稀氧燃燒技術在貴冶傾動爐的應用

何芝成，康有才

（江西銅業集團公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

稀氧燃燒技術在貴冶傾動爐的應用

何芝成，康有才

（江西銅業集團公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

介紹了貴冶引進的傾動爐稀氧燃燒技術及其原理，對比分析了富氧燃燒與稀氧燃燒油量、風量、產渣量及渣含銅的變化。稀氧燃燒技術的應用使得噸銅重油單耗下降20kg，煙氣總量減少60%～70%，NOX排放降低，產渣量及渣含銅降低，極大地提升了傾動爐雜銅冶煉水平。

傾動爐；稀氧燃燒技術；重油單耗；廢氣排放；渣；陽極銅

1 引言

江西銅業集團公司貴溪冶煉廠（以下簡稱貴冶）傾動爐，是從德國馬爾茲爐窯公司引進、用于處理固態雜銅冷料的可來回傾轉式精煉爐，其設計裝入量為350t，于2003年8月建成投產。傾動爐燃燒系統是以重油為燃料，空氣+摻氧助燃的富氧燃燒，最初設計噸銅重油單耗為100kg，通過不斷努力，其單耗呈現下降趨勢，特別是近幾年新型選渣熔劑開發成功［1］，以及還原摻氮技術的應用［2］，使得傾動爐爐壽延長，還原劑單耗下降。然而重油單耗卻在65～70kg之間來回波動（見表1），富氧燃燒的可挖空間已十分狹小。

為讓能耗進一步降低，貴冶傾動爐于2015年5月引進稀氧燃燒項目，助燃方式變更為純氧燃燒，使得噸銅重油單耗和廢氣排放大幅下降。

2 稀氧燃燒技術

2.1 稀氧燃燒技術原理

傾動爐稀氧燃燒技術是采用純氧（工業氧≥95%）助燃，重油和氧氣通過不同噴嘴以高速射入爐膛，高動量重油、氧氣射流帶來強勁的爐氣卷吸，促進更均勻的溫度分布［3］，能有效降低純氧燃燒火焰產生的峰值溫度。階梯布置燃料和氧氣。稀氧燃燒器（如圖1），油槍居中，一次氧槍和二次氧槍分別上下布置，其噴口與重油噴口的軸線成一定夾角，一次氧量約為20%，二次氧量約為80%。重油從噴口噴出時，較小噴量的一次氧與重油摻混，燃燒時著火點距離燒嘴磚約40cm，燃燒形成根部火焰；較大噴量的二次氧位于重油下方，能托舉重油，與重油股形成射流強烈的剪切、摻混、拉伸作用，從而得到較長的穩定火焰。設置兩級氧槍的目的是：（1）增強氧氣卷吸煙氣能力，實現重油的均勻穩定燃燒；（2）拉長火焰，讓燃燒火焰能到達距離較遠位置。這種逐級供氧，逐級摻混，逐級燃燒的稀氧燃燒方式，極大地增強了重油燃燒的傳熱傳質能力。

圖1 稀氧燃燒器示意圖

2.2 稀氧燃燒系統構成

稀氧燃燒系統（如圖2）由供氧單元、供油單元、燃燒單元以及控制單元組成。供氧單元，是將動力車間的氧氣分為一次氧、二次氧，通過管道接至燃燒器供氧；供油單元則利舊改造，新增重油壓力調節及反饋，霧化蒸汽壓力調節及反饋，通過改變汽油比，實現霧化蒸汽和供油量重新分配，達到需要的燃燒效果；燃燒單元由稀氧燃燒器與燒嘴磚（剛玉材質）組成；控制單元以DCS為主體，與各單元儀表、閥門組成。

