稀氧燃烧技术在铜精炼反射炉上的应用

罗雄波

(铜陵有色设计研究院， 安徽 铜陵 244000)



重金属

稀氧燃烧技术在铜精炼反射炉上的应用

罗雄波

(铜陵有色设计研究院， 安徽 铜陵 244000)

简要介绍了稀氧燃烧技术的原理，分析了应用稀氧燃烧技术的优势。铜精炼反射炉应用稀氧燃烧技术后，在节能、环保、降低生产成本等方面取得了显著效果。

铜精炼； 稀氧燃烧； 反射炉； 节能环保

0 前言

目前国内铜冶炼厂粗铜火法精炼炉的燃烧系统大多采用传统的大风量助燃燃料燃烧方式，其工艺水平不高，能耗高，污染严重。

内蒙古巴彦淖尔市飞尚铜业有限公司是一家年产10万t阳极铜的大型铜冶炼企业。2013年，公司对熔炼系统和PS转炉吹炼系统进行了一系列的优化升级和技改提升， 2014年底投入运行后，主要产品产量创历史新高，成本单耗大大降低，但是阳极炉精炼系统仍然采用的是传统燃烧技术。2015年，为了进一步节能降耗，符合国家产业政策要求，公司采用稀氧燃烧技术对阳极精炼系统进行了优化升级和技术改造。

1 阳极炉精炼系统的现状

飞尚铜业公司冶炼系统采用富氧熔池熔炼-PS转炉吹炼- 固定式阳极炉精炼流程，底吹熔炼炉产出冰铜，冰铜经PS转炉吹炼产出粗铜，粗铜送阳极炉精炼除杂后浇铸成阳极板。

技改前，阳极炉精炼燃烧系统采用的是传统普通空气助燃重油的燃烧方式，其存在以下问题：

(1)助燃空气有效助燃成分氧气的含量仅21%左右，其它约78%的含有大量显热的氮气从烟道排出，造成炉膛内大量的热损失，为了保证热量平衡,必须燃烧大量的燃料,燃料消耗增加，产品单耗高。

(2)炉内温度分布不均匀，且高温火焰对炉体耐火材料产生不利影响，降低炉衬寿命。

(3)需要鼓入大量的空气，导致精炼收尘系统废气排放量大，不仅需采用大功率的助燃风机，还需要大功率的排风机,大大增加了精炼风机系统的电耗。

(4)阳极炉精炼系统采用粉煤作还原剂，还原阶段未反应或未完全燃烧的还原剂呈碳黑形式排出，形成黑烟或附着在铜液表面，造成严重的黑烟污染。

2 稀氧燃烧技术简介

目前，氧气已经被广泛应用于铜熔炼、吹炼工艺中，用来强化冶炼过程，减少烟气烟尘排放[1]。采用富氧助燃的稀氧燃烧技术，具有更高效的热效率、更低的烟气产生量、更快的提温速度和更容易控制炉内气氛的优点，其也被有色行业所使用[2]。国内目前已有铜冶炼企业将稀氧燃烧技术应用于固定式阳极炉。

2.1 稀氧燃烧技术的原理

传统燃烧技术采用普通空气作为助燃剂，这种燃烧方式存在烟气量大、 热效率低、燃料消耗高等弊端。在烟气温度达到1 300 ℃左右时，烟气带走的热量高达60%以上[3]。

稀氧燃烧技术是用氧气替代空气作为助燃剂，氧气与燃料一起通过不同喷嘴高速射入炉膛中，通过高速射流的卷吸搅动，燃料和氧气与炉膛内气体混合燃烧，形成一种稳定的、漫射的、火焰分布均匀的燃烧加热体系。这种加热体系具有低的火焰峰值温度且传热均匀，相比传统喷嘴可以减少热点的产生。同时，炉膛内的高温烟气因高速射流的卷吸搅动而循环，使火焰燃烧温度降低，并且降低了氮氧化物的排放。

2.2 稀氧燃烧装置

稀氧燃烧装置由控制阀组、燃烧烧嘴和控制系统三部分组成。

2.2.1 控制阀组

控制阀组的管路含有氧气管路、重油管路等。

氧气管路总管上设有手动阀、减压阀、压力变送器、气动切断阀，气动切断阀后分两支路(中心氧、卷吸氧)进烧嘴，每个支路上设快速气动切断阀、流量计、流量调节阀、压力表等。

重油管路入口设有过滤器，过滤后的重油再经过气动切断阀、流量计、流量调节阀进入油枪。

此外还设有雾化压缩空气阀组和仪表用压缩空气阀组等。

2.2.2 燃烧烧嘴

稀氧燃烧烧嘴由油枪、氧枪、烧嘴砖组成。其中，油枪有3个通道，分别用来喷射重油、雾化空气和氧气或压缩空气；氧枪为单通道，只通氧气；烧嘴砖用来安装固定油枪和氧枪，为铬刚玉材质整体浇铸的圆柱体，烧嘴砖上另外还预设了用于安装火焰探测器的火焰探测孔和用于安装点火枪的点火孔。

该烧嘴的特点是能使燃烧火焰均匀而弥散，具有低的火焰峰值温度和均匀的传热，相比常规空气火焰烧嘴和普通氧气烧嘴，可以减少热点的产生。

图1为飞尚铜业公司稀氧燃烧烧嘴示意图。

图1 稀氧燃烧烧嘴示意图

2.2.3 控制系统

制氧站来的氧气进入燃烧控制阀组，燃烧控制阀组根据系统需求分别控制其进入中心油枪和氧枪。重油库来的经过加压、加热的重油进入燃烧控制阀组，流量阀组根据系统需求进行流量调节进入中心油枪。氧气、重油通过金属软管进入燃烧烧嘴，烧嘴安装在专门的烧嘴砖上。

