陽極爐多氧燃燒技術(shù)改造實踐

陳一波 曲鴻斌

(1.江銅集團貴溪冶煉廠, 江西 貴溪 335424； 2.北京凱明陽熱能技術(shù)有限公司, 北京 100012)

設(shè)備節(jié)能

陽極爐多氧燃燒技術(shù)改造實踐

陳一波1曲鴻斌2

(1.江銅集團貴溪冶煉廠, 江西 貴溪 335424； 2.北京凱明陽熱能技術(shù)有限公司, 北京 100012)

提高助燃風(fēng)氧氣濃度一直是冶金爐窯的降低能源消耗最高效的措施，其難點在于如何使?fàn)t內(nèi)溫度分布均勻，避免局部溫度過高損壞爐襯耐火磚，多氧燃燒系統(tǒng)較好地解決了上訴問題。本文介紹了多氧燃燒系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成，以及貴冶熔煉一系統(tǒng)350 t陽極爐進行多氧燃燒改造后的生產(chǎn)實踐。 改造后提高了自動化程度，降低了重油消耗，大幅減少了污染物排放。

陽極爐； 多氧燃燒； 熔體溫度； 重油單耗

0 前言

江西銅業(yè)集團貴溪冶煉廠(以下簡稱貴冶)4號陽極爐是由1996年貴冶二期“兩爐一機”工程引進的兩臺奧托昆普回轉(zhuǎn)式陽極爐，設(shè)計爐處理粗銅量為350 t/d。隨著貴冶技術(shù)革新，4號陽極爐先后經(jīng)歷了燃燒室改為余熱鍋爐、摻氮還原、摻蒸汽還原、增設(shè)透氣磚系統(tǒng)等技術(shù)改造，其在節(jié)能、減排、增產(chǎn)等多個方面都取得了較大進步，但其生產(chǎn)工序仍具有改進潛力。

陽極爐生產(chǎn)工序分為加料期、氧化期、還原期、澆鑄期四個階段，除還原期外其它周期都依靠燃燒重油供熱。常溫、常氧空氣助燃的重油燃燒系統(tǒng)中，不參與燃燒反應(yīng)的氣體成分(主要是氮氣)進入爐膛內(nèi)轉(zhuǎn)化成的高溫?zé)煔鈳ё叩臒崮艹^爐膛熱量的60%，不僅浪費燃料而且增加了污染物排放。故采用傳統(tǒng)的燃燒工藝的陽極爐是熔煉段的耗能大戶，為降低其燃料消耗及污染物的排放，貴冶在2014年5月對4號陽極爐進行了多氧燃燒系統(tǒng)改造，并于2014年6月18日開始試生產(chǎn)。

1 多氧燃燒系統(tǒng)的工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 多氧燃燒系統(tǒng)的工作原理

提高傳統(tǒng)燃燒器中助燃風(fēng)的氧氣濃度勢必造成爐膛內(nèi)熱量過于集中、熱負(fù)荷不均勻、爐襯損耗加劇。多氧燃燒系統(tǒng)的燃燒原理與傳統(tǒng)燃燒器有本質(zhì)區(qū)別，它徹底拋棄了以往傳統(tǒng)燃燒器用空氣助燃的方式，改用純度95%以上的氧氣為重油助燃，在大幅減少鼓入爐內(nèi)的氣體總量、提高熱利用率的同時，確保爐膛內(nèi)溫度分布均勻，無明顯高溫區(qū)、爐襯損耗可控。多氧燃燒系統(tǒng)的創(chuàng)新突破點和關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在以下兩方面：

(1)重油逐級燃燒技術(shù)。供氧單元將助燃氧氣分為一次氧和二次氧給燃燒器供氧，其通過兩支氧氣噴槍將氧氣以不同的壓力和流量噴入爐內(nèi)，兩支氧氣噴槍分別與重油噴槍形成不同的夾角。重油在油槍內(nèi)經(jīng)蒸汽霧化后形成重油霧滴噴入爐內(nèi)。首先部分重油霧滴與一次氧進行初步混合燃燒，形成根部火焰；未燃燒的重油霧滴在爐膛中部與二次氧再次摻混進行完全燃燒，形成無焰火焰。 重油逐級燃燒技術(shù)使氧氣與重油霧滴在爐膛內(nèi)逐級摻混，逐級燃燒，擴大了燃燒空間，分散了火焰強度，降低了火焰的溫度，實現(xiàn)了彌漫性燃燒，爐膛內(nèi)沒有明顯的高溫區(qū)，溫度分布均勻。同時，該系統(tǒng)可通過調(diào)整一次氧和二次氧流量比例來調(diào)整根部火焰長度，更好的適應(yīng)工藝需求。

