闪速炉焦炉煤气替代天然气的探讨

罗雄波

(铜陵有色设计研究院， 安徽 铜陵 244000)

铜陵有色集团金冠铜业分公司座落于铜陵市循环经济工业园，公司采用世界先进的闪速熔炼、闪速吹炼、永久不锈钢阴极法电解、动力波洗涤、两转两吸、“非衡态”高浓度制酸等铜冶炼工艺处理铜精矿。目前，闪速熔炼炉、闪速吹炼炉和冰铜磨等系统生产设备使用的燃料为天然气。

天然气作为一种清洁能源，现在被很多铜冶炼企业应用到火法生产工艺上，但随着化石燃料特别是石油、天然气的日趋紧张，以及环保形势的严峻，化石燃料的价格一路攀升，对于像铜陵这样远离能源产地的城市，气源的稳定性差，天然气价格不断上涨，生产成本面临逐步上升的局面。自2012年4月该公司开始使用天然气进行试生产以来，当地天然气气源就已经呈现不足，无法保证生产需要，同时天然气的使用成本也在不断提高。因此，寻找替代燃料降低燃料的运行成本，同时，保证对环境的影响最小化，提升企业竞争力，是该公司甚至每个铜冶炼企业都需面对的问题。

而与该公司同在铜陵循环经济园区的铜陵新亚星焦化有限公司二期投产后将可提供低热值焦炉煤气，气量约4×104m3/h，有足够气量的焦炉煤气满足本公司闪速熔炼炉和闪速吹炼炉的生产需求。而且，焦炉煤气的来源稳定，价格较低，可以有效降低企业的生产成本，提高企业的竞争力。

为此，该公司拟对闪速熔炼炉、闪速吹炼炉系统进行改造，保留原天然气燃烧系统作为备用，增加焦炉煤气燃烧系统，焦炉煤气作为正常生产和保温点检用燃料。

1 工艺简介

铜闪速熔炼- 闪速吹炼技术是美国肯尼柯特公司和芬兰奥托昆普公司合作开发的清洁炼铜工艺。“双闪”工艺自从1995年肯尼柯特铜冶炼厂投产以来,经过十多年的发展和完善,已成为稳定可靠的铜冶炼技术。其主要优点是吹炼过程得到强化,烟气量小而且稳定,SO2浓度高，烟气制酸设备体积小,系统密闭,无SO2低空污染，熔炼炉和吹炼炉独立作业,互相不干扰,系统作业率高[1]。

闪速炉由反应塔、沉淀池和上升烟道三部分组成。

闪速熔炼炉的流程为：含水低于0.3%的干铜精矿输送至炉顶料仓与烟尘等物料混合后，通过风动溜槽加入精矿喷嘴内与工艺风混合。混合好的物料通过喷嘴喷入反应塔，在反应塔的高温空间内迅速完成熔炼反应。反应生成的熔体在沉淀池内分离成冰铜和炉渣，冰铜定期通过溜槽流入冰铜粒化装置和脱水装置，炉渣定期通过渣溜槽流入渣包。产生的高温烟气从上升烟道排入余热锅炉回收余热后送制酸工序[2]。

闪速吹炼炉的流程为：由熔炼工段产出的含水约4%～6%的湿冰铜先输送到冰铜磨系统进行干燥和研磨。其中磨碎至粒度小于74 μm，含水低于0.3%的合格冰铜被气流带出磨机，进入布袋，收集后送至吹炼炉炉顶料仓。合格冰铜与其它物料通过风动溜槽一起送入闪速吹炼炉冰铜喷嘴中与工艺风混合。混合好的物料通过喷嘴喷入反应塔，在反应塔的高温空间内迅速完成吹炼反应。反应生成的熔体在沉淀池内分离成粗铜和炉渣。粗铜定期通过溜槽流入阳极炉内进行精炼，炉渣定期通过渣溜槽流入渣包，产生的高温烟气从上升烟道排入余热锅炉，回收余热后送制酸工序。

2 天然气使用现状及问题分析

目前，在闪速熔炼炉的精矿喷嘴中央和闪速吹炼炉的冰铜喷嘴中央均设有天然气烧嘴或油枪。同时，在闪速熔炼炉和闪速吹炼炉的反应塔顶部的喷嘴周围均均匀设置了3个天然气烧嘴，在反应热量不足的情况下补烧天然气。

自2012年4月该公司开始使用天然气进行试生产以来，当地天然气气源就呈现不足，无法保证生产需要，同时天然气的使用成本也较高。所以，寻找替代燃料，降低燃料的运行成本，同时，保证对环境影响的最小化，提升企业的竞争力，是金冠公司现在面临的课题。

3 焦炉煤气方案的探讨

3.1 焦炉煤气方案的可行性

焦炉煤气与天然气一样属于气体燃料，但是焦炉煤气的价格更便宜，燃烧产物对空气污染低，且气源点的位置在本公司附近，因此，供热燃料由天然气改为焦炉煤气在理论上是可行的。

3.2 改造内容

本项目主要改造内容包括：

(1)闪速熔炼炉及闪速吹炼炉新增焦炉煤气燃烧系统，主要包括焦炉煤气燃烧系统及相应的管道。

焦炉煤气烧嘴位置与原天然气烧嘴安装位置一致。焦炉煤气烧嘴利用原天然气助燃风和烧嘴风管，只将烧嘴中原天然气喷枪更换成焦炉煤气喷枪，同时将烧嘴端部面板更换成利于更换喷枪的新面板。通过本次改造，即能满足焦炉煤气的使用，也能满足天然气的使用，且两种气源间可灵活切换。焦炉煤气烧嘴通过新增烧嘴阀组进行控制。

