SCR熔炉系统天然气燃烧节能分析及应用.pdf

熔炉系统是 SCR 生产线铜原料熔化的重要设备，是以天然气为主要使用能源，天然气能源消耗占整个电工用铜线坯生产成本的 1/3。为了节约能源，降低生产成本，针对熔炉设备运行特性及天然气燃烧关键技术进行分析研究，在天然气燃烧控制及节能措施方面取得了较大收获。1熔炉系统设备组成及工艺流程熔炉系统设备主要由竖炉、加料机、旋转保温炉、撇渣槽、上下流槽、燃气供应系统、鼓风机助燃空气系统及燃烧自动控制系统等组成1。SCR 熔炉系统是以天然气为燃料，采用预混型燃烧系统，燃气供应系统供应天然气燃料，鼓风机系统输送助燃空气，天然气与空气按照一定比例组成的混合气体，通过燃烧喷枪喷入炉内熔化铜原料。其工艺流程如图 1 所示：加料机从顶部向竖炉投入铜原料，进料朝下穿过炉子，同时下方原料熔化时可预热进料。熔化后的铜液通过炉底出铜口经上流槽流入撇渣槽，再流入旋转式鼓型保温炉，经下流槽至中间包进行浇铸2。保温炉起蓄积铜液，均衡铜液金属的作用，通过旋转调节熔炉中流出熔化金属的流量，以改变输往浇铸机的铜液量。天然气燃烧控制系统实现铜原料的熔化处理及气氛控制作用，使之铜液达到浇铸工艺控制指标要求。*收稿日期：2023-03-31作者简介：余晓军（1976-），男，云南普洱人，高级工程师，主要从事铜金属加工生产线设备自动化控制技术的研究。Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGYSCR 熔炉系统天然气燃烧节能分析及应用*余晓军（中铜（昆明）铜业有限公司，云南 昆明 650502）摘要：因连铸连轧生产线熔炉系统天然气能源消耗较大，对熔炉投料、燃烧原理、燃烧控制、天然气能源组分等熔化工艺中影响燃气消耗的因素进行了分析，采取了天然气燃烧热能利用、燃烧 CO 值及铜液氧含量等关键点优化控制，使天然气燃烧余热利用率逸55%，天然气使用单耗下降至 37.27 m3/t。关键词：熔炉；天然气；空燃比；CO 值；氧含量；组分；热值中图分类号：S210.4文献标识码：A文章编号：1006-0308（2024）01-0173-05Analysis and Application of Natural Gas Combustion Energy Savingfor SCR Furnace SystemYU Xiao-jun(China Copper(Kunming)Copper Industry Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 650502,China)ABSTRACT：The natural gas consumption for furnace systems of continuous casting and rolling line is high,so we analyze theinfluence factors of gas consumption from the aspects of furnace feeding,combustion principle,combustion control,natural gas energysource composition,and so on in the fusion process,so it adopted the thermal energy utilization of natural gas combustion,theoptimization and controlling of key points(CO value of combustion and oxygen content of molten copper),then the waste heat utilizationrate of natural gas combustion 逸55%,the utilization unit consumption of natural gas decreased to 37.27 m3/t.KEY WORDS：smelting furnace;natural gas;air-fuel ratio;CO value;oxygen content;component;caloric value173Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY图 1熔化工艺流程图Fig.1Smelting process flow chart2燃烧节能分析及措施结合熔炉系统熔化工艺流程中燃气消耗进行分析，燃烧节能从熔炉投料、燃烧原理、燃烧控制、天然气组分特性等四个方面进行分析，通过设备设施改进、设备维护及控制优化等措施实现天然气燃烧节能。