铜阳极炉稀氧燃烧技术的生产实践

万 军， 吴长林， 王成国， 李 立， 肖 军

(大冶有色金属集团控股有限公司 冶炼厂， 湖北 黄石 435101)

铜阳极炉稀氧燃烧技术的生产实践

万 军， 吴长林， 王成国， 李 立， 肖 军

(大冶有色金属集团控股有限公司 冶炼厂， 湖北 黄石 435101)

简述了稀氧燃烧技术的基本原理和主要特征，对比分析了稀氧燃烧技术的节能减排效果以及生产过程中存在的问题。通过摸索及工艺调整，缩短了阳极炉天然气还原操作时间30分钟以上。通过火焰长度的调整以及加强炉寿维护，大大延长了炉寿。

稀氧燃烧； 铜阳极炉； 节能减排； 天然气还原； 炉寿

0 前言

近年来，大冶有色冶炼厂开展了一些列的冶化技改工程项目，其主要工艺技术、装备水平达到了国内较先进水平，主要产品产量创历史新高，整体实力实现了跨越式地发展。近几年，国际有色金属市场持续低迷，铜冶炼企业利润空间越来越小，节能降耗是提高生产经营效益的有效途径。

大冶有色冶炼厂阳极炉保温原采用传统常温助燃风燃烧天然气，其天然气消耗占阳极铜生产总成本的60%以上。2013年底大冶有色冶炼厂引进徐州燃控科技股份有限公司的稀氧燃烧技术对2#阳极炉燃烧器进行了改造，其节能减排效果明显。

1 稀氧燃烧技术

1.1 稀氧燃烧技术原理

稀氧燃烧技术是纯氧助燃燃烧的一种，其主要原理为：以纯氧为助燃介质进行助燃，燃料和氧气通过不同喷嘴高速射入炉膛，高速射流卷吸炉膛内的烟气，燃料和氧气被迅速稀释，在炉膛形成一种漫射的、火焰温度分布一致的燃烧加热体系。图1大冶有色冶炼厂稀氧燃烧烧嘴示意图以及2#阳极炉现场应用情况照片。

图1 大冶有色冶炼厂稀氧燃烧烧嘴示意图以及2#阳极炉现场应用情况照片

1.2 稀氧燃烧技术特点

(1)采用纯氧助燃，热效率高，节约原料，减少排放。相对于传统常温助燃风燃烧，纯氧燃烧鼓入的风量大大降低，有效的减少阳极炉烟气体积(最高可达70%以上)，达到了降低烟气带走的热损失目的，燃烧效率得到提高，燃料消耗降低；同时，烟气量的减少能降低阳极炉排烟风机和烟囱的运行负荷。

(2)卷吸炉膛高温烟气的稀释作用，燃烧火焰温度较常规氧气助燃燃烧低。图2为烟气卷吸率R与燃烧火焰温度曲线图。由图可知，传统的纯氧燃烧火焰温度很高(R=0)，容易形成局部温度过高的“热点”，影响阳极炉炉衬使用寿命；稀氧燃烧(R=8)的卷吸烟气稀释作用，使得纯氧助燃燃烧获得与传统助燃风助燃燃烧同样的火焰温度(水平粗实线)。

图2 炉内烟气卷吸率R与燃烧火焰温度曲线图

1.3 稀氧燃烧控制系统

2#阳极炉稀氧燃烧采用一套单独的控制系统对燃烧器进行自动控制，在阳极炉炉前操作室实现对

天然气流量、环氧比例、中心氧气(或压缩空气)进行调节。

2 稀氧燃烧技术的应用实践

2.1 生产实践情况

2#阳极炉稀氧燃烧系统在2014年2月底开始投产使用，3月下旬出现出铜口下方1.5 m，向炉头1 m左右位置耐火砖损耗过快，炉壳发红现象，被迫停炉检修。4月初再次投入生产，期间出现一种现象：氧化速度慢，很难达到氧化终点，氧化时间最长达5～6 h。通过前期的实践经验及优化改进，到目前为止，总体性能达到设计要求：

