全氧燃燒技術(shù)在金屬再生中的創(chuàng)新應(yīng)用

文/液化空氣（中國）投資有限公司 彭火香 潘躍進(jìn) 褚曉雯

全氧燃燒技術(shù)在金屬再生中的創(chuàng)新應(yīng)用

Innovative application of oxygen combustion technology in the metal regeneration

文/液化空氣（中國）投資有限公司 彭火香 潘躍進(jìn) 褚曉雯

本文概述了全氧燃燒技術(shù)的特點(diǎn)，分析了與傳統(tǒng)燃燒方式的區(qū)別，進(jìn)而列舉了該技術(shù)在再生金屬熔煉中的應(yīng)用案例。通過案例看出，通過采用了全氧燃燒技術(shù)后，再生金屬的熔煉在節(jié)能減排，生產(chǎn)效率等方面有明顯的提升。

全氧燃燒，二氧化碳減排，節(jié)能降耗

近年來我國經(jīng)濟(jì)保持了快速增長，尤其工業(yè)的發(fā)展速度驚人；另外，人們的生活水平也隨之提高。相對應(yīng)的是工業(yè)廢棄物和生活廢棄物急速增加，這對能源需求和環(huán)境保護(hù)提出了巨大的挑戰(zhàn)。作為環(huán)保措施的資源再生行業(yè)近年來也是取得了非凡的成就。資源再生過程中的環(huán)保也是人們?nèi)找骊P(guān)注的話題。

近年來，我國生態(tài)環(huán)境污染事件不斷增長，呈現(xiàn)波及范圍廣、影響人群多、持續(xù)時間長等特點(diǎn)。資源再生中的環(huán)保問題得到了政府和社會的高度關(guān)注，國家亦將節(jié)能環(huán)保指標(biāo)作為強(qiáng)制性要求。此外，面對國內(nèi)能源總體價格持續(xù)走高的現(xiàn)狀，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)同時也面臨著能源價格、特別是化石能源價格上漲帶來的成本壓力。雙重壓力下，節(jié)能減排已是行業(yè)共識。

十九大報(bào)告中，國家提出要建設(shè)美麗中國，推進(jìn)綠色發(fā)展、清潔生產(chǎn)，為工業(yè)生產(chǎn)活動提出了更高的要求、也注入了新的動力。在資源再生的過程中減少“三廢”排放，提高能源利用以符合國家戰(zhàn)略。全氧燃燒即是針對資源再生火法工藝的一個很好的技術(shù)，自引入國內(nèi)以來，其先進(jìn)的技術(shù)和在玻璃熔煉、再生金屬冶煉和材料處理等多個行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用，不斷受到政府、行業(yè)專家和業(yè)內(nèi)企業(yè)的高度認(rèn)知和好評。

一、全氧燃燒技術(shù)的創(chuàng)新性

（一）傳統(tǒng)燃燒的概念

燃燒是日常生活及生產(chǎn)中常見的現(xiàn)象。燃燒的本質(zhì)是指可燃物與氧化劑發(fā)生的一種發(fā)光、放熱的劇烈的氧化反應(yīng)，主要目的是利用其產(chǎn)生的熱量。傳統(tǒng)燃燒現(xiàn)象由三大要素構(gòu)成：可燃物、著火點(diǎn)（能量）和助燃物，燃燒過程中需要鼓風(fēng)或裸露在空氣中進(jìn)行。助燃物主要是空氣，而真正起到助燃作用的，是空氣中的氧氣（約占空氣的20%）。以常見的天然氣燃燒為例，通過反應(yīng)方程式可以看清燃燒的原理及產(chǎn)物：

天然氣作為可燃物，燃燒1立方米的CH4，在能量（點(diǎn)火/放電）的作用下與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳和水，同時產(chǎn)生約8600大卡的熱量。伴隨這一過程產(chǎn)生的火焰溫度最高可達(dá)1800℃。但與此同時，N2卻從室溫升高到煙氣排放溫度。以煙氣排放溫度為950℃計(jì)算的話，N2為主的煙氣排放帶走的熱量超過CH4燃燒產(chǎn)生熱量的50%，造成能源浪費(fèi)。同時氮?dú)庠诟邷丨h(huán)境下易和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成NOx，它與CO2共同構(gòu)成了對大氣環(huán)境造成污染的兩大主要污染源。由于助燃風(fēng)量大，煙氣將攜帶窯爐中原材料的顆粒物并排出，是大氣顆粒物污染的一個來源。目前，在冶煉、玻璃、水泥等行業(yè)中，熔窯大多采用空氣—燃料燃燒系統(tǒng)。