(2)氧氣卷吸技術(shù)。多氧燃燒系統(tǒng)的氧氣供應(yīng)壓力高、噴射速度快，高速噴射的氧氣產(chǎn)生的動能卷吸周圍已經(jīng)燃燒完全的煙氣進行摻混，降低了單位體積內(nèi)的氧氣濃度，從而降低了重油在爐膛內(nèi)的燃燒速度，實現(xiàn)降低火焰溫度的目的。

1.2 多氧燃燒系統(tǒng)的構(gòu)成

多氧燃燒系統(tǒng)由多氧燃燒器、供氧單元、供油單元及DCS控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 多氧燃燒系統(tǒng)流程圖

多氧燃燒器包括燒嘴磚、重油噴槍、氧氣噴槍三部分，如圖2所示。重油噴槍安裝在燒嘴磚中心，一次氧噴槍安裝在重油噴槍正上方、二次氧噴槍安裝在重油噴槍的正下方，并分別與重油噴槍的軸線形成一定的夾角。

圖2 多氧燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

供氧單元由壓力變送器、流量計、壓力調(diào)節(jié)閥、流量調(diào)節(jié)閥等一系列儀表元件組成。上述儀表元件在DCS系統(tǒng)的控制下將制氧站的中壓氧氣分為一次氧和二次氧，分別向多氧燃燒器的一次氧槍和二次氧槍按所需流量供給不同壓力的氧氣。

供油單元由壓力變送器、重油壓力調(diào)節(jié)閥、流量調(diào)節(jié)閥和蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥等一系列儀表元件組成。上述儀表元件在DCS系統(tǒng)的控制下將重油和霧化蒸汽以穩(wěn)定的壓力和流量供給多氧燃燒器的重油噴槍，并通過吹掃蒸汽調(diào)節(jié)閥在熄火時自動控制吹掃蒸汽的流量。

2 陽極爐改造內(nèi)容

2.1 安裝多氧燃燒器

空氣助燃燃燒器結(jié)構(gòu)簡單但體積大、外形笨重，與之配套的燃燒風(fēng)輸送管道口徑大，占據(jù)爐前操作平臺空間較大。在其整體拆除后騰出的空間可安裝多氧燃燒器及其對應(yīng)的氧氣、重油、蒸汽輸送管道。多氧燃燒器的不銹鋼外殼采用焊接方式固定在原有燃燒器的位置，其燒嘴磚采用螺栓固定在不銹鋼外殼內(nèi)。燒嘴磚安裝到位后再砌筑爐體端墻耐火磚，使之與燒嘴磚形成整體。

2.2 改造供油單元

由于原有供油單元設(shè)計供油能力過大，在重油流量較低時難以穩(wěn)定控制，且設(shè)備自動化程度較低，將其整體拆除后在原位置重新安裝多氧燃燒系統(tǒng)供油單元。新的供油單元實現(xiàn)了重油小流量的穩(wěn)定控制，并提供壓力恒定的霧化蒸汽和流量穩(wěn)定的吹掃蒸汽為重油穩(wěn)定燃燒提供了更好的保障。同時設(shè)備自動化程度得到提高，其全部由DCS系統(tǒng)在儀表室遠(yuǎn)程控制，改善了操作人員的工作環(huán)境。

2.3 增設(shè)供氧單元

在陽極爐鍋爐遠(yuǎn)離爐體的一側(cè)安裝多氧燃燒系統(tǒng)的供氧單元，確保其遠(yuǎn)離明火。供氧單元出口采用2根小口徑不銹鋼管延長至爐前多氧燃燒器側(cè)邊平臺，再通過金屬軟管與氧氣噴槍相連接。

2.4 改造控制系統(tǒng)

在陽極爐原有DCS控制系統(tǒng)中植入多氧燃燒系統(tǒng)控制程序。該控制程序不僅可通過DCS系統(tǒng)監(jiān)視各儀表檢測數(shù)據(jù)、實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的手動控制和自動跟蹤，同時還編寫了“一鍵點火”和“一鍵熄火”程序，使操作更加簡單、快捷，客觀上也降低了操作人員誤操作的概率。為確保多氧燃燒系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，控制程序還設(shè)置了一系列的參數(shù)異常報警和自動保護熄火功能，并與鍋爐關(guān)鍵報警參數(shù)形成連鎖，確保鍋爐安全。

