銅陽極爐稀氧燃燒技術的生產實踐

萬 軍， 吳長林， 王成國， 李 立， 肖 軍

(大冶有色金屬集團控股有限公司 冶煉廠， 湖北 黃石 435101)

銅陽極爐稀氧燃燒技術的生產實踐

萬 軍， 吳長林， 王成國， 李 立， 肖 軍

(大冶有色金屬集團控股有限公司 冶煉廠， 湖北 黃石 435101)

簡述了稀氧燃燒技術的基本原理和主要特征，對比分析了稀氧燃燒技術的節能減排效果以及生產過程中存在的問題。通過摸索及工藝調整，縮短了陽極爐天然氣還原操作時間30分鐘以上。通過火焰長度的調整以及加強爐壽維護，大大延長了爐壽。

稀氧燃燒； 銅陽極爐； 節能減排； 天然氣還原； 爐壽

0 前言

近年來，大冶有色冶煉廠開展了一些列的冶化技改工程項目，其主要工藝技術、裝備水平達到了國內較先進水平，主要產品產量創歷史新高，整體實力實現了跨越式地發展。近幾年，國際有色金屬市場持續低迷，銅冶煉企業利潤空間越來越小，節能降耗是提高生產經營效益的有效途徑。

大冶有色冶煉廠陽極爐保溫原采用傳統常溫助燃風燃燒天然氣，其天然氣消耗占陽極銅生產總成本的60%以上。2013年底大冶有色冶煉廠引進徐州燃控科技股份有限公司的稀氧燃燒技術對2#陽極爐燃燒器進行了改造，其節能減排效果明顯。

1 稀氧燃燒技術

1.1 稀氧燃燒技術原理

稀氧燃燒技術是純氧助燃燃燒的一種，其主要原理為：以純氧為助燃介質進行助燃，燃料和氧氣通過不同噴嘴高速射入爐膛，高速射流卷吸爐膛內的煙氣，燃料和氧氣被迅速稀釋，在爐膛形成一種漫射的、火焰溫度分布一致的燃燒加熱體系。圖1大冶有色冶煉廠稀氧燃燒燒嘴示意圖以及2#陽極爐現場應用情況照片。

圖1 大冶有色冶煉廠稀氧燃燒燒嘴示意圖以及2#陽極爐現場應用情況照片

1.2 稀氧燃燒技術特點

(1)采用純氧助燃，熱效率高，節約原料，減少排放。相對于傳統常溫助燃風燃燒，純氧燃燒鼓入的風量大大降低，有效的減少陽極爐煙氣體積(最高可達70%以上)，達到了降低煙氣帶走的熱損失目的，燃燒效率得到提高，燃料消耗降低；同時，煙氣量的減少能降低陽極爐排煙風機和煙囪的運行負荷。

(2)卷吸爐膛高溫煙氣的稀釋作用，燃燒火焰溫度較常規氧氣助燃燃燒低。圖2為煙氣卷吸率R與燃燒火焰溫度曲線圖。由圖可知，傳統的純氧燃燒火焰溫度很高(R=0)，容易形成局部溫度過高的“熱點”，影響陽極爐爐襯使用壽命；稀氧燃燒(R=8)的卷吸煙氣稀釋作用，使得純氧助燃燃燒獲得與傳統助燃風助燃燃燒同樣的火焰溫度(水平粗實線)。

圖2 爐內煙氣卷吸率R與燃燒火焰溫度曲線圖

1.3 稀氧燃燒控制系統

2#陽極爐稀氧燃燒采用一套單獨的控制系統對燃燒器進行自動控制，在陽極爐爐前操作室實現對

天然氣流量、環氧比例、中心氧氣(或壓縮空氣)進行調節。

2 稀氧燃燒技術的應用實踐

2.1 生產實踐情況

2#陽極爐稀氧燃燒系統在2014年2月底開始投產使用，3月下旬出現出銅口下方1.5 m，向爐頭1 m左右位置耐火磚損耗過快，爐殼發紅現象，被迫停爐檢修。4月初再次投入生產，期間出現一種現象：氧化速度慢，很難達到氧化終點，氧化時間最長達5～6 h。通過前期的實踐經驗及優化改進，到目前為止，總體性能達到設計要求：