燃烧系统采取自动控制，所有的燃烧工艺参数可以在人机界面进行调节，包括燃料流量手动设定，系统自动跟踪设定值维持稳定运行，氧气流量根据预设燃烧比例自动调节控制。氧流量在铜精炼炉不同的运行阶段，可以按比例自动跟踪重油流量，也可以手动设定，然后自动跟踪设定值。

控制系统上还设有安全连锁控制，主要包括：

(1)火焰探测安全连锁：当某种原因造成烧嘴熄火时，火焰探测器给出反馈信号，系统自动关断。

(2)氧、燃料比例安全控制：在设定时间内超出设定范围系统自动关断。

(3)系统压力范围安全连锁：当燃料、氧气、雾化压缩空气等压力低于设定值时，系统自动关断。

(4)紧急停车：在紧急情况，按下紧急停止按钮，系统自动关断。

3 稀氧燃烧技术的应用效果

2015年，飞尚铜业公司对阳极炉精炼系统进行了技术升级改造，采用稀氧燃烧技术， 2台固定式阳极炉原采用传统燃烧系统，改造后采用稀氧燃烧系统。改造后取得了显著效果。

3.1 燃料消耗

技术改造前，阳极精炼炉以重油作为燃料提供精炼所需热源，助燃风机提供助燃空气。公司传统燃烧技术下吨阳极铜的燃料单耗约为30 kg，平均消耗燃料约为450 kg/h。

技改后，采用稀氧燃烧技术，并以浓度约为90%的富氧作助燃风，根据国内相似厂家的生产经验，吨阳极铜的燃料单耗有望降低至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 烟气量

稀氧燃烧技术应用前后，燃烧系统采用的燃料均为重油，其主要成分见表1。

100 kg重油在不同燃烧技术下燃烧产生的烟气量见表2。

表1 重油主要成分 %

由表2可见，稀氧燃烧技术的应用，可以使单位重油燃烧产生的烟气量降低约74%以上。

阳极炉精炼系统排出的烟气除燃料燃烧产生的烟气外，还有还原剂燃烧产生的烟气以及系统漏风等，而且不同生产阶段产生的烟气量也不尽相同。两种燃烧方式最终出炉的烟气量分别为：传统燃烧技术6 000～11 000 m3/h；稀氧燃烧技术3 000～5 500 m3/h。

表2100 kg重油两种燃烧技术燃烧烟气对比

燃烧技术燃烧烟气成分/%CO2SO2N2O2H2O烟气量/m3传统燃烧技术159.720.02888.8539.8888.751177.22稀氧燃烧技术159.720.0226.6239.8877.35303.60

因此，稀氧燃烧技术应用后，精炼系统的出炉烟气可以降低50%左右。

3.3 风机系统

技术改造后，由于采用氧气取代空气助燃, 风机系统的电耗大大降低。对阳极炉风机系统改造如下：

(1)由于无需鼓入空气，原45 kW的燃烧风机停运。

(2)由于精炼系统产生的烟气量大大降低，采用功率为37 kW的引风机取代原功率为55 kW的引风机。

3.4 能耗

按每月生产30 d计，传统燃烧技术和稀氧燃烧技术的能耗对比见表3。

表3两种燃烧技术的能耗对比

能源类型燃烧技术用量单价费用/万元重油传统燃烧技术324t3300元/t106.92稀氧燃烧技术144t3300元/t47.52氧气传统燃烧技术000稀氧燃烧技术51.3万m30.45元/m323.09电传统燃烧技术7.2万kWh0.55元/kWh3.96稀氧燃烧技术2.66万kWh0.55元/kWh1.46费用合计传统燃烧技术110.88稀氧燃烧技术72.07

由表3可知，采用稀氧燃烧技术，预估每个月可节约成本约38.8万元。

3.5 环境状况

改造后，降低了燃料的使用量，烟气排放量减少了50%,CO2的排放量也大大减少,实现了低碳排放；同时,由于采用富氧燃烧，炉膛内氮气含量减少,烟气中的NOx排放量减少；碳黑在炉内进一步燃烧,减少了黑烟冒出，大大改善了操作环境。

4 结语

(1)采用稀氧燃烧技术后，由于炉膛内无明显火焰，热量扩散均匀，提高了炉膛内铜水与炉膛温度的热交换效率，同时，燃烧产生的烟气量少，被烟气带走的热量减少，吨阳极铜的燃料消耗降低，单位加工成本降低。

(2)改造后，取消了助燃风机，炉况的可控性强，操作简单，参数调整快捷，同时降低了收尘引风机的使用功率，精炼系统的节能效果更加显著，进一步降低了生产成本。

(3)改造后，还原期冒黑烟问题得到改善，操作环境得到改善。

[1] 赵天从.重金属冶金学[M]. 北京：冶金工业出版社，1981．

[2] 吴克富，魏晓玲，李宏才.稀氧燃烧新技术的应用实践[J]. 甘肃冶金，2013,35(2):130-105．

[3] 《重有色金属冶炼设计手册》编辑部.重有色金属冶炼设计手册.铜镍卷[M].北京：冶金工业出版社，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

罗雄波(1983— )，男，湖南耒阳人，工程师，主要从事有色冶金设计咨询工作。

2015-12-18

TF811

B

1672-6103(2016)05-0008-03