燃氣蓄熱式燃燒技術在銅反射爐中應用的探討

文/ 北京新基業(yè)聯(lián)誠熱工設備有限公司 高山虎 王杰強 劉彩科 張春生

一、目前銅行業(yè)技術狀態(tài)及改造的必要性

國家節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃中指出：節(jié)約資源和保護環(huán)境、增強可持續(xù)發(fā)展能力是我國的基本國策，推進節(jié)能減排工作是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重大戰(zhàn)略任務。采用高效節(jié)能燃燒技術，開發(fā)和推廣新型節(jié)能爐窯，提高窯爐熱效率、節(jié)能減排是高溫工業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的重點發(fā)展方向。

近十多年來，我國在有色鋁業(yè)、鉛業(yè)等行業(yè)都在大力引進和推廣蓄熱式燃燒技術，實現(xiàn)自控燃燒，提高火焰溫度，縮短熔煉過程，提高窯爐熱效率，節(jié)能減排達到30%左右，改善生產(chǎn)環(huán)境等均取得了明顯效果。而在銅行業(yè)中蓄熱式燃燒技術由于其爐窯熔煉的自身原因，到現(xiàn)在還仍然處在討論和觀望階段，遲遲難以引進、吸收和消化。

我國銅業(yè)企業(yè)眾多，銅反射爐是煉銅的主要熱工設備，它是通過火焰直接加熱物料。銅反射爐是由燃燒系統(tǒng)，熔煉室和排氣煙道(煙囪)三個主要部分組成，爐型為矩形的。其工作是周期性作業(yè)，每爐分為加料、熔化、氧化、還原、除渣、澆鑄等階段。反射爐結構簡單、投資小，操作方便，易于控制，對原料和燃料的適應性強，適合規(guī)模生產(chǎn)而被有色金屬行業(yè)廣泛應用。其爐膛溫度一般在1250℃～1400℃，燃料能耗量大，排煙量大，排煙溫度又高（可達1200℃左右，煙氣帶走的熱量通常占能耗的60%之多），造成反射爐熱效率低（一般只有8%～15%），為此，如何盡快推行高效、環(huán)保的節(jié)能技術成為重中之重，大勢所趨。

工業(yè)爐燃燒技術通常分為直焰式燃燒技術（較落后）、換熱式燃燒技術（常規(guī)）、蓄熱式燃燒技術（先進），具體介紹如表1：

表1 三種工業(yè)爐燃燒技術特點比較

圖1 落后式直煙式燃燒

圖2 傳統(tǒng)的換熱式燃燒

圖3 先進的蓄熱式燃

圖4 蓄熱式燃燒的燃料節(jié)約率與預熱空氣溫度比值圖

根據(jù)工業(yè)爐熱工原理，節(jié)能的重要途徑之一就是提高爐窯的熱效率。為了提高窯爐的熱效率，其中主要途徑和措施就是充分利用反射爐排除的高溫煙氣中的余熱，置換加熱助燃風溫度，助燃風溫度越高，火焰溫度就越高，高溫火焰可以加速熔煉過程，助燃風溫度每升高100℃，或者煙氣溫度每降低100℃，能節(jié)省燃料約5%（見圖4）。因此，采用蓄熱式燃燒技術相對其他燃燒技術可以節(jié)能25%～65%。蓄熱式燃燒系統(tǒng)在燃燒及余熱回收方面的高性能，從根本上提高了反射爐的能源利用率，節(jié)約了能源，成為滿足當前資源和環(huán)境要求的先進技術。

二、蓄熱式燃燒系統(tǒng)

1.蓄熱式燃燒系統(tǒng)組成：

蓄熱燃燒系統(tǒng)適用于各種燃料（如；柴油、天然氣、焦爐煤氣、發(fā)生爐煤氣等燃料）。

蓄熱燃燒系統(tǒng)主要組成是：蓄熱式燃燒器（含火焰安全系統(tǒng)）、換向系統(tǒng)（燃氣快切閥；空氣/煙氣換向閥）、燃氣系統(tǒng)、助燃風系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)。

（1）蓄熱式燃燒器

蓄熱式燃燒器是蓄熱式燃燒裝置的核心，蓄熱式燃燒器由燒嘴（含燃氣噴槍，燒嘴旋流片、燃燒混合腔，燒嘴磚等組成）、蓄熱箱、蓄熱陶瓷球、點火長明槍（含火焰安全系統(tǒng)）燒嘴前管路連接件、等部分組成。

