倾动炉重油改天然气燃烧技术试验摸索

朱飞军，李文峰

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

江铜集团贵溪冶炼厂倾动炉作为贵冶三期项目中一个重要子项，2002年从德国马尔兹炉窑公司（MAERZ- GAUTSCHI）引进专利技术，采用“一段法”处理粗杂铜，设计年处理量为10万t，于2003年8月投产，历经多年的技改优化，多项作业指标不断刷新， 特别是2015年5月，对燃烧系统进行的稀氧燃烧改造［1］，使得重油单耗指标降至45kg/t.Cu，与设计之初的100kg/t.Cu相比，下降幅度十分明显。但近来不仅重油价格上涨，重油品质也逐步下降，导致倾动炉烟气达标排放压力增大，燃烧系统运行维护成本不断上升。为有效降低生产成本、减少环境污染，延长炉窑使用寿命，2018年8月年修结束，贵冶倾动炉实施了天然气替代重油燃烧技术试验。

2 倾动炉重油燃烧系统

2.1 倾动炉重油燃烧系统组成

倾动炉杂铜冶炼的主要燃料是重油，辅助燃料是柴油。重油在常温下呈黑色粘绸状，粘度大，流动性差，着火点高，还含有1%～2%的机械杂质，须采用过滤器滤去杂质，燃烧产物中SO2含量高［2］。在储存、输送和燃烧时还必须将其加热到一定温度，相应的设备、管路停止运行后需及时清洗，燃烧系统附属设备多，运行维护工序繁杂。倾动炉重油燃烧系统主要由重油罐、轻油罐、过滤器、重油泵、柴油泵、加热器、控制阀组、燃烧阀组、燃烧器等构成。燃烧系统工艺流程见图1所示。

图1 倾动炉重油燃烧系统工艺流程图

2.2 倾动炉重油燃烧系统存在问题

（1）重油供给系统相关设备多，运行成本高。由于重油的物理特性，输送储存的过程中需要过滤、加热和保温，到达烧嘴前还需二次加热，重油供给系统设备多（见表1），故障点多，且系统运行消耗大量的电能和蒸汽。倾动炉冶炼生产过程分为：加料期、氧化期、还原期和浇铸期四个阶段，其中还原期不需要重油燃烧系统工作，但实际生产中倾动炉供油系统必需24h不间断工作，重油泵耗电量大，重油燃烧系统运行成本高。

表1 重油供给系统设备及主要技术参数表

（2）环保压力增大。由于倾动炉烟气系统脱硫设备较落后，重油含硫，燃烧过程中产生的SO2气体进入烟气中，造成倾动炉烟气达标排放压力增大。

（3）供油管路易堵塞，影响正常作业。由于重油中含有杂质，使用过程中供油管路容易堵塞，造成供油不畅甚至熄火，烧嘴工作过程中经常出现燃烧异常现象，不得不熄火拆卸油枪进行疏通处理，进而影响正常生产作业。

（4）燃烧器烧嘴砖易烧损，炉子南墙烧蚀严重。由于重油燃烧器的燃烧有明显的高温区［3］，燃烧器的烧嘴砖需要经常更换，炉子南端墙烧蚀严重，成为炉寿命短的瓶颈。

3 倾动炉油改气可行性分析

（1） 倾动炉自投产以来一直以重油为主要燃料，近年来天然气被作为大量使用的清洁能源，与此同时，贵冶的天然气改造项目已将天然气管道铺设到各个车间，为倾动炉实施油改气项目提供了便利条件。

（2）天然气是较为安全的燃气之一，它不含一氧化碳，比空气轻，一旦泄漏，立即会向上扩散，不易积聚在低洼地带，安全性较高［4］。天然气作为一种清洁能源，能减少二氧化硫排放，有助于减少酸雨形成，舒缓地球温室效应，从根本上改善环境。

（3）天然气与重油同属高热值燃料，其中天然气热值约为9500大卡/Nm3，热效率92%，重油热值约为10000大卡/kg，热效率82%，燃烧所需的空气量及燃烧后的理论燃烧温度等都十分接近，可以满足倾动炉冶炼所需热量。

（4）燃烧系统能否稳定运行主要取决于燃料供应系统的稳定、控制系统的稳定以及燃料的质量恒定程度［5］。天然气燃烧系统的燃料供应为管道天然气，天然气压力稳定，质量恒定，输送环节上，控制系统运行可控，故障点少。相对于重油燃烧器繁杂的连锁运行架构，天然气燃烧器附属设备少（见表2），结构简单，控制技术成熟，燃烧更稳定高效。