(1)操作方便。其一燃燒器上配有高能點火槍，通過點火槍產生的能量點燃中心燃燒器，解決過去人工點火，保證操作人員安全；其二操作人員只需要控制天然氣的量，氧氣它會自動按照設定的比例進行調節，減少了操作上的失誤。

(2)系統安全可靠。稀氧燃燒系統設置了滅火保護、壓力保護，火檢探測器檢測到正在運行的陽極爐無火或氧氣天然氣壓力過低會自動切斷進氣閥，保障人員和設備的安全。

(3)節能減排效果明顯。該廠2#陽極爐與3#陽極爐規格及配套設施相同，3#陽極爐仍采用傳統空氣助燃燃燒天然氣，在相同的工況條件下，各階段天然氣消耗如表1所示。

表1 該廠2#、3#陽極爐各階段天然氣消耗及平均煙氣量情況

表1 該廠2#、3#陽極爐各階段天然氣消耗及平均煙氣量情況

由表可知：應用稀氧燃燒技術后，陽極爐銅單耗有較大的降低，實際天然氣單耗為傳統壓縮空氣助燃的34.3%，節能效果明顯。

(4)火焰長度可調。設備點火正常運行后，中心氧改為壓縮空氣，通過調節閥調節壓縮空氣的流量及壓力可以調節火焰的長度，火焰長度達到4～8 m范圍可調。

2.2 對陽極爐氧化還原操作的影響

銅陽極爐爐內氧化還原氛圍對氧化、還原操作過程有較大的影響。該廠2#陽極爐采用稀氧燃燒系統改造后，期間出現氧化速度慢，很難達到氧化終點，氧化時間最長達5～6 h。經過生產實踐，該廠在爐膛負壓控制和環氧比例系數調節方面進行了摸索和研究。

2.2.1 負壓控制

氧化時間偏長的原因：由于使用稀氧燃燒，爐子煙氣量的大大減少(約為傳統燃燒的30%)，在氧化階段，爐膛內SO2排出速度減慢，SO2分壓較高，導致脫硫速度較慢，造成氧化時間延長。

生產過程中，通過加大爐膛內負壓和提高銅水溫來加快脫硫；另外，可通過轉爐粗銅適當過吹，實現來縮短精煉爐氧化時間。經過一些列的優化，該廠2#陽極爐氧化操作時間與3#陽極爐基本相同，基本控制在2 h以內。

經過摸索，銅水溫度控制范圍為1180～1220 ℃。各階段爐膛負壓控制范圍如表2所示。

表2 2#陽極爐各階段爐膛負壓控制范圍

2.2.2 環氧比例系數調節

利用稀氧燃燒系統能靈活調整環氧比例系數的特性，可改變爐內氧化還原氛圍。該廠對銅水溫度為1180～1220℃范圍內的不同環氧比例系數與氧化還原操作時間的關系進行了摸索，試驗得到氧化還原操作時間與環氧比例系數的關系如圖3所示。

圖3 氧化還原操作時間與環氧比例系數的關系

由關系曲線可知：隨著環氧比例系數的越大，爐膛內氧化氛圍越強，氧化操作時間縮短；環氧比例系數越小，爐膛內還原氛圍越濃，還原操作時間縮短。

利用環氧比例系數與氧化還原操作時間的關系，在環氧比例系數許可的變化范圍內(天然氣燃燒發熱滿足保溫需求)，及時調整環氧比例系數可以優化陽極爐氧化還原操作，縮短作業時間。該廠陽極爐環氧比例系數控制范圍為：氧化階段2.05～2.20、還原階段為1.80～1.90、待料及澆鑄階段1.90～2.10。

經過2#、3#陽極爐的對比實驗：通過對環氧比例系數和負壓的調節，在同等條件下(銅量、溫度、氧化程度、還原天然氣流量和壓力相同)，2#陽極爐使用天然氣的還原操作時間較3#陽極爐縮短了30 min以上。

2.3 稀氧燃燒對陽極爐爐壽的影響及改善措施

據了解，國內其他同行企業在陽極爐應用稀氧燃燒技術時，陽極爐爐壽均受到了較大的影響，一般為3～6個月，比使用傳統燃燒器的陽極爐壽命低3個月以上。該廠2#陽極爐處于生產尾期，使用稀氧燃燒生產約20天，出現出銅口下方1.5 m，向爐頭1 m左右位置耐火磚損耗過快，爐殼發紅現象。

