傾動爐重油改天然氣燃燒技術(shù)試驗摸索

朱飛軍，李文峰

（江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

江銅集團貴溪冶煉廠傾動爐作為貴冶三期項目中一個重要子項，2002年從德國馬爾茲爐窯公司（MAERZ- GAUTSCHI）引進專利技術(shù)，采用“一段法”處理粗雜銅，設(shè)計年處理量為10萬t，于2003年8月投產(chǎn)，歷經(jīng)多年的技改優(yōu)化，多項作業(yè)指標(biāo)不斷刷新， 特別是2015年5月，對燃燒系統(tǒng)進行的稀氧燃燒改造［1］，使得重油單耗指標(biāo)降至45kg/t.Cu，與設(shè)計之初的100kg/t.Cu相比，下降幅度十分明顯。但近來不僅重油價格上漲，重油品質(zhì)也逐步下降，導(dǎo)致傾動爐煙氣達(dá)標(biāo)排放壓力增大，燃燒系統(tǒng)運行維護成本不斷上升。為有效降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染，延長爐窯使用壽命，2018年8月年修結(jié)束，貴冶傾動爐實施了天然氣替代重油燃燒技術(shù)試驗。

2 傾動爐重油燃燒系統(tǒng)

2.1 傾動爐重油燃燒系統(tǒng)組成

傾動爐雜銅冶煉的主要燃料是重油，輔助燃料是柴油。重油在常溫下呈黑色粘綢狀，粘度大，流動性差，著火點高，還含有1%～2%的機械雜質(zhì)，須采用過濾器濾去雜質(zhì)，燃燒產(chǎn)物中SO2含量高［2］。在儲存、輸送和燃燒時還必須將其加熱到一定溫度，相應(yīng)的設(shè)備、管路停止運行后需及時清洗，燃燒系統(tǒng)附屬設(shè)備多，運行維護工序繁雜。傾動爐重油燃燒系統(tǒng)主要由重油罐、輕油罐、過濾器、重油泵、柴油泵、加熱器、控制閥組、燃燒閥組、燃燒器等構(gòu)成。燃燒系統(tǒng)工藝流程見圖1所示。

圖1 傾動爐重油燃燒系統(tǒng)工藝流程圖

2.2 傾動爐重油燃燒系統(tǒng)存在問題

（1）重油供給系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備多，運行成本高。由于重油的物理特性，輸送儲存的過程中需要過濾、加熱和保溫，到達(dá)燒嘴前還需二次加熱，重油供給系統(tǒng)設(shè)備多（見表1），故障點多，且系統(tǒng)運行消耗大量的電能和蒸汽。傾動爐冶煉生產(chǎn)過程分為：加料期、氧化期、還原期和澆鑄期四個階段，其中還原期不需要重油燃燒系統(tǒng)工作，但實際生產(chǎn)中傾動爐供油系統(tǒng)必需24h不間斷工作，重油泵耗電量大，重油燃燒系統(tǒng)運行成本高。

表1 重油供給系統(tǒng)設(shè)備及主要技術(shù)參數(shù)表

（2）環(huán)保壓力增大。由于傾動爐煙氣系統(tǒng)脫硫設(shè)備較落后，重油含硫，燃燒過程中產(chǎn)生的SO2氣體進入煙氣中，造成傾動爐煙氣達(dá)標(biāo)排放壓力增大。

（3）供油管路易堵塞，影響正常作業(yè)。由于重油中含有雜質(zhì)，使用過程中供油管路容易堵塞，造成供油不暢甚至熄火，燒嘴工作過程中經(jīng)常出現(xiàn)燃燒異?，F(xiàn)象，不得不熄火拆卸油槍進行疏通處理，進而影響正常生產(chǎn)作業(yè)。