（2）蓄熱式燃燒器特點

蓄熱式燃燒器是高效節(jié)能燃燒器。其燃燒得更充分，空氣預熱溫度高，能達到1000℃左右，排煙溫度低于200℃,燒嘴熱效率可達95%以上。最大限度地回收煙氣中的熱焓，從而節(jié)約燃料25%～35%。

適用于各種煤氣，適于低熱值燃料燒常規(guī)燒嘴達不到的高溫。調節(jié)比大，不回火，不脫火，燃燒穩(wěn)定，使用壽命長。

蓄熱式燃燒器設計結構合理，蓄熱體裝、卸和更換都很方便，可對單個燃燒器進行在線維護，維護方便，降低了故障風險。

燃燒可為貧氧燃燒，NOx排放量能數(shù)十倍地減少,符合國家節(jié)能減排政策。

（3）蓄熱式燒嘴及燒嘴磚結構示意圖

圖5 蓄熱式燒嘴及燒嘴磚結構

（4）蓄熱式燃燒器技術參數(shù)（見表2）：

（5）蓄熱式燒嘴安裝示意圖（如圖6所示。）

（6）燒嘴火焰安全保護系統(tǒng)

每個蓄熱式燒嘴都配一對值勤小燒嘴(即點火長明槍)，用于點火引燃，并配有火焰安全保護系統(tǒng),主要由電子點火器，紫外火檢和火焰控制器等組成。

每臺爐配備一臺點火小風機，使長明燈著火更穩(wěn)定，并能在蓄熱式燒嘴停止工作保溫時，關閉大風機，節(jié)省電耗。

表2 蓄熱式燃燒器技術參數(shù)

圖6 蓄熱式燒嘴安裝示意圖

（7）蓄熱體

由于銅熔煉爐煙氣中含有大量粉塵，容易堵塞蓄熱式格體空隙，采用帶中心孔和溝槽的莫來石蓄熱球，這樣就能增大通透截面積，增加蓄熱能力，防止堵塞，延長蓄熱球的更換周期。其特點是；體積小，換熱表面積大，蓄熱量大，換熱速度快，比熱容大；導熱性好；抗腐蝕強,急冷急熱性能好,不易脆裂、剝落和變形。高溫結構強度好。

（8）換向系統(tǒng)

蓄熱式燃燒系統(tǒng)通常是采用成對燒嘴，在某時間段，一個放熱燃燒，一個排煙蓄熱，在設定時間后，火焰換向燃燒。換向分為燃氣換向和空氣∕煙氣換向兩種。

（9）燃氣換向

燃氣氣動快切閥；在燃氣換向中采用氣動燃氣快切閥，用于燒嘴前燃氣主管道，它為電開型單電控氣動閥。該閥具有以下特點：采用氣控閥，密封性能良好。該閥的閥盤提升為直動式、彈簧復位、驅動介質為壓縮空氣，運動件滑動摩擦部位少、使用壽命長。在突然停電或停壓縮空氣時，能在極短的時間內快速切斷燃氣的供應，防止安全事故的發(fā)生。

燃氣電磁閥；電磁閥用于燃氣點火槍上的燃氣管路上的通斷閥，常閉型（斷電時），開啟時間短，小于0.5S,關閉時間小于1S，其結構緊湊，功耗低。

（10）空氣∕煙氣雙關三通換向閥

空氣∕煙氣三通換向閥，為雙閥瓣雙驅動小型三通換向閥，換向快，斷火時間短，能實現(xiàn)雙關，優(yōu)化了整個燃燒系統(tǒng)，系統(tǒng)效率高。耐溫為200℃，切換時間為1次/min。具有定時和強制換向功能。三通換向閥可實現(xiàn)與燃燒器就近安裝的優(yōu)勢，并能停爐時完全關閉，防止爐膛通過煙道排煙，減少熔液散熱造成的溫降，當操作按鈕選擇自動方式時,換向動作是依據(jù)工藝設定的定時換向周期換向和在定時換向中排煙溫度超溫時強制換向。當操作按鈕選擇手動方式時,可單動控制各單個閥的動作。

表3 換向閥其性能指標

（11）燃氣系統(tǒng)

燃氣系統(tǒng)通常包含安全降壓系統(tǒng)，燃燒自控閥組及相應管道系統(tǒng)。

安全降壓系統(tǒng)