(2)闪速熔炼炉及闪速吹炼炉的溜槽烧嘴的用气管道在车间煤气总管道上预留接口。

3.3 冶金计算

为便于分析焦炉煤气替代后的可行性，对炉体热平衡及产生烟气进行理论计算。

3.3.1 基础资料

(1)主要设计参数见表1。

表1 主要设计参数表

(2)焦炉煤气成分及热值见表2，温度按25 ℃计。

(3)单位体积焦炉煤气燃烧参数见表3，助燃风温度按25 ℃计。

3.3.2 计算结果

3.3.2.1 热平衡计算结果

(1)天然气作燃料时，热平衡计算结果见表4、表5。

(2) 焦炉煤气作燃料时，热平衡计算结果见表6、表7。

3.3.2.2 烟气计算结果

闪速熔炼、闪速吹炼炉出口烟气计算结果见表8。

表2 焦炉煤气成分及热值表

表3 单位体积焦炉煤气燃烧参数表

表4 闪速熔炼炉总热平衡表

表5 闪速吹炼炉总热平衡表

3.3.2.3 燃料对比

闪速熔炼、闪速吹炼炉使用燃料对比见表8，出口烟气条件见表9。

3.3.2.4 燃烧风量计算

由表8和表9，可以得到：

改造前全年理论需助燃风量为：

909.6×104×10=9 096×104m3

改造后全年理论需助燃风量为：

1 082.5×104×5=5 412.5×104m3

改造后系统所需助燃风量可以得到保证，同时系统内不增加设备，阻力损失基本不变，因此，项目改造后原助燃风机可以满足使用需求。

3.4 结果分析

从冶金计算中可以看出：

(1)闪速炉熔炼炉内温度主要由精矿产生的化学反应热提供，燃料的使用仅作用为辅助补充热能；

(2)采用焦炉煤气替代天然气后，炉体热平衡可行；

(3)采用焦炉煤气替代天然气后，燃料使用量及烟气的产生量与改造前相差不大，因此，对收尘系统和硫酸系统的影响可以忽略不计。

因此，采用焦炉煤气替代天然气后，对生产几乎无影响。

表6 闪速熔炼炉总热平衡表

表7 闪速吹炼炉总热平衡表

表8 燃料对比表

表9 出口烟气条件表

4 改造的效果

4.1 节能效益分析

由表8可知：改造前，天然气的全年理论燃烧耗气量为：909.6×104m3，

改造后，焦炉煤气的全年理论燃烧耗气量为：1 082.5×104m3。

计算可得，天然气消耗(包含天然气的全年理论燃烧耗气量和天然气理论需要的助燃空气耗气量)合计折合标煤(当量)：

909.6×104×1.2143÷103+9 096×104×0.04÷103=1.5×104(t标煤)

焦炉煤气消耗(包含焦炉煤气的全年理论燃烧耗气量和焦炉煤气理论需要的助燃空气耗气量)合计折合标煤(当量)：

1 082.5×104×0.6÷103+5 412.5×104×0.04÷103=0.9×104(t标煤)

由此可见，采用焦炉煤气与天然气后，可节约能源约合0.6×104t标煤。

4.2 环保效益分析

从表3中可以看出，焦炉煤气与天然气一样，燃烧后的主要产物为氮气、水、二氧化碳，且由于焦炉煤气中碳含量要低于天然气中碳含量，所以焦炉煤气产生的二氧化碳要低于同体积下的天然气。焦炉煤气中以CnHm形式存在的高碳链可燃成分所占的比例小，高温下CnHm裂解产生的碳黑少，且绝大部分以CO2的形式进入烟道[3]，对操作环境和环保的影响小，符合国家低碳环保的能源环保政策，有利于提升企业竞争力。

由表1和表7中数据计算可得，

天然气燃烧时全年CO2理论排放总量：

64 500×0.056×345×24×0.95+27 500×0.037 4×345×24×0.90=3 607.6×104m3

约合7.1万t CO2。

焦炉煤气燃烧时全年CO2理论排放总量：

61 829×0.055 9×345×24×0.95+23 125×0.026 7×345×24×0.90=3 178.8×104m3

约合6.3万t CO2。

由计算结果可知，采用焦炉煤气与天然气相比，焦炉煤气少排放0.8万t CO2，减少CO2排放约11%。

4.3 经济效益分析

计算依据如下：

(1)天然气价格为3.15元/m3，焦炉煤气价格为0.83元/m3，均为含税价；

(2)改造前后燃料消耗量由表8计算可得：

天然气年消耗成本：

909.6×104×3.15=2 865.24万元

焦炉煤气年消耗成本：

1 082.5×104×0.83=898.475万元

由此可知，采用焦炉煤气替代天然气后可以节约成本约1 967万元。

5 结语

用焦炉煤气代替天然气作为燃料,可以有效地发挥地区资源的优势,节约能源，降低生产成本,保护环境，同时作为一种清洁能源，它能带给企业更好的社会效益和经济效益。

[1] 余亮良,施群,袁剑平.“双闪”铜冶炼工艺研究进展[J].有色冶金设计与研究，2013，34(1):14-16.

[2] 《重有色金属冶炼设计手册》编辑部.重有色金属冶炼设计手册.铜镍卷[M].北京：冶金工业出版社， 2012.

[3] 康敬乐.城市煤气在铜精炼反射炉的应用实践[J].中国有色冶金，2008(2):20-23.