固定式阳极炉纯氧燃烧技术改造与 生产实践探究 郑 权 （浙江富冶集团有限公司，浙江 富阳 311400） 摘 要：文章介绍了固定式阳极炉纯氧燃烧技术改造和应用实践。重点探究通过技术改造，实现固定式阳 极炉纯氧-燃料油燃烧，节能减排，改善工作环境，科学缩短铜阳极炉的操作周期，提升其整体应用效率。 关键词：固定式铜阳极炉；纯氧燃烧技术；节能环保 中图分类号：TF811 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2018）05-0073-03 DOI：10.14165/j.cnki.hunansci.2018.05.020 Transformation and Production Practice of Fixed Anode Furnace Pure Oxygen Combustion Technology ZHENG Quan （Zhejiang Fuye Group Co.，Ltd.，Fuyang，Zhejiang 311400，China） Abstract:This paper briefly introduced the modification and application of pure oxygen combustion technology for fixed anode furnace.Through technical transformation，it is important to realize the pure oxygen fuel oil combustion in the fixed anode furnace，save energy and reduce emission，improve the working environment，shorten the operation cycle of the copper anode furnace scientifically，and improve the overall application efficiency. Keywords：Fixed copper anode furnace；Pure oxygen combustion technology；Energy saving and environmental protection 收稿日期：2018-03-21 作者简介：郑权（1989—），男，湖北仙桃人，大学本科，助理工程师，主要从事有色冶金设备管理工作。 企 业 技 术 开 发 TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT OF ENTERPRISE 第 37 卷第 5 期 Vol.37 No.5 2018 年 5 月 May.2018 随着国内对环保要求的逐步提高，再生铜企业的市 场竞争日益激烈，引进创新型技术节能减排改善工作环 境对每一个再生铜企业的生存和发展都至关重要，因 此，笔者公司特将在矿铜冶炼企业回转式阳极炉上成功 运用的纯氧燃烧技术引入再生铜企业常用的冷料固定 式阳极炉，本研究以金汇公司旗下子公司江西金汇环保 科技有限公司（以下简称金汇公司）为例，研究固定式铜 阳极炉纯氧燃烧技术的改造和生产实践。 1 纯氧燃烧技术的概况 1.1 技术原理 当前市面上目前所谓的稀氧燃烧、多氧燃烧、全氧 燃烧等，究其实质皆是指氧浓96%及以上的纯氧燃烧，针 对铜冶炼纯氧燃烧而言，通常使用天然气做燃料，并且 多数是使用在回转式阳极炉上，此技术能够有效提升整 体生产率，降低企业生产成本，有利于减少对环境的污 染，有较好的开发应用前景。 此技术的基本原理，就是用纯氧替代空气作为助燃 剂，利用高速的氧气和压缩空气气流卷吸搅动炉内烟气 形成循环，氧气、燃料会在短时间内被烟气稀释混合，从 而形成合适的燃烧加热体系，其火焰温度分布较均匀， 峰值温度较低。企 业 技 术 开 发 企 业 技 术 开 发 2018 年 5 月 企 业 技 术 开 发 1.2 技术特征 目前，绝大多数的再生铜企业精炼炉使用的是固定 式阳极炉，燃烧方式使用的是传统空气—燃料油燃烧，即 使用助燃风机的压缩风，将燃料油通过空气烧嘴吹入阳 极炉内，在炉内高温条件下混合燃烧。