該系統(tǒng)布置在窯爐附近，屬于爐前調壓，是把燃氣壓力由高壓調到10～20Kpa左右，該系統(tǒng)配備有：燃氣球閥、燃氣過濾器、燃氣壓力表、燃氣調壓閥、燃氣吹掃閥、燃氣放散閥等組成。

燃氣自控閥組系統(tǒng)

該系統(tǒng)配置有：燃氣壓力開關、燃氣球閥、燃氣電動調節(jié)閥、燃氣流量計、燃氣快速切斷閥等。

燃氣管路系統(tǒng)

燃氣管路系統(tǒng)是指由總天然氣管路分別通向燃燒器、長明槍及燃氣支路的各部位管件及法蘭等。

（12）助燃風系統(tǒng)

助燃風系統(tǒng)主要包括：鼓風機、管路減振膨脹節(jié)、現(xiàn)場壓力表閥組、壓力變送器、流量孔板、雙位蝶閥等組成。

雙位蝶閥主要用于實現(xiàn)大小火助燃風的切換，間接實現(xiàn)燃燒器的大小火脈沖火焰。該閥由氣動執(zhí)行機構和蝶閥兩部分組成，在蝶閥體與氣缸支架的連接處設有隔熱層。氣動執(zhí)行機構由兩只串聯(lián)氣缸組成。每只氣缸各有一只先導電磁閥用外氣源控制。可實現(xiàn)閥門兩種開度，并有限位機構使開度分別可調。蝶閥閥板的起始角為15℃，全開時轉角為75℃。開度數(shù)值由指針顯示，在系統(tǒng)中作為控制風量大小，實現(xiàn)溫度的自動控制。

鼓風機是根據(jù)蓄熱式燃燒系統(tǒng)所需的高風壓、小流量的特點風而決定的，所以選用耐高溫、耐腐蝕的特種高壓風機。

（13）壓縮空氣系統(tǒng)

壓縮空氣是為燃燒系統(tǒng)氣動元件提供氣源，一般壓縮空氣的氣壓為3～4Kg,該系統(tǒng)是由空壓機、儲氣罐、空氣三連件，調壓閥，手動閥，電磁閥等組成。

（14）排煙系統(tǒng)

蓄熱燃燒排煙系統(tǒng)分為主排煙管路和輔排煙管路組成。主排煙管路用于蓄熱式燒嘴燃燒，在主煙道設有對應的煙道調節(jié)閥；輔煙道量只占總煙量的10%～20%，主要起到調節(jié)爐壓的作用和在銅還原煙塵濃度大時開啟的功效，輔助煙道設有對應的煙道調節(jié)閘板。

排煙管路由高溫引風機（配套變頻器）組成，耐溫為200℃，電機為耐高溫電機。這種風機具有耐高溫、耐腐蝕、運行平穩(wěn)等特點，使用壽命長。蓄熱燃燒系統(tǒng)主排煙道與輔助煙道共設一個煙筒。

（15）自動控制系統(tǒng)

a.自控組成

反射爐自動化控制系統(tǒng)是由S7-300PLC控制模塊作為控制器，其中觸摸屏與PLC之間采用MPI通訊，其中 PLC控制器用于生產(chǎn)過程中的邏輯和順序控制，閉環(huán)調節(jié)控制，數(shù)據(jù)采集、計算和過程I／O處理等。觸摸顯示屏（人機界面）用于參數(shù)設定、操作和修改、報警和事故顯示、過程畫面顯示、系統(tǒng)狀態(tài)顯示等。

b.主要檢測及控制功能

爐膛溫度檢測、顯示、控制；

銅液溫度的檢測、顯示、記錄；

排煙溫度檢測、顯示、報警；

爐壓檢測、顯示與自動調節(jié)；

空、燃氣壓力低報警、顯示及切斷燃氣；

換向閥換向到位顯示及不到位報警、聯(lián)鎖功能；

鼓風機、引風機停運、燃氣快切閥聯(lián)鎖功能；

風機、爐門電機等的起停控制。

c.控制系統(tǒng)說明

系統(tǒng)啟動

系統(tǒng)啟動之前可人工選擇是否進入爐膛吹掃程序，爐膛吹掃程序由PLC自動完成，吹掃約三分鐘后，即可進入人工電子點火程序。若火檢探頭檢測到穩(wěn)定的火焰，PLC接收到信號后，即認為點火成功；若PLC未接收到火焰信號，即認為點火失敗，控制系統(tǒng)發(fā)出聲光報警并在控制柜上顯示。

