云南铜业股份有限公司冶炼加工总厂 云南昆明 650102
摘要：为了解决现有冶金炉供热系统灰分大、二次污染严重的问题，云铜总厂依据铜火法冶金热平衡测算天然气氧气燃烧用量，设计管道、烧嘴及阀组等燃烧设备和控制系统，开发基于PID控制的铜冶金炉天然气-富氧燃烧系统，并应用于回转式阳极炉生产实践。结果表明，系统比改造前，降低了烟气量50%，将烟尘率99%，渣率1.89%。
关键词：天然气-富氧燃烧；烧嘴；PID控制；烟气量；烟尘率；渣率
1引言
回转式阳极炉及分银炉均使用粉煤做为燃料，燃烧方式为粉煤-空气燃烧，燃烧灰分大、二次污染严重，热利用率低、氮氧化物排放量大，环保压力巨大。国内铜冶金行业，铜火法冶金炉窑使用的燃料主要有粉煤、重油、煤气、天然气等，采用更先进天然气-富氧燃烧技术，因其燃烧充分、热利用率高特点，成为一种趋势。用天然气替换粉煤，解决环境问题迫在眉睫。
2国内铜火法冶金炉窑供热系统介绍
目前，国内外已经开发成功的富氧燃烧技术包括：普莱克斯稀氧燃烧技术、凯明阳多氧燃烧技术、徐州燃控纯氧燃烧技术、大山铜业全氧燃烧技术等，且已成功应用于铜冶金炉窑。[1]其共同特点均以高浓度富氧空气代替普通空气作为助燃气，将普通空气中79%氮气（既不参与反应也不参与助燃）随烟气排出，节约燃料、降低烟气量，优化技术经济指标，类技术已经较为成熟可靠，可成功应用于云铜铜火法冶炼。[2]
3天然气-富氧燃烧原理及燃烧测算
3.1天然气-富氧燃烧原理
天然气-富氧燃烧技术通过提高助燃风中的氧气浓度，减少燃料燃烧产生的烟气量，降低烟气带走的热量，提高燃烧效率，达到强化燃烧、高效节能的目的[3]。其燃烧方程式如下：
CH4+2O2=CO2+2H2O+热量(完全燃烧生成CO2和水)
3.2天然气及氧气用量测算
为了保证回转炉阳极炉正常吹炼过程所需要的热量，需结合铜火法冶金热平衡，结合现有粉煤燃系统，计算出回转式阳极炉实际吹炼操作需要的总热量为9214332.85 KJ/h左右，及回转式阳极炉吹炼时每小时最大粉煤用量，进而反算阳极炉燃烧天然气需求量，计算过程中天然气成分按CH3.7计算。因富氧空气氧含量≥99%，因此富氧空气均按O2计算。天然气-富氧燃烧化学方程式如下所示：
2CH3.7+3.85O2=2CO2+3.7H2O
根据天然气-富氧燃烧化学方程式，按照回转炉原粉煤燃烧需要热量测算出回转炉天然气-富氧燃烧平均天然气用量。粉煤至天然气用量测算如表2所示：
d-管道直径，Q-设计流体流量的1.2倍，P1-标况压力，P2-工况压力，V-工况流速（设计流速）
根据上述计算公式，同时结合标准管道型号，最终确定天然气及氧气总管均按DN150进行选型。
为了保证铜冶金炉窑的寿命，燃烧火焰不能正对炉墙耐火砖体或炉口燃烧，火焰要正对高温熔体燃烧，保证火焰中心到达炉子中段以后的最高铜液面。所以，结合天然气-富氧燃烧技术及炉窑尺寸及装铜量，需要对现有角度为5～8°的烧嘴器进行改造，改成角度为7°~9°的烧嘴器。[6]
4.3燃烧自动调节控制
系统目标是根据吹炼工艺要求，实现天然气与富氧的自动流量配比及输出，为实现这一目标，系统采用PID控制原理，以工艺设定流量值Ls及实时流量值La作为控制参数，以调节阀开度作为控制对象进行控制，从而实现天然气与富氧的自动流量配比及输出，燃烧控制原理如图2所示[7]。
4.4燃烧控制系统设计
系统包括工程师站、触摸屏操作站、PLC控制系统等子系统，相互之间OPC协议通过以太网实现通信，如图3系统网络图所示。硬件为PLC控制器1只CPU1756-L61、电源2块、控制网模块1756-CNBR、ControlLogix I/O输入输出模拟模块8通道4只、数字量模块8通道4只、工控机等组成；软件有Windows XP、、RSView32监控软件、ControlLogix 5000、RSLinx。[82]
5.2实践结果分析
由统计数据可看出，6#回转式阳极炉燃烧系统进行升级改造，减少了普通空气中79%的氮气带入炉内，烟气量降低80%，入口烟气温度降低，便于收尘系统的正常运转。每年减少二氧化碳排放5264.781吨，一氧化碳372.25吨，二氧化硫气体41.2吨，减少飞尘812.22吨。烟尘率由原来的3%降低至0.01%，阳极炉渣率由原来的8%降低至6.11%。基本实现了灰尘零排放，作业现场操作人员的操作环境得到极大改善。[9]
5.3实践存在的问题
燃烧烟气含水较高，天然气燃烧过程中会产生大量的水蒸气,导致在阳极炉保温阶段，烟气经余热锅炉冷却后，出口烟气温度较低，水蒸气液化成液态水，易造成烟气管道锈蚀。
成本略有增加，因地域原因，系统使用天然气及氧气均为液化储罐供应，价格较高，因此，虽然阳极炉使用天然气-富氧燃烧系统后节能效果较为明显，但由于价格因素导致阳极炉燃烧改造后生产成本略有增加。
6结论
回转式阳极炉燃烧系统改为天然气-富氧燃烧后，燃烧系统运行稳定、可靠，操作环境得到极大的改善，烟气量大大降低，烟尘得到有效控制，节能效果明显，取得了理想的效果，但是燃烧烟气含水较高，可能对下游工艺及设备造成影响，成本略有增加，需要进一步优化。
参考文献:
[1]王卫华，赵庆云，王巧娟. 基于CompactLogix PLC的自动配制系统的实现[J]，制造业自动化，2016,38：109~111.
[2]李洪刚，天然气熔铝炉燃烧器的技术改进[J]，有色金属加工，2017.1(46):17~20
[3]孔彦虎.基于CompactLogix系统实现总砂泵站自动化系统建设[J]，自动化与仪器仪表，2017.02.：89~91
[4]宋少鹏,卓建坤,李娜. 燃料分级与烟气再循环对天然气低氮燃烧特性影响机理[J]，中国电机工程学报,2016.24(36):6850~6852
第一作者：张义悦，1981.6，男，硕士，工业自动化。
论文作者:张义悦,于海波,刘大方,蒋鸿
论文发表刊物:《防护工程》2017年第9期
论文发表时间:2017/9/4
标签：天然气论文; 烟气论文; 阳极论文; 系统论文; 粉煤论文; 火法论文; 技术论文; 《防护工程》2017年第9期论文;