2.1投料过程分析及措施投料过程关键点在于提高竖炉内部对原料铜板的预热效果及控制燃烧氛围。要提高竖炉内部对原料铜板的预热效果，铜原料投料使用散播器形成扇形布置加料，使原料铜板在竖炉内部成层叠散开，盖住空隙及炉口火焰，提高竖炉内部对原料铜板的最大预热效果，来实现降低天然气耗气量的目的3。但原料铜板加入到竖炉内部整个加料过程中，难以控制铜板在散播器内竖直成扇形布置，铜原料投入炉内后不能很好的层叠散开，主要缺陷是加料机散播器结构存在设置不合理，且倾倒角度直接影响倒料的下滑速度。从散播器结构来看，实现散播器内扇形布料有一定的局限性，铜板原料不能随意的成扇形布置，铜原料在散播器内集中偏向左侧或右侧，布料不均匀，加入竖炉内部散开效果达不到理想状态，致使天然气耗气量太高。针对装置的缺陷实施以下改进措施：1）在散播器内底部增加半圆形弧度圆钢，作为铜板原料在散播器内扇形布料的支撑点，使铜板散开，达到铜板在散播器内成扇形布料；2）改善散播器倾倒面角度，由原设计 105毅增加至 110毅，提高倒料的下滑速度，便于倒料。2.2燃烧原理分析及措施竖炉熔化燃烧的工作原理：燃气供应系统将天然气与鼓风机系统提供的助燃空气按照一定比例（即空燃比），天然气和空气通过混合系统输送至各分区喷枪燃烧，熔化铜原料4。天然气主要组分为甲烷（CH4），燃烧分为完全燃烧和不完成燃烧：完全燃烧化学方程式：CH4+2O2=CO2+2H2O不完全燃烧化学方程式：2CH4+3O2=2CO+4H2O从以上化学方程式中可以看出，完全燃烧生成 CO2和 H2O，不完全燃烧则生成 CO 和 H2O。从天然气消耗方面分析，铜原料经过竖炉熔化后，铜液经上流槽-撇渣槽-保温炉-下流槽-中间包完成浇铸前，燃气燃烧其中主要功能是实现铜液的熔化及保温作用，希望熔炉天然气燃烧时按照完全燃烧方式进行，这样可以充分提高天然气燃烧利用率，降低天然消耗，而实际天然气燃烧控制是部分完全燃烧和部分不完全燃烧状态，很难全部实现理论化的完全燃烧。从熔化工艺控制方面分析，SCR 生产线的产品为低氧铜线坯，产品氧含量需控制在 0.025%耀0.03%之间，铜液保持一定的氧含量主要起到两方面作用：1）铜原料在转化成液态过程中会吸收氢元素，氢含量的上升会导致铜线坯出现“氢脆”现象。铜液中保持一定氧含量，可以与氢元素结合生成水后随着铜液的流动扩散出去，从而可以降低铜液中的氢、氧含量5；1742）氧元素可以与铜液中的铁、镍、铜、铝、镁、硅、磷等元素发生反应，并形成密度比铜液小的化合物，这些化合物形成浮渣后浮到铜液上面，通过在撇渣槽将其清除。因此，铜液在浇铸前需保持铜液中有一定的含氧量来消除杂质元素，杂质元素的清除能很好的保持铜液的纯度，从而保证铜液性能的一致性。综合分析，熔炉系统在实现铜原料的熔化时，即要保证熔化的速率，同时也要保持铜液一定的氧含量。但炉内氧含量过高时，一方面导致铜液粘稠，减缓熔化速率，增大燃气消耗；另一方面加剧炉内耐火材料的烧损，降低竖炉使用寿命。炉内氧含量过低时，铜液浇铸铸坯出现“氢脆”及杂质清除不彻底等问题。因此，铜液氧含量过高过低都不利于生产工艺控制，生产过程中需要控制铜液氧含量这个关键指标6。熔炉燃烧控制系统根据天然气燃烧原理，通过调节空气和燃气比例导致燃气不完全燃烧从而产生 CO，CO 与氧结合生成 CO2（CO+O寅CO2），消耗流体铜液中的氧，从而达到控制铜液中氧含量的目的。空气与燃气的燃烧后混合物中的CO 与空气/燃气混合物中过量燃气的量成正比关系，燃烧混合物中的燃气比例增大时，燃烧后燃气中的CO 比例也增大。从实现控制铜液氧含量角度出发，最好用过量燃气处理铜原料，以达到产生的 CO 来控制氧的含量，即熔炉燃烧气氛处于还原性环境中。燃气比例较高时，产生CO 较多，氧含量降低，会使燃气消耗较大；燃气比例较低时，产生 CO 较少，氧含量升高，会影响熔化速率。从生产过程控制角度出发，首先要满足产品质量控制要求，即满足氧含量控制指标；其次满足熔化速率要求，确保生产能连续进行；最后才是考虑尽可能地降低天然气消耗。