（4）燃燒器燒嘴磚易燒損，爐子南墻燒蝕嚴(yán)重。由于重油燃燒器的燃燒有明顯的高溫區(qū)［3］，燃燒器的燒嘴磚需要經(jīng)常更換，爐子南端墻燒蝕嚴(yán)重，成為爐壽命短的瓶頸。

3 傾動爐油改氣可行性分析

（1） 傾動爐自投產(chǎn)以來一直以重油為主要燃料，近年來天然氣被作為大量使用的清潔能源，與此同時，貴冶的天然氣改造項目已將天然氣管道鋪設(shè)到各個車間，為傾動爐實施油改氣項目提供了便利條件。

（2）天然氣是較為安全的燃?xì)庵?，它不含一氧化碳，比空氣輕，一旦泄漏，立即會向上擴散，不易積聚在低洼地帶，安全性較高［4］。天然氣作為一種清潔能源，能減少二氧化硫排放，有助于減少酸雨形成，舒緩地球溫室效應(yīng)，從根本上改善環(huán)境。

（3）天然氣與重油同屬高熱值燃料，其中天然氣熱值約為9500大卡/Nm3，熱效率92%，重油熱值約為10000大卡/kg，熱效率82%，燃燒所需的空氣量及燃燒后的理論燃燒溫度等都十分接近，可以滿足傾動爐冶煉所需熱量。

（4）燃燒系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行主要取決于燃料供應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定以及燃料的質(zhì)量恒定程度［5］。天然氣燃燒系統(tǒng)的燃料供應(yīng)為管道天然氣，天然氣壓力穩(wěn)定，質(zhì)量恒定，輸送環(huán)節(jié)上，控制系統(tǒng)運行可控，故障點少。相對于重油燃燒器繁雜的連鎖運行架構(gòu)，天然氣燃燒器附屬設(shè)備少（見表2），結(jié)構(gòu)簡單，控制技術(shù)成熟，燃燒更穩(wěn)定高效。

4 傾動爐重油改天然氣技術(shù)試驗改造內(nèi)容

4.1 新增供氣單元，精簡燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

原有重油供給系統(tǒng)停運，新架設(shè)一段天然氣管道和控制閥組。將廠管網(wǎng)天然氣引到傾動爐廠房南面遠(yuǎn)離爐體的一側(cè)，在進口處裝設(shè)總閥，在廠房南面的空壓機房頂安裝天然氣燃燒系統(tǒng)的供氣單元，確保供氣單元遠(yuǎn)離明火。供氣單元出口采用2根不銹鋼管鋪設(shè)至爐前燃燒系統(tǒng)西面，再通過金屬軟管與天然氣槍相連接。改造后的燃燒系統(tǒng)使用天然氣作為燃料，替代重油供應(yīng)系統(tǒng)。天然氣系統(tǒng)運行穩(wěn)定高效，主要由供氣閥組、燃燒閥組、燃燒器組成。燃燒系統(tǒng)工藝流程見圖2所示。

表2 天然氣燃燒器與重油燃燒器附屬設(shè)備對比表

4.2 燃燒器改造

將原來的重油稀氧燃燒器改造成天然氣稀氧燃燒器。在燃燒器外殼和一二次氧槍保留不變的的情況下，將燃燒器中間的霧化重油槍改成結(jié)構(gòu)跟二次氧槍一樣的L型天然氣燒槍。

4.3 編寫天然氣燃燒控制程序

將新鋪設(shè)的天然氣管路控制閥組接入DCS，編寫天然氣燃燒系統(tǒng)控制程序。該控制程序不僅可在DCS 上監(jiān)視各儀表檢測數(shù)據(jù)、實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動跟蹤，控制程序還設(shè)置了一系列的參數(shù)異常報警和自動保護熄火功能，并與鍋爐、布袋關(guān)鍵報警參數(shù)形成連鎖，確保鍋爐、布袋安全運行。