(1)操作方便。其一燃烧器上配有高能点火枪，通过点火枪产生的能量点燃中心燃烧器，解决过去人工点火，保证操作人员安全；其二操作人员只需要控制天然气的量，氧气它会自动按照设定的比例进行调节，减少了操作上的失误。

(2)系统安全可靠。稀氧燃烧系统设置了灭火保护、压力保护，火检探测器检测到正在运行的阳极炉无火或氧气天然气压力过低会自动切断进气阀，保障人员和设备的安全。

(3)节能减排效果明显。该厂2#阳极炉与3#阳极炉规格及配套设施相同，3#阳极炉仍采用传统空气助燃燃烧天然气，在相同的工况条件下，各阶段天然气消耗如表1所示。

表1 该厂2#、3#阳极炉各阶段天然气消耗及平均烟气量情况

表1 该厂2#、3#阳极炉各阶段天然气消耗及平均烟气量情况

由表可知：应用稀氧燃烧技术后，阳极炉铜单耗有较大的降低，实际天然气单耗为传统压缩空气助燃的34.3%，节能效果明显。

(4)火焰长度可调。设备点火正常运行后，中心氧改为压缩空气，通过调节阀调节压缩空气的流量及压力可以调节火焰的长度，火焰长度达到4～8 m范围可调。

2.2 对阳极炉氧化还原操作的影响

铜阳极炉炉内氧化还原氛围对氧化、还原操作过程有较大的影响。该厂2#阳极炉采用稀氧燃烧系统改造后，期间出现氧化速度慢，很难达到氧化终点，氧化时间最长达5～6 h。经过生产实践，该厂在炉膛负压控制和环氧比例系数调节方面进行了摸索和研究。

2.2.1 负压控制

氧化时间偏长的原因：由于使用稀氧燃烧，炉子烟气量的大大减少(约为传统燃烧的30%)，在氧化阶段，炉膛内SO2排出速度减慢，SO2分压较高，导致脱硫速度较慢，造成氧化时间延长。

生产过程中，通过加大炉膛内负压和提高铜水温来加快脱硫；另外，可通过转炉粗铜适当过吹，实现来缩短精炼炉氧化时间。经过一些列的优化，该厂2#阳极炉氧化操作时间与3#阳极炉基本相同，基本控制在2 h以内。

经过摸索，铜水温度控制范围为1180～1220 ℃。各阶段炉膛负压控制范围如表2所示。

表2 2#阳极炉各阶段炉膛负压控制范围

2.2.2 环氧比例系数调节

利用稀氧燃烧系统能灵活调整环氧比例系数的特性，可改变炉内氧化还原氛围。该厂对铜水温度为1180～1220℃范围内的不同环氧比例系数与氧化还原操作时间的关系进行了摸索，试验得到氧化还原操作时间与环氧比例系数的关系如图3所示。

图3 氧化还原操作时间与环氧比例系数的关系

由关系曲线可知：随着环氧比例系数的越大，炉膛内氧化氛围越强，氧化操作时间缩短；环氧比例系数越小，炉膛内还原氛围越浓，还原操作时间缩短。

利用环氧比例系数与氧化还原操作时间的关系，在环氧比例系数许可的变化范围内(天然气燃烧发热满足保温需求)，及时调整环氧比例系数可以优化阳极炉氧化还原操作，缩短作业时间。该厂阳极炉环氧比例系数控制范围为：氧化阶段2.05～2.20、还原阶段为1.80～1.90、待料及浇铸阶段1.90～2.10。

经过2#、3#阳极炉的对比实验：通过对环氧比例系数和负压的调节，在同等条件下(铜量、温度、氧化程度、还原天然气流量和压力相同)，2#阳极炉使用天然气的还原操作时间较3#阳极炉缩短了30 min以上。

