清潔、高效、節(jié)能銅陽極爐生產(chǎn)實踐

蘇 峰，王 彤，黃永峰

(金隆銅業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244021)

1 引言

目前，我國銅冶煉產(chǎn)能約500萬t/年，世界銅冶煉產(chǎn)能總量約為2000萬t/年，其中90%產(chǎn)量出自火法冶煉。然而，銅火法精煉工藝一直存在冶煉廢氣量大、能耗高、反應效率低的問題，主要是燃燒系統(tǒng)采用傳統(tǒng)常溫大風量助燃燃料(天然氣或重油等)，大量含碳氧化物及氮氧化物煙氣帶走熱損失大，且重油粘度高，雜質(zhì)高，霧化效果差，燃燒不完全，燃料消耗高;另外，由于回轉式陽極爐本身工藝條件決定了其反應動力學條件相對薄弱，導致作業(yè)周期較長。

氧氣燃燒和液體燃料在線乳化及透氣磚等節(jié)能技術發(fā)展迅速，但在粗銅火法精煉工藝國內(nèi)鮮有應用實例［1－3］。為實現(xiàn)銅精煉陽極爐的清潔高效節(jié)能生產(chǎn)目標，金隆公司進行了課題攻關，開發(fā)適合金隆公司陽極爐生產(chǎn)新技術。

2 稀氧燃燒技術及重油乳化系統(tǒng)

通過稀氧燃燒技術和重油乳化技術的研究，兩種技術分別在金隆一號陽極爐、三號陽極爐得以應用，提升了陽極爐的燃料燃燒效率，減少廢氣排放。

2.1 稀氧燃燒技術在陽極爐中的應用及效果

金隆公司與普萊克斯研究開發(fā)了稀氧燃燒技術，研制氧氣燃燒專用燒嘴，用純氧代替助燃風，利用爐內(nèi)煙氣循環(huán)而降低火焰峰值溫度，大幅度降低煙氣量，從而降低熱損失，減少碳氧化物及氮氧化物有害氣體的排放;解決因氧燃燒造成爐膛熱負荷不均勻，熱量集中，損害爐襯世界性難題，確保爐壽命。如圖1所示，等量燃料分別在兩種助燃氣體 (空氣和氧氣)環(huán)境下，所產(chǎn)生的有效熱有非常明顯的區(qū)別，即純氧燃燒可以大大節(jié)約燃料的消耗和降低NOX的排放，且可提升75%以上的有效熱。

如圖2所示，理想空燃比下，利用純氧燃燒，其熱效率顯著提高。對比空氣下燃料燃燒，無論是在常溫條件，或經(jīng)加熱至1000℃燃燒，其燃燒的熱效率均低于純氧下燃燒。

陽極爐作為需要輔助加熱的生產(chǎn)設備，氧氣燃燒技術對比傳統(tǒng)的助燃風燃燒環(huán)保、經(jīng)濟優(yōu)勢明顯。但是傳統(tǒng)氧氣燃燒的主要問題是溫度分布的不均勻、高溫的氧－燃火焰對加熱工藝和爐體的耐火材料會產(chǎn)生不利的影響，降低爐襯壽命、氧氣燃燒火焰峰值溫度高。

圖1 空燃比與氧燃比對有效熱的影響

稀氧燃燒的開發(fā)實現(xiàn)了高的燃料節(jié)約，效益分析對比見表1，從投用到2009年11月使用情況，總體達到設計生產(chǎn)要求，燃燒充分，火焰有剛度并且長度可調(diào)，爐內(nèi)溫度滿足生產(chǎn)要求，出銅溫度1200℃ ～1210℃，排煙溫度比傳統(tǒng)降低100℃以上，排風機轉速降低100rpm左右，停運燃燒風機，節(jié)約電耗，陽極銅質(zhì)量合格，爐內(nèi)壓控制穩(wěn)定，操作簡單正常。

圖2 不同助燃氣體預熱后燃燒效率對比

表1 1#陽極爐稀氧燃燒與2#陽極爐傳統(tǒng)燃料燃燒單耗對比分析

經(jīng)過改進后，稀氧燃燒系統(tǒng)在一號陽極爐使用后，節(jié)能環(huán)保效果明顯，爐體耐材壽命與使用前一致，綜合對比測算，節(jié)能55%以上，主要表現(xiàn)如下:

(1)采用氧氣取代空氣助燃劑，停運燃燒風機，送風量減少75%以上，大大減少了煙氣排放量，排煙風機轉速降低，且爐內(nèi)壓穩(wěn)定。

表2 陽極爐煙氣監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

(2)采用了稀氧燃燒技術，降低了火焰溫度，減少耐材的消耗，且由于爐膛氮氣含量減少，間接減少了氮氧化物的排放;同時，由于燃料的節(jié)約，可減少50%以上CO2排放，實現(xiàn)低碳經(jīng)濟，節(jié)能效果顯現(xiàn)。

