傾動爐優化燃燒系統的實踐

吳學榮，王利敏，康有才

（江西銅業股份有限公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

江西銅業股份有限公司貴溪冶煉廠傾動爐由德國MAERZ爐窯公司開發設計，是主要用于處理廢雜銅的較為先進爐型，設計年產陽極銅10萬t，其生產過程是將塊狀或打包的廢雜銅用DDS加料機從兩個爐門加入爐內，經熔化、氧化造渣、還原、澆鑄四個階段冶煉出化學成分符合要求的陽極銅。在每個爐次的生產作業中都需消耗大量的能源，來熔化入爐的物料進而完成整個冶煉過程。在國家“雙碳”目標引領下，近年來傾動爐燃燒系統由原來的富氧燃燒升級成了稀氧燃燒技術，并根據爐型特點進行了優化，使噸銅能耗有了明顯下降，但還存在爐內局部溫度過高、熱負荷需均勻化等問題。

1 改進前存在的問題

傾動爐是截面近似于橢圓的柱狀體，爐體由鋼結構作為框架，內部砌鎂鉻質耐火磚構成。砌體分為爐頂、爐墻和爐底，爐頂耐火磚吊掛在鋼結構的羊角梁上。在爐體精煉側裝有6個風管，由一套閥組控制，用于在氧化階段向熔體鼓入壓縮空氣，提供熔體中絕大多數雜質的氧化反應所需氧。其燃燒系統的兩套燃燒器組安裝于爐窯端頭面的中部偏上位置，如圖1所示。

圖1 傾動爐燃燒器示意圖

傾動爐燃燒器具體來說由一支重油槍和一支主氧槍、一支副氧槍構成，用專用剛玉材質燒嘴磚固定在爐體右端墻上，相互間呈“1”字型排布，重油槍處于整個燃燒器的燒嘴磚中心位置，兩只氧槍分別置于油槍的正上方和正下方，其上方的副氧槍采用直管式結構，占總氧量約20%的氧量經其噴射出與重油進行劇烈的燃燒反應，形成根部火焰，在距離右端墻約40 cm處產生一個局部高溫區，最高溫度可達2 750℃［1］，使得該區域爐頂溫度過高，導致耐火磚性能下降。同時右端墻被高溫爐渣侵蝕嚴重，產生較深的渣線，最終導致右墻侵蝕出長3～4 m、深約300～500 mm的條狀侵蝕帶和爐頂2～3處尺寸約225 mm×120 mm耐火磚掉落區。

1.1 爐窯局部損壞耐火層的修補

為保證爐窯結構的安全，在爐窯后期必須定期對右端墻耐火磚損耗嚴重的渣線區域和爐頂耐火磚脫落的區域進行修補。右端墻渣線區域，采用半干法噴補技術，在高溫狀態下進行噴補，使右端墻渣線區域磚砌體表面增加可達到100 mm左右的新耐火層［2］，保護該處爐體耐火磚。爐頂耐火磚脫落的區域，需先用安裝支架來穩固修補料，待燒結后與周圍爐頂耐火磚結成一體，填補上因爐頂磚掉落而產生的空洞，保護相鄰的耐火磚［3-6］。這些使得生產中的非作業時間增加，維護成本上升。

1.2 爐內溫度的差異

另一方面傾動爐的縱向長度有11 960 mm，因此爐體加料側設有二個加料門，但直管式的氧槍和“1”字型排，使得爐內高溫區較短，未能達到2＃門加料區域，并且精煉側6個風管由一套閥組控制只可向爐內噴入壓縮空氣，即在爐體尾端的4＃、5＃、6＃風管無法在加料熔化期提供富氧，增加燃燒反應強度。在生產中可看到加料時1＃門化料快于2＃門；待氧化結束時進行測溫，1＃門測得的熔體溫度1 155℃也高于2＃門測得的溫度1 135℃，即爐內溫度場是燃燒器端溫度高并向尾部快速降低，從而使單爐作業時間增長、噸銅重油單耗增加。