4 倾动炉重油改天然气技术试验改造内容

4.1 新增供气单元，精简燃烧系统结构

原有重油供给系统停运，新架设一段天然气管道和控制阀组。将厂管网天然气引到倾动炉厂房南面远离炉体的一侧，在进口处装设总阀，在厂房南面的空压机房顶安装天然气燃烧系统的供气单元，确保供气单元远离明火。供气单元出口采用2根不锈钢管铺设至炉前燃烧系统西面，再通过金属软管与天然气枪相连接。改造后的燃烧系统使用天然气作为燃料，替代重油供应系统。天然气系统运行稳定高效，主要由供气阀组、燃烧阀组、燃烧器组成。燃烧系统工艺流程见图2所示。

表2 天然气燃烧器与重油燃烧器附属设备对比表

4.2 燃烧器改造

将原来的重油稀氧燃烧器改造成天然气稀氧燃烧器。在燃烧器外壳和一二次氧枪保留不变的的情况下，将燃烧器中间的雾化重油枪改成结构跟二次氧枪一样的L型天然气烧枪。

4.3 编写天然气燃烧控制程序

将新铺设的天然气管路控制阀组接入DCS，编写天然气燃烧系统控制程序。该控制程序不仅可在DCS 上监视各仪表检测数据、实现远程控制和自动跟踪，控制程序还设置了一系列的参数异常报警和自动保护熄火功能，并与锅炉、布袋关键报警参数形成连锁，确保锅炉、布袋安全运行。

5 重油改天然气试验结果分析

5.1 经济效益分析

5.1.1 燃料消耗成本分析

油改气前，倾动炉重油单耗为45kg/t.Cu，柴油单耗为0.3kg/t.Cu，改造后经过一段时间的运行，倾动炉天然气单耗平均为52.28 Nm3/t.Cu（见表3），燃料价格参照工厂最近一年进厂燃料平均价格进行测算，具体价格对比见表4。

以倾动炉日产380t铜计算一天的燃料成本如下。

改造前：45kg/t.Cu×380t÷1000×4100元/t+0.3kg/t.Cu×380t÷1000×7000 元 /t=70908（元）

改造后：52.28 Nm3/t.Cu×380t×3.3元/m3=65559（元）

一年可节约燃料成本：330×（70908-65559）=1765170（元）

5.1.2 燃料输送成本分析

对比重油燃烧系统和天然气燃烧系统的燃料输送途径，重油需要油泵打压至油枪，需要蒸汽加热、保温、雾化，消耗电能成本和蒸汽成本，而天然气输送环节不耗成本，据测算倾动炉重油燃烧系统一天消耗蒸汽4.4t，耗电160kW·h，蒸汽成本150元/t，电价0.68元/kW·h，以倾动炉运行一天计算成本如下。

图2 倾动炉天然气燃烧系统工艺流程图

表3 改造后倾动炉第1～30炉天然气单耗统计

改 造前：电 耗成 本160kW·h×0.68元/kW·h=108.8（元）

蒸汽消耗成本4.4t×150元/t=660（元）

改造后：0 （元）

一年可节约成本330×（108.8+660）=253704（元）

表4 燃料价格对比表

5.1.3 综合经济效益分析

油改气改造费用包括设备、材料、设计、施工等（见表5所示）。

表5 油改气费用表 万元

倾动炉一年生产330天，产阳极铜12.54万t，除去改造费用，不需要增加其他成本，综合上面两项分析，倾动炉油改气后年节约能耗成本1765170+253704-160000=2002874（元），花费16万元进行技术改造可以带来一年200万余元的经济效益，效果显著。

5.2 环保效益

据测算1t重油燃烧时产生的SO2量＝2000×S（kg）；S含硫率，一般重油1.5%～3%，柴油0.5%～0.8%。若含硫率为2%，燃烧1t油排放40kgSO2。倾动炉年消耗重油约6000t，而天然气燃烧过程不产生SO2，改造后可减排SO2240t/年，从根本上改善环境质量。天然气无色无味，倾动炉作业现场更干净，环保效益显著。

5.3 其它效益

油改气后，燃烧火焰分布更均匀，无明显高温区，烧嘴砖及南端墙耐火材料消耗快的情况得到遏制，炉窑寿命得到提高，与此同时燃烧系统故障率大幅降低，提高了倾动炉的作业率，减轻了职工的劳动强度。

6 结语

通过重油改天然气技术试验摸索，倾动炉使用天然气燃烧系统运行更稳定高效，同时在天然气市场价格较低时能够取得较好的经济效益，同时可减少二氧化硫等污染物的排放。

由于本次试验的时间有限，倾动炉使用天然气对炉体寿命的影响还需进一步研究摸索；通过本次试验发现倾动炉使用天然气后，烟气成份发生较大变化，水份含量增大，对锅炉、冷却器、布袋等系统的存在一定的不利影响，有待进一步研究解决。