全氧燃燒技術在金屬再生中的創新應用

文/液化空氣（中國）投資有限公司 彭火香 潘躍進 褚曉雯

全氧燃燒技術在金屬再生中的創新應用

Innovative application of oxygen combustion technology in the metal regeneration

文/液化空氣（中國）投資有限公司 彭火香 潘躍進 褚曉雯

本文概述了全氧燃燒技術的特點，分析了與傳統燃燒方式的區別，進而列舉了該技術在再生金屬熔煉中的應用案例。通過案例看出，通過采用了全氧燃燒技術后，再生金屬的熔煉在節能減排，生產效率等方面有明顯的提升。

全氧燃燒，二氧化碳減排，節能降耗

近年來我國經濟保持了快速增長，尤其工業的發展速度驚人；另外，人們的生活水平也隨之提高。相對應的是工業廢棄物和生活廢棄物急速增加，這對能源需求和環境保護提出了巨大的挑戰。作為環保措施的資源再生行業近年來也是取得了非凡的成就。資源再生過程中的環保也是人們日益關注的話題。

近年來，我國生態環境污染事件不斷增長，呈現波及范圍廣、影響人群多、持續時間長等特點。資源再生中的環保問題得到了政府和社會的高度關注，國家亦將節能環保指標作為強制性要求。此外，面對國內能源總體價格持續走高的現狀，工業生產企業同時也面臨著能源價格、特別是化石能源價格上漲帶來的成本壓力。雙重壓力下，節能減排已是行業共識。

十九大報告中，國家提出要建設美麗中國，推進綠色發展、清潔生產，為工業生產活動提出了更高的要求、也注入了新的動力。在資源再生的過程中減少“三廢”排放，提高能源利用以符合國家戰略。全氧燃燒即是針對資源再生火法工藝的一個很好的技術，自引入國內以來，其先進的技術和在玻璃熔煉、再生金屬冶煉和材料處理等多個行業的創新應用，不斷受到政府、行業專家和業內企業的高度認知和好評。

一、全氧燃燒技術的創新性

（一）傳統燃燒的概念

燃燒是日常生活及生產中常見的現象。燃燒的本質是指可燃物與氧化劑發生的一種發光、放熱的劇烈的氧化反應，主要目的是利用其產生的熱量。傳統燃燒現象由三大要素構成：可燃物、著火點（能量）和助燃物，燃燒過程中需要鼓風或裸露在空氣中進行。助燃物主要是空氣，而真正起到助燃作用的，是空氣中的氧氣（約占空氣的20%）。以常見的天然氣燃燒為例，通過反應方程式可以看清燃燒的原理及產物：

天然氣作為可燃物，燃燒1立方米的CH4，在能量（點火/放電）的作用下與空氣中的氧氣發生反應，生成二氧化碳和水，同時產生約8600大卡的熱量。伴隨這一過程產生的火焰溫度最高可達1800℃。但與此同時，N2卻從室溫升高到煙氣排放溫度。以煙氣排放溫度為950℃計算的話，N2為主的煙氣排放帶走的熱量超過CH4燃燒產生熱量的50%，造成能源浪費。同時氮氣在高溫環境下易和氧氣發生反應生成NOx，它與CO2共同構成了對大氣環境造成污染的兩大主要污染源。由于助燃風量大，煙氣將攜帶窯爐中原材料的顆粒物并排出，是大氣顆粒物污染的一個來源。目前，在冶煉、玻璃、水泥等行業中，熔窯大多采用空氣—燃料燃燒系統。

（二）全氧燃燒技術原理及特性

全氧燃燒技術最早于上世紀80年代應用于冶金及玻璃工業領域，是一項成熟的節能減排技術。其基本原理是用高純度的氧氣（＞90%）完全替代傳統的空氣作為氧化劑參與燃燒。以天然氣燃燒為例，全氧燃燒的反應方程式如下：

對比傳統空氣助燃反應方程，全氧燃燒消除了空氣帶入的大量N2。

由于避免了N2混入燃燒過程，全氧燃燒對比傳統空氣助燃具有如下主要特點：

1、燃燒效率提高超過30%，節約能源，減少CO2排放

工藝生產中，燃燒產生的熱量主要用來加熱目標物。燃燒中由于沒有N2加入到燃燒工藝里，空氣助燃中氮氣帶走的近50%的熱量將會節省下來。而加熱同樣的物體，CH4的消耗量將減少高達50%，從而實現節約能源，減少CO2排放。

2、燃燒后的氣體產物將減少80%（體積量），NOx等污染物的排放減少

沒有N2參與整個燃燒過程，最終產生的煙氣量將會減少80%，極大的減少了生產后端污染物的排放。

3、火焰溫度可達2800℃，提高以輻射為主的傳熱效率。

（三）液化空氣的全氧燃燒技術

液化空氣中國于2008年將集團的全氧燃燒技術引進國內，根據國內市場和客戶的具體需求，因地制宜地開發了相應的技術。目前，在中國已經有近50套窯爐采用了液化空氣的全氧燃燒技術。這些行業分布在玻璃熔煉、銅回收、鋁熔煉和再生鉛等行業，均實現了顯著的節能減排效果。

全氧燃燒整體解決方案主要由以下三部分組成：

1、流量控制閥組

該閥組分為氧氣及天然氣兩大部分，主要用于執行氧氣及天然氣流量的自動控制，氣體配比和緊急狀態下的自動切斷。由差壓變送器，壓力變送器及控制閥組成的氣體流量控制結構能精確的執行來自控制系統的指令，實現氧氣及天然氣流量的全自動控制和穩定配比關系。