2.3 稀氧燃烧对阳极炉炉寿的影响及改善措施

据了解，国内其他同行企业在阳极炉应用稀氧燃烧技术时，阳极炉炉寿均受到了较大的影响，一般为3～6个月，比使用传统燃烧器的阳极炉寿命低3个月以上。该厂2#阳极炉处于生产尾期，使用稀氧燃烧生产约20天，出现出铜口下方1.5 m，向炉头1 m左右位置耐火砖损耗过快，炉壳发红现象。

2.3.1 影响炉寿原因分析

根据分析，稀氧燃烧对炉寿影响的主要是造成局部炉衬损耗过快，其原因为：

(1)不同操作阶段炉内铜水量不同，炉膛上空间不同，稀氧燃烧的卷吸效果不一样，导致部分时间段炉内存在局部为高浓氧与天然气的直接燃烧，燃烧火焰温度偏高，阳极炉耐火砖烧损加快。

(2)操作经验不足，烧嘴维护清理不及时，存在火焰歪烧；

(3)烧嘴安装时有5～10度向下的倾角，炉子在氧化还原操作时，火焰长度较短，直接烧至该区域耐火砖，导致烧损快。

其他可能会出现的问题：烧嘴砖出口是纯氧与天然气混合燃烧，局部燃烧隔热，烧嘴砖及炉头端墙烧损快，影响整体炉寿。

2.3.2 改进措施

针对稀氧燃烧对阳极炉炉寿的影响，大冶有色冶炼厂在设计和应用稀氧燃烧系统时采取了一系列的措施：

(1)设计稀氧燃烧系统时，在中心氧气管道上并入一套压缩空气管道，正常生产过程中替代中心氧以达到调节火焰的长度目的，降低炉头端墙及烧嘴砖局部剧烈燃烧过热。

(2)生产过程中，摸索在不同操作阶段、炉膛空间下稀氧燃烧系统天然气的流量及环氧比例系数的调节范围，测量和比较阳极炉筒体表面不同位置温度变化情况，得到了最优的天然气流量控制方案，并在筒体表面温度较高的渣线区域采取风冷降温处理。

(3)通过试验探索出了不同阶段余热锅炉出口的负压控制范围：带料、浇铸期-50～0 Pa，氧化期-150～-200 Pa，还原期-100～-150 Pa。

(4)炉前操作人员及时观察炉内火焰燃烧状况，以炉膛内烟气混浊、且无明显集中火焰为佳，定时、及时对烧嘴砖枪孔和燃烧枪头进行清理，确保气流通畅，防止火焰烧偏。

通过以上改进措施后，从2014年4月4日至10月22日，稀氧燃烧在该厂2#阳极炉后期生产了近200天，炉内耐火砖烧损情况基本正常，炉内耐火砖损耗比较均匀，没有出现局部烧损过快和影响炉寿的情况。

3 结论

通过8个多月的生产实践，铜阳极炉应用稀氧燃烧技术实现节能减排在大冶有色冶炼厂已取得较好的效果：

(1)阳极炉燃烧天然气单耗降低了60%以上，外排烟气量减少了70%左右；

(2)利用对炉膛负压的及时控制、环氧比例系数调整，缩短了铜阳极炉氧化还原操作的时间30 min以上；

(3)通过火焰长度的可调整以及加强炉寿维护，大大延长了阳极炉炉寿，稀氧燃烧技术对阳极炉炉寿基本上不会产生大的影响。

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

万 军(1973-)，男，湖北黄石人，冶金高级工程师，大学本科，主要从事铜冶金工作，现任大冶有色金属有限责任公司冶炼厂副厂长。

吴长林(1981-)，男，湖南永州人，冶金工程师，大学本科，主要从事铜冶金工作，现任大冶有色金属有限责任公司冶炼厂转炉车间工艺副主任。

TF811

B

1003-8884(2014)05-0045-04

王成国(1968-)，男，湖北蕲春人，冶金高级工程师，大学本科，主要从事铜冶金工作，现任大冶有色金属有限责任公司冶炼厂技术科科长。