。

2.3.1 影響爐壽原因分析

根據(jù)分析，稀氧燃燒對(duì)爐壽影響的主要是造成局部爐襯損耗過(guò)快，其原因?yàn)椋?/p>

(1)不同操作階段爐內(nèi)銅水量不同，爐膛上空間不同，稀氧燃燒的卷吸效果不一樣，導(dǎo)致部分時(shí)間段爐內(nèi)存在局部為高濃氧與天然氣的直接燃燒，燃燒火焰溫度偏高，陽(yáng)極爐耐火磚燒損加快。

(2)操作經(jīng)驗(yàn)不足，燒嘴維護(hù)清理不及時(shí)，存在火焰歪燒；

(3)燒嘴安裝時(shí)有5～10度向下的傾角，爐子在氧化還原操作時(shí)，火焰長(zhǎng)度較短，直接燒至該區(qū)域耐火磚，導(dǎo)致燒損快。

其他可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題：燒嘴磚出口是純氧與天然氣混合燃燒，局部燃燒隔熱，燒嘴磚及爐頭端墻燒損快，影響整體爐壽。

2.3.2 改進(jìn)措施

針對(duì)稀氧燃燒對(duì)陽(yáng)極爐爐壽的影響，大冶有色冶煉廠在設(shè)計(jì)和應(yīng)用稀氧燃燒系統(tǒng)時(shí)采取了一系列的措施：

(1)設(shè)計(jì)稀氧燃燒系統(tǒng)時(shí)，在中心氧氣管道上并入一套壓縮空氣管道，正常生產(chǎn)過(guò)程中替代中心氧以達(dá)到調(diào)節(jié)火焰的長(zhǎng)度目的，降低爐頭端墻及燒嘴磚局部劇烈燃燒過(guò)熱。

(2)生產(chǎn)過(guò)程中，摸索在不同操作階段、爐膛空間下稀氧燃燒系統(tǒng)天然氣的流量及環(huán)氧比例系數(shù)的調(diào)節(jié)范圍，測(cè)量和比較陽(yáng)極爐筒體表面不同位置溫度變化情況，得到了最優(yōu)的天然氣流量控制方案，并在筒體表面溫度較高的渣線區(qū)域采取風(fēng)冷降溫處理。

(3)通過(guò)試驗(yàn)探索出了不同階段余熱鍋爐出口的負(fù)壓控制范圍：帶料、澆鑄期-50～0 Pa，氧化期-150～-200 Pa，還原期-100～-150 Pa。

(4)爐前操作人員及時(shí)觀察爐內(nèi)火焰燃燒狀況，以爐膛內(nèi)煙氣混濁、且無(wú)明顯集中火焰為佳，定時(shí)、及時(shí)對(duì)燒嘴磚槍孔和燃燒槍頭進(jìn)行清理，確保氣流通暢，防止火焰燒偏。

通過(guò)以上改進(jìn)措施后，從2014年4月4日至10月22日，稀氧燃燒在該廠2#陽(yáng)極爐后期生產(chǎn)了近200天，爐內(nèi)耐火磚燒損情況基本正常，爐內(nèi)耐火磚損耗比較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)局部燒損過(guò)快和影響爐壽的情況。

3 結(jié)論

通過(guò)8個(gè)多月的生產(chǎn)實(shí)踐，銅陽(yáng)極爐應(yīng)用稀氧燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排在大冶有色冶煉廠已取得較好的效果：

(1)陽(yáng)極爐燃燒天然氣單耗降低了60%以上，外排煙氣量減少了70%左右；

(2)利用對(duì)爐膛負(fù)壓的及時(shí)控制、環(huán)氧比例系數(shù)調(diào)整，縮短了銅陽(yáng)極爐氧化還原操作的時(shí)間30 min以上；

(3)通過(guò)火焰長(zhǎng)度的可調(diào)整以及加強(qiáng)爐壽維護(hù)，大大延長(zhǎng)了陽(yáng)極爐爐壽，稀氧燃燒技術(shù)對(duì)陽(yáng)極爐爐壽基本上不會(huì)產(chǎn)生大的影響。

The Practice of Dilute Oxygen Combustion Technology in Copper Anode Furnace

WAN Jun， WU Chang-lin， WANG Cheng-guo， LI Li， XIAO Jun

(Smelting Plant, Daye Nonferrous Metals Group Co., Ltd. Huangshi 435101, China)

The paper briefly introduces the basic principle and main features of dilute oxygen combustion technology, analyses and compares the effect of energy saving and emission reduction of the dilute oxygen combustion technology and some problems in the production process. The operation time for the anode furnace is shortened more than 30 minutes through the exploration and adjustment. The furnace life is greatly prolonged through adjustment of flame length and strengthening furnace maintenance.

dilute oxygen combustion； copper anode furnace； energy saving and emission reduction； life length of furnace

2014-09-12

萬(wàn) 軍(1973-)，男，湖北黃石人，冶金高級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事銅冶金工作，現(xiàn)任大冶有色金屬有限責(zé)任公司冶煉廠副廠長(zhǎng)。

吳長(zhǎng)林(1981-)，男，湖南永州人，冶金工程師，大學(xué)本科，主要從事銅冶金工作，現(xiàn)任大冶有色金屬有限責(zé)任公司冶煉廠轉(zhuǎn)爐車(chē)間工藝副主任。

TF811

B

1003-8884(2014)05-0045-04

王成國(guó)(1968-)，男，湖北蘄春人，冶金高級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事銅冶金工作，現(xiàn)任大冶有色金屬有限責(zé)任公司冶煉廠技術(shù)科科長(zhǎng)。