稀氧燃燒技術在銅精煉反射爐上的應用

羅雄波

(銅陵有色設計研究院， 安徽 銅陵 244000)

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重金屬

稀氧燃燒技術在銅精煉反射爐上的應用

羅雄波

(銅陵有色設計研究院， 安徽 銅陵 244000)

簡要介紹了稀氧燃燒技術的原理，分析了應用稀氧燃燒技術的優(yōu)勢。銅精煉反射爐應用稀氧燃燒技術后，在節(jié)能、環(huán)保、降低生產(chǎn)成本等方面取得了顯著效果。

銅精煉； 稀氧燃燒； 反射爐； 節(jié)能環(huán)保

0 前言

目前國內(nèi)銅冶煉廠粗銅火法精煉爐的燃燒系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的大風量助燃燃料燃燒方式，其工藝水平不高，能耗高，污染嚴重。

內(nèi)蒙古巴彥淖爾市飛尚銅業(yè)有限公司是一家年產(chǎn)10萬t陽極銅的大型銅冶煉企業(yè)。2013年，公司對熔煉系統(tǒng)和PS轉(zhuǎn)爐吹煉系統(tǒng)進行了一系列的優(yōu)化升級和技改提升， 2014年底投入運行后，主要產(chǎn)品產(chǎn)量創(chuàng)歷史新高，成本單耗大大降低，但是陽極爐精煉系統(tǒng)仍然采用的是傳統(tǒng)燃燒技術。2015年，為了進一步節(jié)能降耗，符合國家產(chǎn)業(yè)政策要求，公司采用稀氧燃燒技術對陽極精煉系統(tǒng)進行了優(yōu)化升級和技術改造。

1 陽極爐精煉系統(tǒng)的現(xiàn)狀

飛尚銅業(yè)公司冶煉系統(tǒng)采用富氧熔池熔煉-PS轉(zhuǎn)爐吹煉- 固定式陽極爐精煉流程，底吹熔煉爐產(chǎn)出冰銅，冰銅經(jīng)PS轉(zhuǎn)爐吹煉產(chǎn)出粗銅，粗銅送陽極爐精煉除雜后澆鑄成陽極板。

技改前，陽極爐精煉燃燒系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)普通空氣助燃重油的燃燒方式，其存在以下問題：

(1)助燃空氣有效助燃成分氧氣的含量僅21%左右，其它約78%的含有大量顯熱的氮氣從煙道排出，造成爐膛內(nèi)大量的熱損失，為了保證熱量平衡,必須燃燒大量的燃料,燃料消耗增加，產(chǎn)品單耗高。

(2)爐內(nèi)溫度分布不均勻，且高溫火焰對爐體耐火材料產(chǎn)生不利影響，降低爐襯壽命。

(3)需要鼓入大量的空氣，導致精煉收塵系統(tǒng)廢氣排放量大，不僅需采用大功率的助燃風機，還需要大功率的排風機,大大增加了精煉風機系統(tǒng)的電耗。

(4)陽極爐精煉系統(tǒng)采用粉煤作還原劑，還原階段未反應或未完全燃燒的還原劑呈碳黑形式排出，形成黑煙或附著在銅液表面，造成嚴重的黑煙污染。

2 稀氧燃燒技術簡介

目前，氧氣已經(jīng)被廣泛應用于銅熔煉、吹煉工藝中，用來強化冶煉過程，減少煙氣煙塵排放[1]。采用富氧助燃的稀氧燃燒技術，具有更高效的熱效率、更低的煙氣產(chǎn)生量、更快的提溫速度和更容易控制爐內(nèi)氣氛的優(yōu)點，其也被有色行業(yè)所使用[2]。國內(nèi)目前已有銅冶煉企業(yè)將稀氧燃燒技術應用于固定式陽極爐。

2.1 稀氧燃燒技術的原理

傳統(tǒng)燃燒技術采用普通空氣作為助燃劑，這種燃燒方式存在煙氣量大、 熱效率低、燃料消耗高等弊端。在煙氣溫度達到1 300 ℃左右時，煙氣帶走的熱量高達60%以上[3]。

稀氧燃燒技術是用氧氣替代空氣作為助燃劑，氧氣與燃料一起通過不同噴嘴高速射入爐膛中，通過高速射流的卷吸攪動，燃料和氧氣與爐膛內(nèi)氣體混合燃燒，形成一種穩(wěn)定的、漫射的、火焰分布均勻的燃燒加熱體系。這種加熱體系具有低的火焰峰值溫度且傳熱均勻，相比傳統(tǒng)噴嘴可以減少熱點的產(chǎn)生。同時，爐膛內(nèi)的高溫煙氣因高速射流的卷吸攪動而循環(huán)，使火焰燃燒溫度降低，并且降低了氮氧化物的排放。