3 改造效果

改造后的4號陽極爐于2014年6月18日開始投料生產(chǎn)。幾個月的生產(chǎn)實踐表明，技術(shù)改造取得了明顯的效果，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

3.1 節(jié)能效果顯著

多氧燃燒器與傳統(tǒng)空氣助燃燃燒器對比熱利用率大幅提升。在銅液每小時升溫幅度相同的情況下，4號爐所需重油流量僅為3號爐的50%(3號爐采用空氣助燃，非多氧燃燒技術(shù))，如表1所示。4號爐3個月累計重油消耗及噸銅重油單耗均不到3號爐的50%，如表2所示。

表1 不同升溫幅度下每小時所需重油量

3.2 污染物排放量大幅減少

4號陽極爐經(jīng)過多氧燃燒系統(tǒng)改造后，單位時間內(nèi)重油消耗量減少了一半，從而減少了50%的CO2排放，而且在爐膛空間不變的情況，相對擴大了燃燒空間，使燃燒更加充分，減少黑煙產(chǎn)生。同時改造后的燃燒系統(tǒng)鼓入爐內(nèi)助燃?xì)怏w總量由8 000 Nm3/h減少到400 Nm3/h，大幅減少了煙氣排放量，爐膛內(nèi)氮氣含量降低也減少了NOx的排放，具體見表3所示。

表2 3個月累計產(chǎn)出與消耗統(tǒng)計

表3 排煙總管煙氣檢測數(shù)據(jù)對比

3.3 提升了還原劑的利用率

在還原期采用純度95%以上的氧氣取代空氣與過量LPG進行燃燒反應(yīng)，可以確保其燃燒更加完全，減少黑煙；同時減少煙氣排放量和熱量損失，提高還原期的升溫幅度、縮短還原時間，具體見表4所示。

表4 還原期主要指標(biāo)對比

3.4 爐襯損耗穩(wěn)定可控

多氧燃燒系統(tǒng)采用二級摻混、二級燃燒，著火點與燒嘴有一定距離，減輕了燒嘴磚和端墻的燒蝕?？赏ㄟ^定期熄火測量油槍孔和氧槍孔周邊燒嘴磚的厚度來監(jiān)控?zé)齑u整體損耗情況。測量結(jié)果顯示其損耗穩(wěn)定可控，使用壽命可與爐體其它部位耐材相當(dāng)，具體見表5所示。大部分重油和氧氣在爐膛中部彌漫性燃燒，爐膛沒有明顯的高溫區(qū)，溫度分布均勻，爐內(nèi)點檢未見局部耐材損傷，提高了爐內(nèi)耐材使用壽命。

表5 燒嘴磚厚度檢測結(jié)果 單位：mm

3.5 提高了自動化控制程度

多氧燃燒系統(tǒng)所有控制元件均由DCS系統(tǒng)控制，并通過編制特定程序?qū)崿F(xiàn)“一鍵點火”、 “一鍵熄火”，操作簡單、快捷，自動化程度高，可避免因操作不當(dāng)造成氧、油供給不同步以及油槍吹掃蒸汽流量過大而冒黑煙的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

多氧燃燒系統(tǒng)的使用，大幅提高了陽極爐的熱利用效率，減少了能源消耗和污染物排放，降低了燃料成本和煙氣處理設(shè)施運行成本。該系統(tǒng)在4號陽極爐試點運行后將逐步推廣至其它陽極爐，將為工廠創(chuàng)造更加可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

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Retrofit of Anode Furnace with Oxygen-rich Combustion Technology

CHEN Yi-bong, QU Hong-bin

To increase the concentration of oxygen in the combustion supporting air has always been the most efficient measure to lower the energy consumption of metallurgical furnaces. The difficulty lies in how to make the furnace temperature evenly distribution, and avoid local high temperature damaging the refractory. oxygen-rich combustion system can solve the above problem well. This paper introduces the working principle and system component of oxygen-rich combustion, as well as the oxygen-rich combustion trsansformaition practice for 350-ton anode furnace in No I smelting system of Guixi smelter. It improves automatic level, lowers heavy oil consumption and reduces emission reduction significantly after retrofit.

anode furnace; oxygen-rich combustion; melt-temperature; heavy oil consumption

2014-12-20

陳一波(1984—)，男，湖南常德人，大專學(xué)歷，助理工程師，主要從事陽極爐生產(chǎn)管理和技術(shù)工作。

TF806

B

1008-5122(2015)02-0029-04