此法将在空气中 含量达78%的氮气，也一起带进高温的阳极炉内，因氮气 无法与燃料油燃烧反应，且由于大量氮气直接进入烟气， 不仅带走炉内大量的热量，而且在高温下易产生大量的 氮氧化物等污染物质。相较于传统的空气—燃料油燃 烧，纯氧燃烧技术特征为： ①助燃介质是纯氧物质，不参与燃烧的氮气大量减 少，燃烧更充分，反应更彻底，既节省燃料又减少CO等污 染物的产生； ②所产生的烟气中的主要成分是以CO2和H2O为主 的三原子物质，较原来以氮气为主的二原子物质，传热 效果更佳； ③因所产生的烟气量锐减，烟气带走的炉内热量也 更少，热效率更佳； ④综合以上几点，以及纯氧助燃情况下，燃料的反 应速度更快，可极大的提高加热升温效率； ⑤由于高速的氧气和包裹燃料油的压缩空气的卷 吸效应，烟气循环流动，氧气、燃料油、烟气等不断混合 稀释，使其燃烧火焰温度分布均匀而弥散，峰值温度较 低，不易产生热点和氮氧化物。 2 纯氧燃烧的设备技术改造 笔者公司旗下控股核心子公司浙江江铜富冶和鼎 铜业有限公司，早在2014年5月就对其两台350 t回转式阳 极炉进行了稀氧燃烧改造，改造后，节能减排效益明显。 2015年，又启动了对另一控股子公司上饶和丰铜业有限 公司阳极炉的稀氧燃烧改造。2016年，为应对日益激烈 的市场竞争环境和逐步提高的环保标准，公司吸取前几 次的改造经验开始启动对旗下金汇公司现有3台固定式 阳极炉的纯氧燃烧技术改造。金汇公司纯氧燃烧系统主 要由以下五部分组成：烧嘴系统、控制阀组、液氧气化 站、供油系统以及控制系统。 2.1 烧嘴系统 金汇公司使用的烧嘴系统，是纯氧燃烧器，每台阳 极炉上安装有两台纯氧燃烧器，分别布置在原有空气烧 嘴的两侧，可与空气烧嘴互备，方便初期烘炉等特殊情 况下的燃烧系统切换。 每个纯氧燃烧器有1根油枪，油枪尾部是燃料油接 入口，中部是雾化压缩空气接入口，前部套枪上是根部 压缩空气接入口。进入油枪的燃料油，被油枪中部接入 的高速雾化压缩空气冲击，形成一颗颗细小的雾状油滴， 这样有利于增大燃料油与助燃剂之间的接触面积，使燃 烧更充分彻底，减少局部焦化和黑烟的产生。根部压缩 空气包裹着雾化的细小油滴，并将油滴以高速喷向炉 内，卷吸炉内烟气，并可以调节火焰长度。每个燃烧器有 两根氧枪，氧气由此高速喷入炉内。高速喷入的雾状燃 料油和氧气卷吸炉内烟气急速稀释，并快速混合燃烧， 为炉内反应提供热量。氧枪和油枪安装在烧嘴砖上，烧 嘴砖采用铬刚玉材质耐火砖，耐温及耐冲刷强度高，可 保护氧枪和油枪，防止氧枪和油枪因为温度过高而导致 烧损，延长氧枪和油枪的寿命。 2.2 控制阀组 控制阀组是纯氧燃烧技术的核心，鉴于金汇公司每 台阳极炉配备两台燃烧器，控制阀组采用“一拖一”的控 制模式，及单台燃烧器能实现单独控制，如果油枪出现 堵塞等故障，可以在不停炉的情况下，1台燃烧器工作， 另1台进行检修。 纯氧燃烧系统的阀组，主要分为氧气阀组和燃料油 阀组，3台炉的氧气阀组设置在一起，氧气进入阀组前总 管经调压阀调压后，再进入各台炉氧气总管，经手动截 止阀和气动切断阀后，分两路经流量计计量和两级切断 阀后进入炉前氧气分气包，每只分气包再分两路（有手 动阀控制）分别进入每只燃烧器的两根氧枪。 每台炉的燃料油阀组单独设置，燃料油先经油过滤器 过滤后进入阀组，再经总管调压阀调压后，分两路进两 个烧嘴的油枪，每个分支油路上设手动阀、切断阀、流量 计、流量调节阀、压力表等。由于燃料油是一种液体介 质，要想充分燃烧需要进行雾化处理。燃料油雾化介质 采用压缩空气，雾化空气管路上设有调压阀、压力变送 器、流量计、切断阀等设备，雾化压缩空气的温度为90～ 100 ℃。燃料油管道采用蒸汽作为吹扫介质，吹扫具备自 动吹扫及手动吹扫功能，蒸汽吹扫管路上设有手动阀、 切断阀、止回阀等。另燃料油及雾化压缩空气管路炉前 部分均采用蒸汽夹套伴热，这样可极大地提高燃料油的 流动性和雾化效果。 2.3 液氧气化站 由于金汇公司之前无用氧设备，此次纯氧燃烧技术 改造增设了一个液氧汽化站，为纯氧燃烧系统提供稳定 的氧气。