2 優化改進實施方案

2.1 燃燒器排布結構優化

針對燃燒器副氧槍在重油槍的正上方，會導致稀氧燃燒產生的高溫區靠近爐頂，引起相應區域爐頂耐火磚損耗過快甚至出現局部耐火磚掉落的現象，實施了燃燒器排布結構優化改進，把副氧槍移到重油槍以下，具體改進方案是：（1）重油槍、主氧槍、副氧槍相互位置呈三角型；（2）重油槍位于三角型的頂端，主氧槍、副氧槍分別位于其右下側和左下側并呈對稱分布，如圖2所示。

圖2 燃燒器“三角”型排布結構

優化后重油槍處于燒嘴磚中心，主氧槍向右移并間距增加75 mm，副氧槍與主氧槍對稱分布，使燃燒時的卷吸動能增加同時爐內高溫區下移，增加向爐內銅原料的熱交換效率，降低爐頂溫度。

2.2 氧槍結構優化

燃燒器氧槍原采用直管式結構，氧氣噴出動能較低，火焰短，改進的目標是增加氧槍出口的氧氣噴射速度，具體改進方案是：（1）增加氧槍直管部分的直徑；（2）在出口端安裝拉瓦爾噴嘴。改進后使火焰的長度得到了增長并且因多股氧氣間的相互影響，出現高溫區域面積增大的現象。

2.3 爐窯尾端風管富氧

在生產中，氧槍噴入爐內的氧氣與重油產生燃燒反應，可產生大量的H2O、CO、CO2等氣體，同余下的氧氣混合后，使得尾端的氧氣濃度低，燃燒強度低，需增加氧量和濃度，提高燃燒產生的溫度。經論證后決定增加后半部分4＃、5＃、6＃三個風管的獨立控制系統并引入氧氣，提高其噴入爐內氣體的富氧率，具體實施方案是：（1）4＃、5＃、6＃三個風管從原管網中獨立出來，由新增的自動調節系統控制；（2）引入氧氣管，在加料熔化期提高富氧率到約50%，增加爐窯尾端的燃燒溫度，加速物料熔化。

3 改進后效果分析

3.1 局部耐火層修補次數下降

燃燒器改進后爐內溫度場的高溫區下移，同時因氧氣流具有的動能增大，使高溫區趨向扁平，爐窯的爐頂、右端墻局部區域耐火磚高溫情況得到轉變。

由表1可知，2021年爐窯局部耐火層修補次數較2020年的12次下降75%，按每次噴補作業需消耗MINTEQ噴補料0.5～1t計，可節約維修成本約9萬元。

表1 2020～2021年爐窯局部耐火層修補次數對比表 次

3.2 改進前后重油單耗對比

燃燒器的改進和加料熔化期4＃、5＃、6＃三個風管噴入富氧率約為50%的壓縮風，實現了爐內高溫區下移、高溫區域面積增大和爐窯尾端的燃燒溫度提升等有利改變，有效加快了爐內銅原料的熔化速度，使得單爐周期和噸銅重油單耗都有了明顯下降，見表2和表3。

表2 2020～2021年相應爐期的單爐周期對比表 h

由表2可知，單爐平均周期由原來的24.11 h降低到2021年的23.32 h，平均每爐減少0.79 h，對應全年可增產約4 500 t陽極銅。

由表3可知，重油噸銅單耗由2020年的42.40 kg／t下降至2021年的40.80 kg／t，即噸銅重油單耗平均值下降約3.8%，節能降耗效果顯著。

4 結 論

技術人員通過對傾動爐實施燃燒系統優化改進，實施在加料熔化期4＃、5＃、6＃風管提高富氧率及優化工藝參數等措施，使爐內溫度場分布更趨于合理，提高了熱能交換效率，縮短了單爐周期時間，減少了爐窯易損部位的修補次數，延長了爐磚的使用壽命，節約了生產成本，增加了陽極銅產量，還保證了生產穩定和爐窯的安全性。