2.2 稀氧燃燒裝置

稀氧燃燒裝置由控制閥組、燃燒燒嘴和控制系統(tǒng)三部分組成。

2.2.1 控制閥組

控制閥組的管路含有氧氣管路、重油管路等。

氧氣管路總管上設有手動閥、減壓閥、壓力變送器、氣動切斷閥，氣動切斷閥后分兩支路(中心氧、卷吸氧)進燒嘴，每個支路上設快速氣動切斷閥、流量計、流量調(diào)節(jié)閥、壓力表等。

重油管路入口設有過濾器，過濾后的重油再經(jīng)過氣動切斷閥、流量計、流量調(diào)節(jié)閥進入油槍。

此外還設有霧化壓縮空氣閥組和儀表用壓縮空氣閥組等。

2.2.2 燃燒燒嘴

稀氧燃燒燒嘴由油槍、氧槍、燒嘴磚組成。其中，油槍有3個通道，分別用來噴射重油、霧化空氣和氧氣或壓縮空氣；氧槍為單通道，只通氧氣；燒嘴磚用來安裝固定油槍和氧槍，為鉻剛玉材質(zhì)整體澆鑄的圓柱體，燒嘴磚上另外還預設了用于安裝火焰探測器的火焰探測孔和用于安裝點火槍的點火孔。

該燒嘴的特點是能使燃燒火焰均勻而彌散，具有低的火焰峰值溫度和均勻的傳熱，相比常規(guī)空氣火焰燒嘴和普通氧氣燒嘴，可以減少熱點的產(chǎn)生。

圖1為飛尚銅業(yè)公司稀氧燃燒燒嘴示意圖。

圖1 稀氧燃燒燒嘴示意圖

2.2.3 控制系統(tǒng)

制氧站來的氧氣進入燃燒控制閥組，燃燒控制閥組根據(jù)系統(tǒng)需求分別控制其進入中心油槍和氧槍。重油庫來的經(jīng)過加壓、加熱的重油進入燃燒控制閥組，流量閥組根據(jù)系統(tǒng)需求進行流量調(diào)節(jié)進入中心油槍。氧氣、重油通過金屬軟管進入燃燒燒嘴，燒嘴安裝在專門的燒嘴磚上。

燃燒系統(tǒng)采取自動控制，所有的燃燒工藝參數(shù)可以在人機界面進行調(diào)節(jié)，包括燃料流量手動設定，系統(tǒng)自動跟蹤設定值維持穩(wěn)定運行，氧氣流量根據(jù)預設燃燒比例自動調(diào)節(jié)控制。氧流量在銅精煉爐不同的運行階段，可以按比例自動跟蹤重油流量，也可以手動設定，然后自動跟蹤設定值。

控制系統(tǒng)上還設有安全連鎖控制，主要包括：

(1)火焰探測安全連鎖：當某種原因造成燒嘴熄火時，火焰探測器給出反饋信號，系統(tǒng)自動關斷。

(2)氧、燃料比例安全控制：在設定時間內(nèi)超出設定范圍系統(tǒng)自動關斷。

(3)系統(tǒng)壓力范圍安全連鎖：當燃料、氧氣、霧化壓縮空氣等壓力低于設定值時，系統(tǒng)自動關斷。

(4)緊急停車：在緊急情況，按下緊急停止按鈕，系統(tǒng)自動關斷。

3 稀氧燃燒技術的應用效果

2015年，飛尚銅業(yè)公司對陽極爐精煉系統(tǒng)進行了技術升級改造，采用稀氧燃燒技術， 2臺固定式陽極爐原采用傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)，改造后采用稀氧燃燒系統(tǒng)。改造后取得了顯著效果。

3.1 燃料消耗

技術改造前，陽極精煉爐以重油作為燃料提供精煉所需熱源，助燃風機提供助燃空氣。公司傳統(tǒng)燃燒技術下噸陽極銅的燃料單耗約為30 kg，平均消耗燃料約為450 kg/h。

技改后，采用稀氧燃燒技術，并以濃度約為90%的富氧作助燃風，根據(jù)國內(nèi)相似廠家的生產(chǎn)經(jīng)驗，噸陽極銅的燃料單耗有望降低至15 kg以下，平均燃料消耗可降至200 kg/h左右，下降50%左右。