该液氧气化站由衢州杭氧整体配套，其基本流 程如下：液氧槽车拖送来的液氧储存在两只液氧储槽内， 74第 37 卷第 5 期 并通过储槽自带的增压器进行增压，在压力的作用下，储 槽底部的液氧会通过下部出液口和液氧管道进入汽化 器，汽化器通过利用周边高温空气与低温液氧换热，而使 液氧快速汽化，汽化后的气态氧，先进入缓冲罐缓冲稳 压，再通过一个减压阀组减到合适的压力，送至炉前。 2.4 供油系统 燃料油库为纯氧燃烧系统提供燃料油，并为燃料加 热和加压，使其满足燃烧系统的使用要求。 2.5 控制系统 金汇公司为每台阳极炉配备单独的控制系统，由 PLC控制柜和上位机组成，各台炉间控制系统通过内部 网络通讯互联，必要时，可互相查看甚至远程控制。PLC 通过组态与上位机WinCC系统进行连接，燃烧及保护系 统所有的操作由上位机来实现。整套控制系统能够独立 完成燃烧系统启动、停止；自动吹扫；压力联锁保护；燃 料油与氧气流量的比例调节及自动跟踪。 3 固定式铜阳极炉中应用纯氧燃烧技术的实践 金汇公司在2016年9月完成对3台固定式铜阳极炉的 纯氧燃烧技术改造，至今已运行有1年半时间，其总体运 行性能尚好。 3.1 纯氧燃烧改造前后各项生产指标 单以2#炉初期生产数据为例，对比纯氧燃烧改造前 后各项生产指标，见表1。 表1 2#阳极炉使用纯氧燃烧前和使用纯氧燃烧后指标比较 序号 项目 使用前 使用后 1 平均产量（t/炉） 125 121.56 2 平均工时（h） 40～42 35 3 入炉品位（%） 87～88 86～88 4 直收率（%） 87.91 87.85 5 渣含铜（%） 27.32 28.05 6 油耗（t/炉） 9.50 5.63 7 油单耗（t） 76 46.30 8 氧耗（Nm3 ） 0 9 630 9 氧单耗（Nm3 /t） 0 79.22 由表1可知，目前使用纯氧燃烧技术改造之后，工时 和油耗明显下降。 ①降低工时。使用纯氧燃烧之后，平均工时降低5～ 7 h； ②降低油耗。使用纯氧燃烧之后，平均油耗由9.3 t/ 炉降至5.63 t/炉，平均单耗由76.51 kg/t降至46.3 kg/t，平 均节能率可达39.46%。 3.2 生产作成本分析 以两台阳极炉同时生产作成本分析，见表2。 表2 两台阳极炉同时生产纯氧燃烧前后成本分析 空气燃烧 纯氧燃烧 数量 单价 成本 单位成本 数量 单价 成本 单位成本 工时（h） 46 ——— ——— 77.760 39 ——— ——— 65.930 油单耗（Kg/t） 74 2.800 ——— 207.200 42 2.800 ——— 117.600 氧单耗（Nm3 /t） 0 ——— ——— 0 84 1.786 ——— 150.020 风管使用量 110 80 2 589.600 644.810 5.160 （根） 损耗0.342 t 2 589.600 886.42 7.090 损耗0.249 t 电耗（Kw·h） 65.720 47.000 合计 357.770 385.710 项目 由表2对比结果可知，纯氧燃烧与空气燃烧的成本 比较的主要变量是油价和氧价，以当前油价和氧价来比 较纯氧燃烧运行成本更高。如果保持油价不变，当液氧 单价在1 020元/t时，直接成本相当；目前是处在低油价时 期，若未来油价继续上涨其经济效益将有所提高；若企 业原有制氧设备或附近园区有气氧管路，按气氧单价则 成本可大大降低。 另金汇公司生产实践表明，两台炉生产纯氧助燃月 产量相比空气燃烧至少增加800 t/月，若冶炼工时通过加 强管理、操作，仍有下降的空间；使用纯氧燃烧之后，烟 气量大大降低，目前炉台上基本上不会冒烟；潜在的资 金周转成本和烟气处理设施运行成本的节约，暂无数据 进行评估。 3.3 出现的主要问题 ①和丰铜业试生产早期燃料油的油枪极易堵塞，油 流量波动较大，生产一度无法继续进行。经调查研究，是 燃料油低温下粘度太高，用常温的雾化压缩空气进行雾 化时，易在油枪内结焦堵塞油枪，后通过更换粘度更低 的轻质油品，予以解决。吸纳和丰公司经验，金汇公司设 计初期就给油管加设夹套伴热管，并将雾化的压缩空气 温度提高到90℃以上，以此来解决油枪堵塞结焦问题，现 已实现多油品均能正常使用。 ②纯氧燃烧对炉子烧嘴砖及及其周边的炉体耐火砖 损耗较大，炉期缩短。