傾動爐優(yōu)化燃燒系統(tǒng)的實踐

吳學榮，王利敏，康有才

（江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠傾動爐由德國MAERZ爐窯公司開發(fā)設計，是主要用于處理廢雜銅的較為先進爐型，設計年產(chǎn)陽極銅10萬t，其生產(chǎn)過程是將塊狀或打包的廢雜銅用DDS加料機從兩個爐門加入爐內(nèi)，經(jīng)熔化、氧化造渣、還原、澆鑄四個階段冶煉出化學成分符合要求的陽極銅。在每個爐次的生產(chǎn)作業(yè)中都需消耗大量的能源，來熔化入爐的物料進而完成整個冶煉過程。在國家“雙碳”目標引領(lǐng)下，近年來傾動爐燃燒系統(tǒng)由原來的富氧燃燒升級成了稀氧燃燒技術(shù)，并根據(jù)爐型特點進行了優(yōu)化，使噸銅能耗有了明顯下降，但還存在爐內(nèi)局部溫度過高、熱負荷需均勻化等問題。

1 改進前存在的問題

傾動爐是截面近似于橢圓的柱狀體，爐體由鋼結(jié)構(gòu)作為框架，內(nèi)部砌鎂鉻質(zhì)耐火磚構(gòu)成。砌體分為爐頂、爐墻和爐底，爐頂耐火磚吊掛在鋼結(jié)構(gòu)的羊角梁上。在爐體精煉側(cè)裝有6個風管，由一套閥組控制，用于在氧化階段向熔體鼓入壓縮空氣，提供熔體中絕大多數(shù)雜質(zhì)的氧化反應所需氧。其燃燒系統(tǒng)的兩套燃燒器組安裝于爐窯端頭面的中部偏上位置，如圖1所示。

圖1 傾動爐燃燒器示意圖

傾動爐燃燒器具體來說由一支重油槍和一支主氧槍、一支副氧槍構(gòu)成，用專用剛玉材質(zhì)燒嘴磚固定在爐體右端墻上，相互間呈“1”字型排布，重油槍處于整個燃燒器的燒嘴磚中心位置，兩只氧槍分別置于油槍的正上方和正下方，其上方的副氧槍采用直管式結(jié)構(gòu)，占總氧量約20%的氧量經(jīng)其噴射出與重油進行劇烈的燃燒反應，形成根部火焰，在距離右端墻約40 cm處產(chǎn)生一個局部高溫區(qū)，最高溫度可達2 750℃［1］，使得該區(qū)域爐頂溫度過高，導致耐火磚性能下降。同時右端墻被高溫爐渣侵蝕嚴重，產(chǎn)生較深的渣線，最終導致右墻侵蝕出長3～4 m、深約300～500 mm的條狀侵蝕帶和爐頂2～3處尺寸約225 mm×120 mm耐火磚掉落區(qū)。

1.1 爐窯局部損壞耐火層的修補

為保證爐窯結(jié)構(gòu)的安全，在爐窯后期必須定期對右端墻耐火磚損耗嚴重的渣線區(qū)域和爐頂耐火磚脫落的區(qū)域進行修補。右端墻渣線區(qū)域，采用半干法噴補技術(shù)，在高溫狀態(tài)下進行噴補，使右端墻渣線區(qū)域磚砌體表面增加可達到100 mm左右的新耐火層［2］，保護該處爐體耐火磚。爐頂耐火磚脫落的區(qū)域，需先用安裝支架來穩(wěn)固修補料，待燒結(jié)后與周圍爐頂耐火磚結(jié)成一體，填補上因爐頂磚掉落而產(chǎn)生的空洞，保護相鄰的耐火磚［3-6］。這些使得生產(chǎn)中的非作業(yè)時間增加，維護成本上升。

1.2 爐內(nèi)溫度的差異

另一方面傾動爐的縱向長度有11 960 mm，因此爐體加料側(cè)設有二個加料門，但直管式的氧槍和“1”字型排，使得爐內(nèi)高溫區(qū)較短，未能達到2＃門加料區(qū)域，并且精煉側(cè)6個風管由一套閥組控制只可向爐內(nèi)噴入壓縮空氣，即在爐體尾端的4＃、5＃、6＃風管無法在加料熔化期提供富氧，增加燃燒反應強度。在生產(chǎn)中可看到加料時1＃門化料快于2＃門；待氧化結(jié)束時進行測溫，1＃門測得的熔體溫度1 155℃也高于2＃門測得的溫度1 135℃，即爐內(nèi)溫度場是燃燒器端溫度高并向尾部快速降低，從而使單爐作業(yè)時間增長、噸銅重油單耗增加。