圖2 稀氧燃燒系統構成圖

3 稀氧燃燒技術應用效果

3.1 油量及重油單耗變化

稀氧燃燒相比富氧燃燒，減少了加熱氮氣的熱量損失，假設這部分熱量為△Q，對應重油量為△M，稀氧燃燒時此部分重油無需參與燃燒，也能滿足正常冶煉工藝需求，表2列出了稀氧燃燒技術應用前后傾動爐富氧與稀氧燃燒各工況燒嘴設定重油量對比。

表2 傾動爐富氧與稀氧燃燒各工況燒嘴設定重油量對比

自2015年5月12日，傾動爐稀氧燃燒正式投入使用，平均噸銅重油單耗（圖3）下降了20kg，下降幅度超過30%，碳排放量相應減少。

圖3 傾動爐2015年1-12月重油單耗（kg/t.Cu）

3.2 助燃風量、熱利用率及廢氣排放變化

富氧改造為稀氧燃燒后，重油在爐膛內為純氧燃燒，原助燃空氣中78%的氮氣未進入爐內，使得入爐氣體量大幅減少，表3中列出了富氧與稀氧燃燒各工況設定助燃風量變化。

表3 傾動爐富氧與稀氧燃燒各工況設定助燃風量變化

富氧燃燒，大量氮氣稀釋了重油燃燒生成的高溫態H2O和CO2氣體，而稀氧燃燒幾乎沒有氮氣摻入，為純氧助燃，生成的三原子H2O、CO2氣體濃度高，既增強了輻射傳熱，又增強了對流換熱［4］（見表4）；助燃風量減少，重油與氧氣燃燒生成的H2O和CO2氣體逐步釋放熱量降低動能，運動速度減慢，正確控制負壓條件下，H2O和CO2在爐內釋放熱量增多，進入鍋爐系統的熱量減少，蒸汽產量大幅降低（見圖4），從而提高了燃燒產物熱利用率。

表4 傾動爐富氧與稀氧燃燒H2O、CO2熱釋放對比

圖4 傾動爐2015年1-12月鍋爐平均每天蒸汽產量

稀氧燃燒的氧氣量占富氧燃燒助燃風量不足30%，實際生產中，氧化還原風管在不同工況下都有氣體進入爐內，外加從爐門及爐體其它部位滲入的空氣，相比富氧燃燒，稀氧燃燒煙氣總量減少60%～70%，而入爐氮氣的減少，使得燃燒反應生成的NOX也降低，廢氣排放大幅減少。

3.3 產渣量與渣含銅變化

富氧燃燒，因助燃氧氣濃度低，提溫速度慢，爐內氧分壓低，氧化時間約為4～5h，氧化結束溫度高，在1160～1120℃，使得渣含銅高，渣量大。熔煉時能否快速提溫是影響造渣的因素之一，而稀氧燃燒傳熱傳質能力強，能快速提溫；稀氧燃燒爐內氧化氣氛濃烈，能縮短氧化時間［5］，原因是單位時間有更多的O2與熔融［Cu］接觸生成［Cu2O］，加速了［O］在熔體間的傳遞，雜質更容易氧化造渣，使得氧化時間縮短為3.0～4.2h，氧化結束溫度在1140～1170℃，實現了低溫造渣，［Cu2O］進入渣相減少，渣含銅及渣量減少。圖5列出了2015年1-12月，根據每爐實際產渣量及渣樣化驗統計結果，以月為單位計算出的每爐產渣量和渣含銅平均值，可以看出：從5月開始產渣量和渣含銅下降明顯，且變化趨勢一致。稀氧燃燒的應用，不僅使氧化時間縮短，還降低了產渣量和渣含銅。

3.4 陽極銅化學品位

雜銅冶煉的主要任務是脫除雜質，提高陽極銅主品位，以利于電解工序順利進行。稀氧燃燒改變了爐內的氧分壓和溫度場，對雜質的脫除是否有影響，可通過分析陽極銅主品位和主要雜質元素含量來檢驗。