（二）全氧燃燒技術(shù)原理及特性

全氧燃燒技術(shù)最早于上世紀(jì)80年代應(yīng)用于冶金及玻璃工業(yè)領(lǐng)域，是一項(xiàng)成熟的節(jié)能減排技術(shù)。其基本原理是用高純度的氧氣（＞90%）完全替代傳統(tǒng)的空氣作為氧化劑參與燃燒。以天然氣燃燒為例，全氧燃燒的反應(yīng)方程式如下：

對比傳統(tǒng)空氣助燃反應(yīng)方程，全氧燃燒消除了空氣帶入的大量N2。

由于避免了N2混入燃燒過程，全氧燃燒對比傳統(tǒng)空氣助燃具有如下主要特點(diǎn)：

1、燃燒效率提高超過30%，節(jié)約能源，減少CO2排放

工藝生產(chǎn)中，燃燒產(chǎn)生的熱量主要用來加熱目標(biāo)物。燃燒中由于沒有N2加入到燃燒工藝?yán)铮諝庵贾械獨(dú)鈳ё叩慕?0%的熱量將會節(jié)省下來。而加熱同樣的物體，CH4的消耗量將減少高達(dá)50%，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源，減少CO2排放。

2、燃燒后的氣體產(chǎn)物將減少80%（體積量），NOx等污染物的排放減少

沒有N2參與整個燃燒過程，最終產(chǎn)生的煙氣量將會減少80%，極大的減少了生產(chǎn)后端污染物的排放。

3、火焰溫度可達(dá)2800℃，提高以輻射為主的傳熱效率。

（三）液化空氣的全氧燃燒技術(shù)

液化空氣中國于2008年將集團(tuán)的全氧燃燒技術(shù)引進(jìn)國內(nèi)，根據(jù)國內(nèi)市場和客戶的具體需求，因地制宜地開發(fā)了相應(yīng)的技術(shù)。目前，在中國已經(jīng)有近50套窯爐采用了液化空氣的全氧燃燒技術(shù)。這些行業(yè)分布在玻璃熔煉、銅回收、鋁熔煉和再生鉛等行業(yè)，均實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)能減排效果。

全氧燃燒整體解決方案主要由以下三部分組成：

1、流量控制閥組

該閥組分為氧氣及天然氣兩大部分，主要用于執(zhí)行氧氣及天然氣流量的自動控制，氣體配比和緊急狀態(tài)下的自動切斷。由差壓變送器，壓力變送器及控制閥組成的氣體流量控制結(jié)構(gòu)能精確的執(zhí)行來自控制系統(tǒng)的指令，實(shí)現(xiàn)氧氣及天然氣流量的全自動控制和穩(wěn)定配比關(guān)系。

2、電氣控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)提供的HMI操作界面相對于傳統(tǒng)控制器更加直觀、友好，操作直觀簡便，控制精確。系統(tǒng)控制程序包括管路安全控制系統(tǒng)和氧氣天然氣流量控制系統(tǒng)。

3、全氧燃燒器

全氧燃燒器是整套技術(shù)的核心，需要根據(jù)不同工藝及窯爐設(shè)備的需求來匹配燃燒器的結(jié)構(gòu)。液化空氣針對不同行業(yè)研發(fā)出不同的全氧燃燒器，如應(yīng)用于玻璃行業(yè)的ALGLASS 燃燒器有8款不同的燃燒器；在鋼鐵行業(yè)，有用于電弧爐的爐壁氧槍、超音速射氧槍和用于鋼包烘爐的ALJET等；應(yīng)用于再生有色金屬冶煉的ALJET氧槍和ALBATCH氧槍等。各種氧槍結(jié)構(gòu)不同，特別注重燃燒與熔煉工藝的匹配和提高燃料的燃燒效率。

二、全氧燃燒技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用案例

全氧燃燒技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)正在被國內(nèi)眾多再生金屬企業(yè)認(rèn)知和接受，液化空氣始終致力于將其在全球范圍內(nèi)得到成熟應(yīng)用的全氧燃燒技術(shù)及相關(guān)設(shè)備引入國內(nèi)，根據(jù)國內(nèi)客戶的特點(diǎn)和需求開發(fā)更具附加值的全氧燃燒整體解決方案。

案例一：再生銅熔煉案例

2013年，山東東營某銅業(yè)有限公司率先在國內(nèi)引入先進(jìn)的反射爐全氧燃燒解決方案。該客戶主要產(chǎn)品是再生銅陽極板，產(chǎn)品主要應(yīng)用于高鐵列車等行業(yè)。他們在再生銅熔煉工藝中使用空氣助燃。傳統(tǒng)的空氣助燃技術(shù)煙氣排放量和燃料的消耗較大，熔煉效率相對低。