2 優(yōu)化改進實施方案

2.1 燃燒器排布結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對燃燒器副氧槍在重油槍的正上方，會導致稀氧燃燒產(chǎn)生的高溫區(qū)靠近爐頂，引起相應區(qū)域爐頂耐火磚損耗過快甚至出現(xiàn)局部耐火磚掉落的現(xiàn)象，實施了燃燒器排布結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，把副氧槍移到重油槍以下，具體改進方案是：（1）重油槍、主氧槍、副氧槍相互位置呈三角型；（2）重油槍位于三角型的頂端，主氧槍、副氧槍分別位于其右下側(cè)和左下側(cè)并呈對稱分布，如圖2所示。

圖2 燃燒器“三角”型排布結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后重油槍處于燒嘴磚中心，主氧槍向右移并間距增加75 mm，副氧槍與主氧槍對稱分布，使燃燒時的卷吸動能增加同時爐內(nèi)高溫區(qū)下移，增加向爐內(nèi)銅原料的熱交換效率，降低爐頂溫度。

2.2 氧槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化

燃燒器氧槍原采用直管式結(jié)構(gòu)，氧氣噴出動能較低，火焰短，改進的目標是增加氧槍出口的氧氣噴射速度，具體改進方案是：（1）增加氧槍直管部分的直徑；（2）在出口端安裝拉瓦爾噴嘴。改進后使火焰的長度得到了增長并且因多股氧氣間的相互影響，出現(xiàn)高溫區(qū)域面積增大的現(xiàn)象。

2.3 爐窯尾端風管富氧

在生產(chǎn)中，氧槍噴入爐內(nèi)的氧氣與重油產(chǎn)生燃燒反應，可產(chǎn)生大量的H2O、CO、CO2等氣體，同余下的氧氣混合后，使得尾端的氧氣濃度低，燃燒強度低，需增加氧量和濃度，提高燃燒產(chǎn)生的溫度。經(jīng)論證后決定增加后半部分4＃、5＃、6＃三個風管的獨立控制系統(tǒng)并引入氧氣，提高其噴入爐內(nèi)氣體的富氧率，具體實施方案是：（1）4＃、5＃、6＃三個風管從原管網(wǎng)中獨立出來，由新增的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制；（2）引入氧氣管，在加料熔化期提高富氧率到約50%，增加爐窯尾端的燃燒溫度，加速物料熔化。

3 改進后效果分析

3.1 局部耐火層修補次數(shù)下降

燃燒器改進后爐內(nèi)溫度場的高溫區(qū)下移，同時因氧氣流具有的動能增大，使高溫區(qū)趨向扁平，爐窯的爐頂、右端墻局部區(qū)域耐火磚高溫情況得到轉(zhuǎn)變。

由表1可知，2021年爐窯局部耐火層修補次數(shù)較2020年的12次下降75%，按每次噴補作業(yè)需消耗MINTEQ噴補料0.5～1t計，可節(jié)約維修成本約9萬元。

表1 2020～2021年爐窯局部耐火層修補次數(shù)對比表 次

3.2 改進前后重油單耗對比

燃燒器的改進和加料熔化期4＃、5＃、6＃三個風管噴入富氧率約為50%的壓縮風，實現(xiàn)了爐內(nèi)高溫區(qū)下移、高溫區(qū)域面積增大和爐窯尾端的燃燒溫度提升等有利改變，有效加快了爐內(nèi)銅原料的熔化速度，使得單爐周期和噸銅重油單耗都有了明顯下降，見表2和表3。

表2 2020～2021年相應爐期的單爐周期對比表 h

由表2可知，單爐平均周期由原來的24.11 h降低到2021年的23.32 h，平均每爐減少0.79 h，對應全年可增產(chǎn)約4 500 t陽極銅。

由表3可知，重油噸銅單耗由2020年的42.40 kg／t下降至2021年的40.80 kg／t，即噸銅重油單耗平均值下降約3.8%，節(jié)能降耗效果顯著。

4 結(jié) 論

技術(shù)人員通過對傾動爐實施燃燒系統(tǒng)優(yōu)化改進，實施在加料熔化期4＃、5＃、6＃風管提高富氧率及優(yōu)化工藝參數(shù)等措施，使爐內(nèi)溫度場分布更趨于合理，提高了熱能交換效率，縮短了單爐周期時間，減少了爐窯易損部位的修補次數(shù)，延長了爐磚的使用壽命，節(jié)約了生產(chǎn)成本，增加了陽極銅產(chǎn)量，還保證了生產(chǎn)穩(wěn)定和爐窯的安全性。