點火成功后，燒嘴既可切換為換向燃燒方式，也可通過觸摸屏畫面的選擇按鈕選擇爐溫控制方式，手動控溫/自動控溫。

換向控制部分

氣動空氣三通換向閥為雙電控氣動閥，由二個電磁鐵控制換向閥的換向，二個均斷電時換向閥不動作，其中一個通電時產(chǎn)生對應的閥位，三通換向閥上裝有二個行程開關；分開和關兩個位置安裝，用于反饋閥位。燃氣快切閥為電開型單電控氣動閥。

整個換向過程如下：

當操作按鈕選擇自動方式時，換向動作是依據(jù)工藝設定的定時換向周期換向和在定時換向中排煙溫度超溫時強制換向。當操作按鈕選擇手動方式時，可單動控制各單個閥的動作。

換向過程描述：假設初始狀態(tài)是在A位燃燒，則換向信號到來時，馬上關閉A位燃氣快斷閥（QV-102）,延時1秒將空氣三通換向閥（HXF）切換到空氣通向B位燃燒的閥位，再延時1秒后打開B位燃氣快斷閥(QV-101),到此完成一次換向周期。再次換向信號到來時，狀態(tài)反之。

溫度控制

溫度控制為設備控制的核心。反射爐設有2支S分度熱電偶：分別檢測爐膛溫度，銅液溫度，熱電偶信號送給PLC進行處理并在觸摸屏上顯示。

爐溫控制是根據(jù)熱電偶采集到的溫度信號，送入PLC中的模擬量輸入模塊，經(jīng)冷端補償，線性化處理，與給定溫度比較，經(jīng)PID運算后，輸出信號控制和調節(jié)燃燒負荷的大小，以達到溫度自動調節(jié)的目的。爐膛溫度由安裝在爐壁的熱電偶檢測。銅液溫度電偶從爐門測量。

爐壓控制

在爐壁設置爐壓取壓點。

爐壓控制采用閉環(huán)控制方式，通過PLC對爐壓實際值與設定值的偏差值進行PID運算，通過排煙風機變頻器調節(jié)排煙風機抽力的大小，從而實現(xiàn)爐膛壓力的閉環(huán)控制。

系統(tǒng)報警部分

若下列主要聯(lián)鎖保護超出限制或未達到，PLC控制系統(tǒng)發(fā)出聲光報警并立即關閉快切閥切斷燃燒，同時顯示報警信息。

鼓風機、引風機關閉

助燃風壓力低

燃氣壓力低

火檢無信號

換向閥未到位

爐壓過高

爐膛超溫

排煙溫度超過極限溫度

三、問題和措施

考慮到銅熔煉的特殊性——在還原階段煙塵比較大，容易堵塞蓄熱球的生產(chǎn)特點。我們從以下幾方面進行改進：

保留原來磚砌煙道作為輔助煙道，在熔化過程中，用閘板關閉輔助煙道；當還原過程時，煙塵過大，把蓄熱式燃燒系統(tǒng)停掉，排煙換向閥全部關閉，引風機停止。把輔助煙道閘板打開，使煙塵直接從煙道中排走。

蓄熱球采用帶中心孔和溝槽的莫來石球，這樣就能增大通透截面積，防止堵塞，增加蓄熱能力，延長蓄熱球的更換周期。

合理設計蓄熱室箱裝、卸小球門，快捷打開和關閉，使換球時間大大縮短，整個用時不超過30分鐘，在更換蓄熱球時，不會影響生產(chǎn)。

在工藝上，還可考慮用天然氣代替煤粉或木材作為還原介質，也可大大降低煙塵含量。

四、經(jīng)濟效益分析

改造后效益：

1.單爐產(chǎn)量：100t∕爐；

2.改造前單位能耗：100Nm3∕t；

3.改造后單位能耗：70Nm3∕t；

4.節(jié)約能耗：30%；

5.燃氣單價：3元∕Nm3；

6.月爐生產(chǎn)次數(shù)：25爐；

7.單爐月節(jié)約金額=100t∕爐×100Nm3∕t×30%×3元∕Nm3×25次=22.5萬∕月爐。

五、結論

1.在同反射爐中采用蓄熱式燃燒技術取代普通的燃燒技術是可行的。

2.改造后可使落后的同反射爐改變?yōu)樾滦偷母咝Ч?jié)能爐窯。

3.節(jié)能減排效果明顯，其節(jié)能可達25%～35%，能為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。

4.改造后環(huán)保要求完全可達到國家標準。