(3)采用稀氧燃燒系統(tǒng)，能將碳黑在爐內(nèi)進一步燃燒，減少黑煙。環(huán)保測試結果見表2，與傳統(tǒng)燃料燃燒相比，其煙氣量、煙塵及格林曼黑度均有所下降。

2.2 重油在線乳化技術應用及效果

重油在線乳化技術是在重油中摻入一定比例的水，通過超聲乳化作用，形成外層由油膜形成外殼，內(nèi)層包圍著極其微小的水粒子的乳化油，乳化油粒徑較小，油水混合均勻。該技術特色和創(chuàng)新突破點:①獨特的超聲發(fā)生裝置;②采用在線制備供給、循環(huán)乳化方式;③純機械結構，無需使用添加劑。

重油在線乳化技術節(jié)能的主要原理:①由于油的沸點比水高，水先達到沸點而蒸發(fā)，使油滴發(fā)生微爆，形成二次霧化，生成更小直徑的油滴，加速油滴燃盡，提高了能量的轉化速率，達到節(jié)能效果;②每個乳化油滴中摻入了水，單位質(zhì)量的純油與氧結合更充足，燃燒速率更快;③乳化油燃燒過程有水蒸氣的存在，析出的碳原子立即發(fā)生水煤氣反應，從而提高了油的化學能轉化為熱能的轉化速率，達到節(jié)能效果。

如圖3所示，重油乳化并非摻水越多越好，摻水過多雖然仍能燃燒，過多的水在爐膛中蒸發(fā)要帶走大量的燃燒熱，反而需增加油量來補充浪費的能量，才能保證生產(chǎn)需要的爐溫;摻水過少，重油乳化不充分，燃燒時不能充分霧化，也就無法實現(xiàn)燃燒。金隆實驗表明，重油摻水最佳為12%左右，其最好的節(jié)油率為14.0%。

圖3 摻水率與節(jié)油率之間的關系

2011年1月重油乳化系統(tǒng)在3#RF投入使用，節(jié)油率達到設計值。根據(jù)重油乳化裝置使用前后正常生產(chǎn)狀態(tài)下的生產(chǎn)報表數(shù)據(jù)統(tǒng)計，與上述理論值較接近。

合適的溫度能使溶于水的重油具有較好的活性，能使重油和水很好的結合。溫度過高容易造成被重油包裹的水珠氣化析出，從而降低了乳化效果;溫度過低則重油粘度大，油水不能很好的結合，出現(xiàn)油水分離現(xiàn)象，且容易粘接管道，堵塞噴嘴。試驗表明，最佳配置溫度為80℃左右。金隆公司應用山東廣澤節(jié)能公司提供的重油乳化系統(tǒng)，其穩(wěn)定設定油溫為74℃。

根據(jù)實際跟蹤數(shù)據(jù)統(tǒng)計，自應用重油乳化系統(tǒng)后，節(jié)油效果明顯，同等生產(chǎn)條件下，節(jié)油率達13.5%，預計年節(jié)油370t。每年每臺爐預計凈增經(jīng)濟效益至少600萬元。

3 透氣磚的應用

陽極爐作業(yè)時，由于混合氣是從爐側部吹入，熔體的攪拌性受到限制，冶煉反應效率不高，基于此，透氣磚率先于2006年2月開始投用。至今，透氣磚的使用已經(jīng)為金隆公司的效應帶來不小的回報。

透氣磚技術就是在回轉式陽極爐爐底部安裝數(shù)塊透氣磚及相關的配套裝置，其所通氣體為氮氣(N2)，通過控制系統(tǒng)對氮氣的壓力和流量進行檢測并控制，從而達到最佳的熔體攪拌效果，以此來加強爐內(nèi)的熔體的熱交換，進一步改善動力學條件，縮短作業(yè)時間，提高作業(yè)效率，降低能耗。

由于底吹攪拌性優(yōu)于側吹，結合生產(chǎn)實際情況，在一號陽極爐應用透氣磚技術，優(yōu)化冶煉反應動力學參數(shù)，以提高生產(chǎn)效率，降低燃料消耗，增加公司效益，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。表3列出應用透氣磚前后的基本生產(chǎn)指標。

表3 1#陽極爐應用透氣磚前后生產(chǎn)指標

從表3可以看出，使用透氣磚后，還原升溫速度快，這對冷料處理非常有利，表3反應出的氧化、排渣時間相對于未使用的效果也十分明顯。其優(yōu)勢主要表現(xiàn)如下:

(1)減少爐內(nèi)“死角”，不會因局部溫度低而造成爐內(nèi)粘結，影響陽極爐的生產(chǎn)能力，避免爐內(nèi)“結瘤”。

(2)強化氧化效果，尤其是處理冷料時，優(yōu)勢更是明顯。另外，由于氣體的攪拌，更有利精煉排渣。綜合對比使用前后，每爐減少作業(yè)時間85min，提高生產(chǎn)效率20%。

環(huán)保部門針對爐口及煙囪冒黑煙情況進行了檢測，分析結果表明，使用透氣磚后煙顏色顯灰色，林格曼黑度1.0，而未使用透氣磚的情況表明煙顏色較黑，林格曼黑度2.0，環(huán)保效益明顯。

4 革新陽極爐作業(yè)制度，提高產(chǎn)能

鑒于透氣磚技術明顯改善及加速氧化還原時間，因此，為增加陽極板產(chǎn)量，金隆一號陽極爐生產(chǎn)主要為熔化處理冷雜銅進行氧化還原操作，還原銅并入二號陽極爐或三號陽極爐由雙圓盤澆鑄取代老系統(tǒng)單圓盤澆鑄，提高效率。

金隆一號陽極爐燃燒天然氣，采用透氣磚處理的冷料原料為電解殘極或外購雜銅，處理能力為120～150t/d，與采用傳統(tǒng)的重油燃燒處理冷銅能力相當。通過調(diào)整轉爐與陽極爐生產(chǎn)計劃，縮短作業(yè)周期，提高作業(yè)率，可有利于發(fā)揮陽極爐精煉的潛能，有助于陽極爐出銅量的提高，有助于圓盤澆鑄產(chǎn)量的提高。如圖4所示，通過調(diào)整陽極爐的作業(yè)方式，以提高陽極爐的冶煉作業(yè)率，進一步提高其產(chǎn)量［4－5］。

圖4 某時間轉爐與陽極爐作業(yè)計劃表

由于一號陽極爐采用氧化還原操作，其爐內(nèi)銅水并入二號或三號陽極爐后，溫度變化是否影響澆鑄質(zhì)量，可根據(jù)放熱和吸熱公式進行計算。

式中

t0為并包后銅水實測溫度，℃;t1為并包前2#RF或3#RF銅水溫度，℃;t2為并包前1#RF的銅水溫度，℃;m1為2#RF或3#RF爐內(nèi)銅水量，t;m2為1#RF倒出銅水量，t;C銅為銅的比熱，kJ/(t·℃)。

表4 某爐銅并爐前后溫度隨質(zhì)量變化情況

由公式1～3可知，理論出銅溫度與并爐前后溫度及質(zhì)量變化有關。如表4中，陽極爐出銅過程中通過兩爐銅水的并包，其理論出銅溫度與實測出銅溫度數(shù)據(jù)稍許出入，主要原因是一號爐倒銅及包子熱輻射影響，但對圓盤澆鑄幾乎不產(chǎn)生影響，關鍵在于增加一次性熱電偶的測溫。實踐表明，爐后澆鑄溫度達到1150℃以上，即可完成圓盤澆鑄［6］。

5 結語

稀氧燃燒技術及重油在線乳化技術在金隆銅陽極爐精煉生產(chǎn)中得以成功運用。實踐證明，無論是對礦產(chǎn)粗銅的精煉還是二次銅精煉，綜合節(jié)能明顯，廢氣量大大減少，燃料單耗達到了國內(nèi)同行領先水平，成為有色冶煉行業(yè)節(jié)能減排有效手段之一，推廣應用前景廣闊，可應用于任何需熱量輸入的工藝過程中，以替代空氣－燃料燃燒系統(tǒng);透氣磚應用于銅陽極爐，強化攪拌，縮短反應操作時間，提高作業(yè)率，延長爐壽命，能有效改善銅精煉爐工藝操作，提高產(chǎn)量。

［1］ 任曉雪，張衛(wèi)南，王濤，等.稀氧燃燒技術在銅冶煉中的應用［C］//全國銅鎳鈷生產(chǎn)工藝、技術及裝備研討會論文集.90－95.

［2］ 邵緒斌.乳化重油在包鋼平爐應用的節(jié)能效益和熱工制度［J］.包鋼科技，1997(1):54 －61.

［3］ 石玉太，李宏才.氮氣底吹透氣磚技術在回轉式陽極爐上的應用［J］.甘肅冶金，2010，6(3):77 －79.

［4］ 宋修明，周俊.陽極精煉及澆鑄的作業(yè)方式與金隆擴產(chǎn)方案的選擇［J］.有色金屬(冶煉部分)，2007(2):5－9.

［5］ 陳長順.提高銅的火法精煉陽極質(zhì)量實踐［J］.有色金屬再生與利用，2006(3):26－28.

［6］ 楊榮海.低溫精煉在火法精煉爐中的應用［C］//中國有色金屬學會第二屆青年論壇學術會議論文集.2004:96－99.