3.4.1 陽極銅主品位

貴冶要求的陽極銅主品位為：Cu≥99.2%。稀氧燃燒應用后，對陽極銅主品位進行了統計，圖6是2015年1-12月陽極銅主品位平均值，可以看出：陽極銅主品位均在標準之上，且波動減小，質量更加穩定。

圖6 傾動爐2015年1-12月陽極銅主品位

3.4.2 雜質元素

用于電解的陽極銅其雜質元素可分為四類（見表5），其中部分雜質在電解過程中會出現強烈的化學和物相變化，對陽極鈍化、陰極銅結粒［6］、電解液凈化以及從陽極中回收有價元素均有很大影響。

表5 陽極銅中的雜質元素

因此，貴冶制定了陽極銅雜質元素質量標準，表6統計了稀氧燃燒應用前后，陽極銅部分重點控制雜質元素含量，可以看出：稀氧燃燒對這些雜質元素的脫出未產生較大影響。

表6 稀氧燃燒應用前后陽極銅雜質元素含量

由上述可知，稀氧燃燒的應用后陽極銅的化學品位及雜質元素含量均在制定標準內，波動不大，質量穩定。

4 結語

稀氧燃燒技術在貴冶傾動爐的應用，實現了重油純氧燃燒，使得噸銅重油單耗下降，碳排放降低，煙氣總量及NOX也大幅減少，產渣量及渣含銅降低，進一步提升了傾動爐雜銅冶煉水平，帶來了可觀的經濟和社會效益。然而，純氧燃燒對爐襯具有損害作用，一直是制約其廣泛應用的瓶頸，傾動爐稀氧燃燒，出現了爐襯局部受損加劇的情況，接下來將對稀氧燃燒爐況維護展開研究，更好地讓稀氧燃燒技術應用于貴冶傾動爐。

［1］徐革雄. 傾動爐雜銅冶煉新型選渣熔劑的開發與研究［J］. 銅業工程，2014（4）：39-41， 83.

［2］徐革雄. 傾動爐還原過程摻氮技術研究及應用［J］. 銅業工程，2015（3）：4-6.

［3］袁海濱， 陳鋼， 楊建中. 稀氧燃燒技術在銅陽極精煉爐上的應用［J］.有色金屬（冶煉部分）， 2015（3）：8-10.

［4］遲建宙， 陳瑜， 李逸峰. 純氧燃燒系統特性分析［J］. 能源研究與利用，2014（5）：38-40.

［5］萬軍， 吳長林， 王成國， 等. 銅陽極爐稀氧燃燒技術的生產實踐［J］.有色設備， 2014（5）：45-48.

［6］郭樹東， 趙宇飛， 李學國. 銅電解精煉中陰極銅結粒成因探討［J］.甘肅冶金， 2015（4）：33-35.

Application of Dilute Oxygen Combustion Technology on Tilting Furnace

HE Zhi-cheng， KANG You-cai
（Guixi Smelter of Jiangxi Copper Corporation， Guixi 335424， Jiangxi， China）

The articleintroduces the dilute oxygen combustion technology and its principle used in the tilting furnace in Guixi smelter. It compares and analyzes the heavy oil consumption， wind volume， slag-producing amount and copper content in slag of oxygenenriched combustion and dilute oxygen combustion. The application of this technology reduces the heavy oil consumption of copper per ton by 20 kg，the amount of flue gas emission by 60%～70%， the NOXemission， and the slag amount and copper content in slag， greatly enhancing the scrap copper smeltinglevel of tilting furnace.

tilting furnace；dilute oxygen combustion technology；unit consumption of heavy oil；flue gas emission；slag；anode copper

F806

B

1009-3842（2016）05-0054-04

表1 2004-2014年傾動爐噸銅重油單耗2016-07-03 作者簡介：何芝成（1985-），男，貴州施秉人，主要從事雜銅冶煉工藝等方面的研究。E-mail： 337980402@qq.com

年份設計值2004200520062007200820092010201220132014噸銅重油單耗/kg1009589.7692.585.878.175.5170.0866.769.267.6