5 重油改天然氣試驗結(jié)果分析

5.1 經(jīng)濟效益分析

5.1.1 燃料消耗成本分析

油改氣前，傾動爐重油單耗為45kg/t.Cu，柴油單耗為0.3kg/t.Cu，改造后經(jīng)過一段時間的運行，傾動爐天然氣單耗平均為52.28 Nm3/t.Cu（見表3），燃料價格參照工廠最近一年進廠燃料平均價格進行測算，具體價格對比見表4。

以傾動爐日產(chǎn)380t銅計算一天的燃料成本如下。

改造前：45kg/t.Cu×380t÷1000×4100元/t+0.3kg/t.Cu×380t÷1000×7000 元 /t=70908（元）

改造后：52.28 Nm3/t.Cu×380t×3.3元/m3=65559（元）

一年可節(jié)約燃料成本：330×（70908-65559）=1765170（元）

5.1.2 燃料輸送成本分析

對比重油燃燒系統(tǒng)和天然氣燃燒系統(tǒng)的燃料輸送途徑，重油需要油泵打壓至油槍，需要蒸汽加熱、保溫、霧化，消耗電能成本和蒸汽成本，而天然氣輸送環(huán)節(jié)不耗成本，據(jù)測算傾動爐重油燃燒系統(tǒng)一天消耗蒸汽4.4t，耗電160kW·h，蒸汽成本150元/t，電價0.68元/kW·h，以傾動爐運行一天計算成本如下。

圖2 傾動爐天然氣燃燒系統(tǒng)工藝流程圖

表3 改造后傾動爐第1～30爐天然氣單耗統(tǒng)計

改 造前：電 耗成 本160kW·h×0.68元/kW·h=108.8（元）

蒸汽消耗成本4.4t×150元/t=660（元）

改造后：0 （元）

一年可節(jié)約成本330×（108.8+660）=253704（元）

表4 燃料價格對比表

5.1.3 綜合經(jīng)濟效益分析

油改氣改造費用包括設(shè)備、材料、設(shè)計、施工等（見表5所示）。

表5 油改氣費用表 萬元

傾動爐一年生產(chǎn)330天，產(chǎn)陽極銅12.54萬t，除去改造費用，不需要增加其他成本，綜合上面兩項分析，傾動爐油改氣后年節(jié)約能耗成本1765170+253704-160000=2002874（元），花費16萬元進行技術(shù)改造可以帶來一年200萬余元的經(jīng)濟效益，效果顯著。

5.2 環(huán)保效益

據(jù)測算1t重油燃燒時產(chǎn)生的SO2量＝2000×S（kg）；S含硫率，一般重油1.5%～3%，柴油0.5%～0.8%。若含硫率為2%，燃燒1t油排放40kgSO2。傾動爐年消耗重油約6000t，而天然氣燃燒過程不產(chǎn)生SO2，改造后可減排SO2240t/年，從根本上改善環(huán)境質(zhì)量。天然氣無色無味，傾動爐作業(yè)現(xiàn)場更干凈，環(huán)保效益顯著。

5.3 其它效益

油改氣后，燃燒火焰分布更均勻，無明顯高溫區(qū)，燒嘴磚及南端墻耐火材料消耗快的情況得到遏制，爐窯壽命得到提高，與此同時燃燒系統(tǒng)故障率大幅降低，提高了傾動爐的作業(yè)率，減輕了職工的勞動強度。

6 結(jié)語

通過重油改天然氣技術(shù)試驗摸索，傾動爐使用天然氣燃燒系統(tǒng)運行更穩(wěn)定高效，同時在天然氣市場價格較低時能夠取得較好的經(jīng)濟效益，同時可減少二氧化硫等污染物的排放。

由于本次試驗的時間有限，傾動爐使用天然氣對爐體壽命的影響還需進一步研究摸索；通過本次試驗發(fā)現(xiàn)傾動爐使用天然氣后，煙氣成份發(fā)生較大變化，水份含量增大，對鍋爐、冷卻器、布袋等系統(tǒng)的存在一定的不利影響，有待進一步研究解決。