因此，设定 CO的最佳控制值，掌握好这个平衡点是关键，具体措施如下：1）按照竖炉、溜槽、撇渣槽、保温炉及中间包等区域的铜液氧含量要求（表 1），分别设定的各区域 CO 控制值，满足各区域氧含量控制指标7；2）在满足氧含量控制指标及熔化速率前提下，可尽量降低 CO 的控制值，这样可以大大节省天然气消耗；3）由于铜原料、熔炉状况、天然气等因素的差异，各 SCR 生产线熔炉 CO 控制值也是都有差异的，某生产线的 CO 设定控制值用到其它生产线不一定是最佳值。因此，需要及时监测铜液氧含量值，依据氧含量来及时调整 CO 控制值，一般会重点监测竖炉出铜口、铜线坯氧含量。2.3燃烧控制过程分析及措施熔炉燃烧系统由燃气供应系统及助燃空气系统、混合燃烧系统、CO 分析仪系统8、PLC 可编程控制器系统组成。熔炉系统燃烧通过燃气供应系统及助燃空气系统将天然气和助燃空气按照一定的比例供应至混合燃烧系统。燃气供应系统中先导式减压调节阀、先导式平衡零位平衡阀、燃气比率调节阀为各燃烧分区提供的天然气；各区域火力控制阀将鼓风机提供的助燃空气分配至各燃烧分区；助燃空气管道与先导式减压调节阀、先导式平衡零位平衡阀之间连接脉冲管路，通过助燃空气压力即可控制先导式减压调节阀、先导式平衡零位平衡阀天然气通过量，实现燃气随助燃空气变化而变化。先导式减压调节阀、先导式平衡零位平衡阀控制燃气通过量是一种机械式的控制方式，尚不能完全精准地实现空燃比的控制要求，因此，燃气供应系统中增加燃气比率调节阀，根据设定 CO控制值，由 PLC 控制系统实现燃气比率调节阀的自动调节控制。天然气燃烧后的成分主要包括 H2O、CO、CO2、H2、O2、N2和未燃燃气，但是 CO、CO2、H2O 和燃料将吸收红外能量。CO 分析仪则利用了红外分析的原理，实时检测燃气和空气混合燃烧后的 CO 含量，并输出控制调节信号给 PLC 可编程表 1各燃烧区域氧含量指标Tab.1Oxygen content targets of each combustion area%区域竖炉上溜槽撇渣槽保温炉下溜槽中间包氧含量0.0050.0070.010.012 50.020.0250.0250.03余晓军：SCR 熔炉系统天然气燃烧节能分析及应用175Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY控制器系统，各燃气分区根据氧含量控制要求，最终实现 PLC 控制程序按照设定 CO 控制值自动控制燃气比率调节阀，达到调节燃烧空燃比来控制铜液中氧含量。通过以上分析可以看出，先导式减压调节阀、先导式平衡零位平衡阀、燃气比率调节阀及 CO 分析仪系统等关键设备的运行稳定性至关重要，将直接影响燃烧控制的效果，为降低天然气消耗，需要确保相关设备运行稳定，应执行以下定期检查措施：1）定期检查先导式减压调节阀上压差表，压差表值过大或过小时，通过旋紧或拧松弹簧张力来调整压差，使燃气空气差压保持稳定在 40 cm水柱左右；2）定期检查先导式零位平衡调节阀对燃气的跟踪调节功能，将对应区域喷嘴燃烧器点火压力由 40 cm 调整至 100 cm 水柱，变化范围内 CO 值满足在 0.2%范围内调节跟踪要求。若不满足要求，可以根据当前高火条件下是达到足量状态或不足状态，对应调整增大或减少平衡阀弹簧张力，配合 CO 分析仪进行反复几次测试后满足跟踪要求；3）利用 CO 分析仪系统，定期对燃气比率调节阀功能进行测试，确保竖炉、保温炉区域调节阀按照满足 0.4%系数值测试调整，而溜槽、撇渣槽、中间包区域按照满足 1%系数值测试调整，确保各燃烧区域燃气比率调节的响应速度及精度；4）定期使用氮气及 3.8%标准气对 CO 分析仪进行校准，定期更换清洗采样过滤器，检查真空泵及管路无漏气情况，检查燃烧炉、冷凝器运行温度控制正常。2.4天然气组分分析及措施天然气主要组分是烷烃，其中甲烷（CH4）占绝大多数，另有少量的乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）等组成9。1）各烷烃组分燃烧化学方程式如下：甲烷完全燃烧化学方程式：CH4+2O2=CO2+2H2O乙烷完全燃烧化学方程式：2C2H6+7O2=4CO2+6H2O丙烷完全燃烧化学方程式：C3H8+5O2=3CO2+4H2O2）甲烷、乙烷、丙烷分子式碳氢元素对比分析：甲烷（CH4）中碳氢元素的质量比为：12颐4=3颐1乙烷（C2H6）中碳氢元素的质量比为：（12伊2）颐（1伊6）=4颐1丙烷（C3H8）中碳氢元素的质量比为：（12伊3）颐（1伊8）=9颐23）甲烷、乙烷、丙烷低位热值系数分别为：甲烷热值系数：8 578 kcal/Nm3；乙烷热值系数：15 371 kcal/Nm3；丙烷热值系数：22 256 kcal/Nm3；从燃烧化学方程式及烷烃分子式可以看出，碳氢化合物中，氢含量越高，消耗的氧量越大，单位质量的氢燃烧时产生的热量要远远大于单位质量的碳燃烧时产生的热量，热值也就越高。