2.3.1 影響爐壽原因分析

根據分析，稀氧燃燒對爐壽影響的主要是造成局部爐襯損耗過快，其原因為：

(1)不同操作階段爐內銅水量不同，爐膛上空間不同，稀氧燃燒的卷吸效果不一樣，導致部分時間段爐內存在局部為高濃氧與天然氣的直接燃燒，燃燒火焰溫度偏高，陽極爐耐火磚燒損加快。

(2)操作經驗不足，燒嘴維護清理不及時，存在火焰歪燒；

(3)燒嘴安裝時有5～10度向下的傾角，爐子在氧化還原操作時，火焰長度較短，直接燒至該區域耐火磚，導致燒損快。

其他可能會出現的問題：燒嘴磚出口是純氧與天然氣混合燃燒，局部燃燒隔熱，燒嘴磚及爐頭端墻燒損快，影響整體爐壽。

2.3.2 改進措施

針對稀氧燃燒對陽極爐爐壽的影響，大冶有色冶煉廠在設計和應用稀氧燃燒系統時采取了一系列的措施：

(1)設計稀氧燃燒系統時，在中心氧氣管道上并入一套壓縮空氣管道，正常生產過程中替代中心氧以達到調節火焰的長度目的，降低爐頭端墻及燒嘴磚局部劇烈燃燒過熱。

(2)生產過程中，摸索在不同操作階段、爐膛空間下稀氧燃燒系統天然氣的流量及環氧比例系數的調節范圍，測量和比較陽極爐筒體表面不同位置溫度變化情況，得到了最優的天然氣流量控制方案，并在筒體表面溫度較高的渣線區域采取風冷降溫處理。

(3)通過試驗探索出了不同階段余熱鍋爐出口的負壓控制范圍：帶料、澆鑄期-50～0 Pa，氧化期-150～-200 Pa，還原期-100～-150 Pa。

(4)爐前操作人員及時觀察爐內火焰燃燒狀況，以爐膛內煙氣混濁、且無明顯集中火焰為佳，定時、及時對燒嘴磚槍孔和燃燒槍頭進行清理，確保氣流通暢，防止火焰燒偏。

通過以上改進措施后，從2014年4月4日至10月22日，稀氧燃燒在該廠2#陽極爐后期生產了近200天，爐內耐火磚燒損情況基本正常，爐內耐火磚損耗比較均勻，沒有出現局部燒損過快和影響爐壽的情況。

3 結論

通過8個多月的生產實踐，銅陽極爐應用稀氧燃燒技術實現節能減排在大冶有色冶煉廠已取得較好的效果：

(1)陽極爐燃燒天然氣單耗降低了60%以上，外排煙氣量減少了70%左右；

(2)利用對爐膛負壓的及時控制、環氧比例系數調整，縮短了銅陽極爐氧化還原操作的時間30 min以上；

(3)通過火焰長度的可調整以及加強爐壽維護，大大延長了陽極爐爐壽，稀氧燃燒技術對陽極爐爐壽基本上不會產生大的影響。

The Practice of Dilute Oxygen Combustion Technology in Copper Anode Furnace

WAN Jun， WU Chang-lin， WANG Cheng-guo， LI Li， XIAO Jun

(Smelting Plant, Daye Nonferrous Metals Group Co., Ltd. Huangshi 435101, China)

The paper briefly introduces the basic principle and main features of dilute oxygen combustion technology, analyses and compares the effect of energy saving and emission reduction of the dilute oxygen combustion technology and some problems in the production process. The operation time for the anode furnace is shortened more than 30 minutes through the exploration and adjustment. The furnace life is greatly prolonged through adjustment of flame length and strengthening furnace maintenance.

dilute oxygen combustion； copper anode furnace； energy saving and emission reduction； life length of furnace

2014-09-12

萬 軍(1973-)，男，湖北黃石人，冶金高級工程師，大學本科，主要從事銅冶金工作，現任大冶有色金屬有限責任公司冶煉廠副廠長。

吳長林(1981-)，男，湖南永州人，冶金工程師，大學本科，主要從事銅冶金工作，現任大冶有色金屬有限責任公司冶煉廠轉爐車間工藝副主任。

TF811

B

1003-8884(2014)05-0045-04

王成國(1968-)，男，湖北蘄春人，冶金高級工程師，大學本科，主要從事銅冶金工作，現任大冶有色金屬有限責任公司冶煉廠技術科科長。