2、電氣控制系統

控制系統提供的HMI操作界面相對于傳統控制器更加直觀、友好，操作直觀簡便，控制精確。系統控制程序包括管路安全控制系統和氧氣天然氣流量控制系統。

3、全氧燃燒器

全氧燃燒器是整套技術的核心，需要根據不同工藝及窯爐設備的需求來匹配燃燒器的結構。液化空氣針對不同行業研發出不同的全氧燃燒器，如應用于玻璃行業的ALGLASS 燃燒器有8款不同的燃燒器；在鋼鐵行業，有用于電弧爐的爐壁氧槍、超音速射氧槍和用于鋼包烘爐的ALJET等；應用于再生有色金屬冶煉的ALJET氧槍和ALBATCH氧槍等。各種氧槍結構不同，特別注重燃燒與熔煉工藝的匹配和提高燃料的燃燒效率。

二、全氧燃燒技術在國內的應用案例

全氧燃燒技術的諸多優點正在被國內眾多再生金屬企業認知和接受，液化空氣始終致力于將其在全球范圍內得到成熟應用的全氧燃燒技術及相關設備引入國內，根據國內客戶的特點和需求開發更具附加值的全氧燃燒整體解決方案。

案例一：再生銅熔煉案例

2013年，山東東營某銅業有限公司率先在國內引入先進的反射爐全氧燃燒解決方案。該客戶主要產品是再生銅陽極板，產品主要應用于高鐵列車等行業。他們在再生銅熔煉工藝中使用空氣助燃。傳統的空氣助燃技術煙氣排放量和燃料的消耗較大，熔煉效率相對低。

該公司在其某100t反射爐安裝了2套ALJET圓火焰全氧燃燒器及控制系統后，取得了顯著的節能減排效果（數據見表1）。該公司于2014年年底完成全部六臺反射爐進行全氧技術改造。

可以通過以下對比了解全氧燃燒帶來的益處。

1、能源節約及CO2減排

下圖是該公司的工藝記錄，包含有工藝時間、天然氣耗量等。其中上圖為全氧燃燒條件下，下圖為空氣燃燒。

全氧燃燒工藝記錄

從記錄可見，采用全氧燃燒技術后，每爐生產工藝時間從26小時減少到約22小時；天然氣耗量從7787m3/爐減少到3250m3/爐，天然氣節約超過50%，折算到每噸陽極銅產品消耗量從78m3降到33m3。

空氣燃燒工藝記錄

由于天然氣消耗減少，生產每噸產品產生的CO2也顯著減少。如前所述，該公司隨后將全部爐子改成了全氧燃燒工藝。該公司每年生產約10萬噸陽極銅，以下是年數據的綜合折算比較：

2、生產環境的改善

再生銅熔煉（年產10萬噸） 空氣助燃 液空全氧燃燒 比較天然氣耗量（萬m3） 780 330 節約58%C02 排放（萬噸） 1.6 0.6 減排1萬噸

采用全氧燃燒技術后，由于沒有了大量空氣鼓入熔煉爐中，使得熔煉爐的爐內壓力得到了很好控制。這易于在生產過程中根據不同工藝期控制不同的爐內壓力，提高生產產品質量，改善操作環境。下面圖片就是客戶加料時的對比圖片；

全氧燃燒加料

空氣燃燒加料

從上圖可以看出，采用全氧燃燒后，煙氣量明顯減少，現場操作人員的工作環境明顯改善。

全氧燃燒系統在客戶現場的安裝見下圖。

ALJET全氧燃燒系統

案例二：再生鉛熔煉案例

2014年，河北某科技有限公司一臺再生鉛熔煉爐采用了全氧燃燒系統。液空為該公司每臺熔煉爐配置2支ALJET-VM變動量全氧燃燒器，最大功率2MW，及相應的控制閥組和控制系統。在第一臺設備運行交付后，該公司將剩余5臺熔煉爐改用了全氧燃燒系統。

以下是部分運行數據比較。

空氣燃燒 全氧燃燒每爐時間（h） 8 6 產能增加30%天然氣耗量（m3/噸產品） 120 52 節約56%煙氣量減少 80%

由于采用了全氧燃燒，該客戶每年CO2減排達到8000噸。

案例三：再生鋁熔煉案例

2014年，河北某鋁業有限公司就其一臺鋁熔煉爐采用了全氧燃燒系統，該熔煉爐配用了2支ALBATCH-VM變動量全氧燃燒器，最大功率2MW，及相應的控制閥組和控制系統。采用全氧燃燒后每年CO2減排近1000噸。目前該公司其它爐子也改造成了全氧燃燒。交付運行后的數據如下：

空氣燃燒 全氧燃燒熔煉周期（小時） 8 6.5 產能增加19%天然氣耗量（m3/噸產品） 70（蓄熱式燃燒器） 43 節約38.5%煙氣量減少 83%

全氧燃燒爐內火焰

安裝在爐子上的全氧燃燒器

三、結束語

全氧燃燒技術的燃燒效率高、傳熱迅速，節能減排效果顯著。該技術尤其適用于再生金屬的冶煉、玻璃行業的各類高溫熔化/熔煉爐。為資源再生行業的環保生產提供了很好的工藝。