3.2 煙氣量

稀氧燃燒技術應用前后，燃燒系統(tǒng)采用的燃料均為重油，其主要成分見表1。

100 kg重油在不同燃燒技術下燃燒產(chǎn)生的煙氣量見表2。

表1 重油主要成分 %

由表2可見，稀氧燃燒技術的應用，可以使單位重油燃燒產(chǎn)生的煙氣量降低約74%以上。

陽極爐精煉系統(tǒng)排出的煙氣除燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣外，還有還原劑燃燒產(chǎn)生的煙氣以及系統(tǒng)漏風等，而且不同生產(chǎn)階段產(chǎn)生的煙氣量也不盡相同。兩種燃燒方式最終出爐的煙氣量分別為：傳統(tǒng)燃燒技術6 000～11 000 m3/h；稀氧燃燒技術3 000～5 500 m3/h。

表2100 kg重油兩種燃燒技術燃燒煙氣對比

燃燒技術燃燒煙氣成分/%CO2SO2N2O2H2O煙氣量/m3傳統(tǒng)燃燒技術159.720.02888.8539.8888.751177.22稀氧燃燒技術159.720.0226.6239.8877.35303.60

因此，稀氧燃燒技術應用后，精煉系統(tǒng)的出爐煙氣可以降低50%左右。

3.3 風機系統(tǒng)

技術改造后，由于采用氧氣取代空氣助燃, 風機系統(tǒng)的電耗大大降低。對陽極爐風機系統(tǒng)改造如下：

(1)由于無需鼓入空氣，原45 kW的燃燒風機停運。

(2)由于精煉系統(tǒng)產(chǎn)生的煙氣量大大降低，采用功率為37 kW的引風機取代原功率為55 kW的引風機。

3.4 能耗

按每月生產(chǎn)30 d計，傳統(tǒng)燃燒技術和稀氧燃燒技術的能耗對比見表3。

表3兩種燃燒技術的能耗對比

能源類型燃燒技術用量單價費用/萬元重油傳統(tǒng)燃燒技術324t3300元/t106.92稀氧燃燒技術144t3300元/t47.52氧氣傳統(tǒng)燃燒技術000稀氧燃燒技術51.3萬m30.45元/m323.09電傳統(tǒng)燃燒技術7.2萬kWh0.55元/kWh3.96稀氧燃燒技術2.66萬kWh0.55元/kWh1.46費用合計傳統(tǒng)燃燒技術110.88稀氧燃燒技術72.07

由表3可知，采用稀氧燃燒技術，預估每個月可節(jié)約成本約38.8萬元。

3.5 環(huán)境狀況

改造后，降低了燃料的使用量，煙氣排放量減少了50%,CO2的排放量也大大減少,實現(xiàn)了低碳排放；同時,由于采用富氧燃燒，爐膛內(nèi)氮氣含量減少,煙氣中的NOx排放量減少；碳黑在爐內(nèi)進一步燃燒,減少了黑煙冒出，大大改善了操作環(huán)境。

4 結(jié)語

(1)采用稀氧燃燒技術后，由于爐膛內(nèi)無明顯火焰，熱量擴散均勻，提高了爐膛內(nèi)銅水與爐膛溫度的熱交換效率，同時，燃燒產(chǎn)生的煙氣量少，被煙氣帶走的熱量減少，噸陽極銅的燃料消耗降低，單位加工成本降低。

(2)改造后，取消了助燃風機，爐況的可控性強，操作簡單，參數(shù)調(diào)整快捷，同時降低了收塵引風機的使用功率，精煉系統(tǒng)的節(jié)能效果更加顯著，進一步降低了生產(chǎn)成本。

(3)改造后，還原期冒黑煙問題得到改善，操作環(huán)境得到改善。

[1] 趙天從.重金屬冶金學[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1981．

[2] 吳克富，魏曉玲，李宏才.稀氧燃燒新技術的應用實踐[J]. 甘肅冶金，2013,35(2):130-105．

[3] 《重有色金屬冶煉設計手冊》編輯部.重有色金屬冶煉設計手冊.銅鎳卷[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996:272.

Application of pure oxygen combustion in reverberatory furnace for copper refining

LUO Xiong-bo

This paper describes the principle of pure oxygen combustion technology and analyzes the advantages of it. It concludes that reverberatory furnace for copper refining after applying pure oxygen combustion technology can achieve significant effect in terms of energy-saving, environment protection and production cost reduction.

copper refining, pure oxygen combustion, reverberatory furnace, energy-saving and environment protection

羅雄波(1983— )，男，湖南耒陽人，工程師，主要從事有色冶金設計咨詢工作。

2015-12-18

TF811

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1672-6103(2016)05-0008-03