针对此问题，一是，要求相关操作 人员动态检查炉内火焰的燃烧状态，如果未出现明显的 集中火焰，或者炉膛中的烟气混浊，说 郑权：固定式阳极炉纯氧燃烧技术改造与生产实践探究 （下转第 107 页） 75第 37 卷第 5 期 王家岳：基于可靠性的建筑混凝土结构安全评价研究 （上接第 75 页）明燃烧状态良好，再仔细清理燃烧枪头， 避免火焰烧偏的问题；二是，对炉子烧嘴砖进行重新设计， 使其结构更加适应纯氧燃烧，此项目前还在试验阶段。 4 结语 综上所述，将纯氧燃烧技术应用在再生铜固定式阳 极炉中，能够有效实现节能环保的生产目标，也可有效 提升铜冶炼企业的生产效率，具备减少排放以及节省燃 料等多种优点。在实际应用过程中，技术人员应当针对 纯氧燃烧技术中的机理问题进行深入的探讨，以更好地 发挥此种技术的作用。 参考文献： [1] 陈科，李博，吕刚，等.铁改性水滑石基Pt/BaO/MgFeO催化 剂焙烧温度对催化剂结构及NOx吸附-还原性能的影响 [J].燃料化学学报，2016，44（12）：1502-1508. [2] 李伶聪，胡瑞生，白雅琴，等.掺杂型烧绿石La2 Sn1.7 Co0.3 O7-δ 逆负载CeO2催化剂的甲烷催化燃烧性能[J].高等学校化 学学报，2015，13（7）：1328-1336. [3] 宋成.回转式阳极炉稀氧燃烧技术改造与生产实践[J].山 西冶金，2015，（5）：64-65，80. 所明确的标准，发现其不均匀沉降也尚在允许范围内， 且是规定的允许沉降差，评估等级为（1，0，0，0）； 建筑物的上部结构砌体部分存在轻微裂缝，不存在发 展迹象，不均匀沉降超过国家当前执行标准《建筑地基 基础设计规范》中规定的可允许沉降差，并且连续两个 月的地基沉降速度低于每月2 mm，评估等级为（0，1，0，0）； 若建筑物所表现出的不均匀沉降现象超过我国相 关建筑标准中明确的可允许建筑物沉降的标准内容，且 长达两个月沉降速度高于都超过了每月2 mm，上部砌体 部分所产生的沉降缝也同样超过了5 mm，预制构部件间 沉降缝超过1 mm，并且沉降缝在短期内不能终止，评估 等级为（0，0，1，0）； 若建筑物所表现出的不均匀沉降现象超过我国相 关建筑标准中明确的内容，且沉降时间高达2个月以上， 沉降速度超过每月2 mm且存在加速趋势，沉降建筑物上 部结构中后期出现明显裂缝，砌体裂缝大于10 mm，且建 筑预制构件间沉降裂缝大于3 mm。 4 钢筋混凝土的结构可靠性等级划分 民用建筑实施可靠性的依据主要是借助钢筋混凝 土结构中可靠性等级分类来进行评比的，具体如下： 一等级，建筑具备正常承载力，不影响使用功能，符 合标准等级要求，对建筑可不必采取任何措施； 二等级，可靠性稍微低于标准，对建筑的承载力与 使用功能影响不是非常明显，可对其中的某些部件采取 一定的措施； 第三等级，建筑可靠性略低于安全标准，且其在应 用期间所具备的功能性与承载能力都存在不足之处，这 便要求工作人员需要对可能造成建筑安全隐患的因素 进行深入的研究与处理； 第四级，其安全可靠性无法满足相关标准要求，造 成建筑已经产生危险，威胁人身安全，此时对建筑需采 取断然措施，停止使用。 5 结语 对建筑物结构进行可靠性评测，要以《民用建筑可靠 性鉴定标准》为主要依据，引入相关的数学模糊理论，构 建具有实用性的混凝土结构可靠性签订模型。要充分考 虑对混凝土可靠性鉴定产生影响的因素，并使用隶属函 数进行解决。最后，要利用非对称贴近度处理相关结果， 保证可靠性鉴定结果的科学性与合理性。此外，要对构 建的可靠性鉴定模糊数学模型进行工程实例的检测，要 保证检测结果与实践的吻合，这才是对效果的最好证明。 参考文献： [1] 刘西拉.结构工程学科现状与未来[M].北京：人民交通出 版社，1997. [2] 张宇贻，秦权.钢筋混凝土桥梁构件的时变可靠度分析.清 华大学学报（自然科学版），2001，41（12）：65-67. [3] 盛进路，邢繁辉，赵亚兵.船舶安全概念的提出与应用[J]. 中国安全科学学报，2007，17（6）：87-91. [4] 梁坦.建筑物可靠性鉴定与加固改造的发展[J].四川建筑 科学研究，1994，（3）：35-41. [5] 张建仁.现有混凝体桥梁结构基于时变可靠性