由此可见，乙烷、丙烷较甲烷燃烧后消耗氧量要多，乙烷、丙烷热值系数高于甲烷，产生的热量也较高。一般商品天然气中甲烷含量约占 90%以上，乙烷、丙烷等组分含量在 10%以下，由于天然气气源产地的不同，各组分占比差异也比较大。由于乙烷、丙烷燃烧氧消耗量及热值较高，从生产工艺控制及节能降耗方面考虑，很希望使用天然气中乙烷、丙烷等组分占比高，这样天然气的总体热值会相对高些，即可实现使用较少的燃气达到熔化速率及氧含量控制需求，但实际使用的天然气组分含量是不可控的，为此需要适时监测天然气组分及热值变化，采取了在天然气供应管道上装设热值分析仪的措施。热值分析仪主要分析CH4和 CnHm 两个组分（乙烷、丙烷等）含量及热值，不同种类天然气组分及热值实际监测分析数据如表 2。表 2天然气组分及热值监测表Tab.2Natural gas components and monitoring caloric value lists指标类型单耗/（m3/t）37.2734.99CnHm含量/%0.12耀0.345.96耀6.58热值/（kcal/m3）8 301耀8 5338 753耀8 952管道天然气LNG天然气CH4含量/%96.56耀98.8791.36耀92.57176从表 2 中监测数据可以看出，由于乙烷、丙烷等热值系数较高，LNG 天然气中 CnHm 组分占比较高，故整体热值比管道天然气要高；另外，同质量下乙烷、丙烷燃烧消耗氧也较多，因此，使用 LNG 天然气生产单耗较低，使用较少天然气即能满足熔化速率及氧含量控制要求。使用天然气组分无法控制的情况下，故采取实时监测掌握天然气措施，掌握组分含量占比及热值变化，跟踪铜液氧含量的变化，及时地调整 CO 控制值，可避免天然气过量消耗。3应用效果改进熔炉投料方式，熔炉投入铜料基本充满整个炉口截面，同时将废线杆、废铸坯等废料与电解铜搭配使用，保持熔炉高料面，确保了熔炉内高温烟气与铜料最大表面充分接触，避免出料面高温烟气的散发，炉口烟气温度降低到 550 益以下，使烟气带走热损失大大减少。熔炉充分利用高温烟气余热提高铜料预热效果，燃烧余热利用率可达 55%以上。对熔炉燃烧原理分析及控制优化，稳定了熔炉内燃烧气氛，避免了局部燃烧空气或燃气出现过剩情况。随着熔化速率的变化，相应调整燃烧火力，仍能保持固定的空燃比，稳定铜液氧含量同时，提高天然气的利用率。燃气组分出现变动时，能及时调整空燃比，以保持炉内气氛还原性恒定，防止熔炉耐材出现过度氧化烧损。取得的经济效益：燃气单耗由 43.38 m3/t 降至37.27 m3/t，年节约天然气费用约 300 万元，熔炉耐材使用寿命由 3 年提升至 4 年。4结 语综上所述，实现 SCR 熔炉系统天然气节能降耗，主要实施三个方面优化控制：1）改进投料控制，提升燃烧热能利用效率，降低燃气燃烧后余热的散发，提高铜料的预热效果；2）优化燃烧控制，均一熔炉燃烧气氛，平衡铜液氧含量和 CO 控制值，确定最佳的燃气空燃比；3）跟踪使用天然气组分变化，适时调整 CO控制值，确保天然气能源高效利用。参考文献：1 袁辅平.竖炉熔铜工艺的实践J.工业炉，2008，30（3）：22.2 汪兴，叶斌民，刘宏泰.浅淡 SCR4500 炉区系统的改进J.铜业工程，2009（1）：36.3 张伟旗.SCR 竖炉卡炉现象探究及其预防J.特种铸造及有色合金，2011，31（12）：1155-1156.4 余晓军，刘原丞.SCR4500 连铸连轧生产线熔化燃烧控制分析及措施J.云南冶金，2018，47（6）：87-88.5 黄贺南，夏鹏，景立志.低氧铜杆生产中氧的作用及控制的工艺技术J.科技风，2012（19）：36.6 张伟旗，叶斌民.SCR 炉区系统技术创新与氧的控制J.特种铸造及有色合金，2011（5）：444-445.7 张玉杰.浅析燃气竖炉在我国铜加工行业的应用前景J.有色金属再生与利用，2004（4）：9.8 董文辉.SCR 燃烧样气 CO 检测系统的维护与改进J.铜业工程，2013（4）：58-59.9 陈云门.熔铜竖炉初析J.中国有色冶金，1985（11）：56.余晓军：SCR 熔炉系统天然气燃烧节能分析及应用177