該公司在其某100t反射爐安裝了2套ALJET圓火焰全氧燃燒器及控制系統(tǒng)后，取得了顯著的節(jié)能減排效果（數(shù)據(jù)見表1）。該公司于2014年年底完成全部六臺反射爐進(jìn)行全氧技術(shù)改造。

可以通過以下對比了解全氧燃燒帶來的益處。

1、能源節(jié)約及CO2減排

下圖是該公司的工藝記錄，包含有工藝時間、天然氣耗量等。其中上圖為全氧燃燒條件下，下圖為空氣燃燒。

全氧燃燒工藝記錄

從記錄可見，采用全氧燃燒技術(shù)后，每爐生產(chǎn)工藝時間從26小時減少到約22小時；天然氣耗量從7787m3/爐減少到3250m3/爐，天然氣節(jié)約超過50%，折算到每噸陽極銅產(chǎn)品消耗量從78m3降到33m3。

空氣燃燒工藝記錄

由于天然氣消耗減少，生產(chǎn)每噸產(chǎn)品產(chǎn)生的CO2也顯著減少。如前所述，該公司隨后將全部爐子改成了全氧燃燒工藝。該公司每年生產(chǎn)約10萬噸陽極銅，以下是年數(shù)據(jù)的綜合折算比較：

2、生產(chǎn)環(huán)境的改善

再生銅熔煉（年產(chǎn)10萬噸） 空氣助燃 液空全氧燃燒 比較天然氣耗量（萬m3） 780 330 節(jié)約58%C02 排放（萬噸） 1.6 0.6 減排1萬噸

采用全氧燃燒技術(shù)后，由于沒有了大量空氣鼓入熔煉爐中，使得熔煉爐的爐內(nèi)壓力得到了很好控制。這易于在生產(chǎn)過程中根據(jù)不同工藝期控制不同的爐內(nèi)壓力，提高生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量，改善操作環(huán)境。下面圖片就是客戶加料時的對比圖片；

全氧燃燒加料

空氣燃燒加料

從上圖可以看出，采用全氧燃燒后，煙氣量明顯減少，現(xiàn)場操作人員的工作環(huán)境明顯改善。

全氧燃燒系統(tǒng)在客戶現(xiàn)場的安裝見下圖。

ALJET全氧燃燒系統(tǒng)

案例二：再生鉛熔煉案例

2014年，河北某科技有限公司一臺再生鉛熔煉爐采用了全氧燃燒系統(tǒng)。液空為該公司每臺熔煉爐配置2支ALJET-VM變動量全氧燃燒器，最大功率2MW，及相應(yīng)的控制閥組和控制系統(tǒng)。在第一臺設(shè)備運(yùn)行交付后，該公司將剩余5臺熔煉爐改用了全氧燃燒系統(tǒng)。

以下是部分運(yùn)行數(shù)據(jù)比較。

空氣燃燒 全氧燃燒每爐時間（h） 8 6 產(chǎn)能增加30%天然氣耗量（m3/噸產(chǎn)品） 120 52 節(jié)約56%煙氣量減少 80%

由于采用了全氧燃燒，該客戶每年CO2減排達(dá)到8000噸。

案例三：再生鋁熔煉案例

2014年，河北某鋁業(yè)有限公司就其一臺鋁熔煉爐采用了全氧燃燒系統(tǒng)，該熔煉爐配用了2支ALBATCH-VM變動量全氧燃燒器，最大功率2MW，及相應(yīng)的控制閥組和控制系統(tǒng)。采用全氧燃燒后每年CO2減排近1000噸。目前該公司其它爐子也改造成了全氧燃燒。交付運(yùn)行后的數(shù)據(jù)如下：

空氣燃燒 全氧燃燒熔煉周期（小時） 8 6.5 產(chǎn)能增加19%天然氣耗量（m3/噸產(chǎn)品） 70（蓄熱式燃燒器） 43 節(jié)約38.5%煙氣量減少 83%

全氧燃燒爐內(nèi)火焰

安裝在爐子上的全氧燃燒器

三、結(jié)束語

全氧燃燒技術(shù)的燃燒效率高、傳熱迅速，節(jié)能減排效果顯著。該技術(shù)尤其適用于再生金屬的冶煉、玻璃行業(yè)的各類高溫熔化/熔煉爐。為資源再生行業(yè)的環(huán)保生產(chǎn)提供了很好的工藝。