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铜精炼阳极炉保温过程重油燃烧热效率探讨

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有色金属(冶炼部分)　2004年4期・7・

铜精炼阳极炉保温过程重油燃烧热效率探讨

吴军1,陈羽年1,鄂加强2,刘春洋2,黄雁1,李罡1

(11贵溪冶炼厂,江西贵溪　334524;21中南大学能源与动力工程学院,湖南长沙　410083)

摘要:根据能量平衡原理,建立保温过程热效率的数学模型,并对其进行讨论。结果表明:随着空气过剩系数的增大,排烟热损失增加,热效率降低。从总体来看,铜精炼阳极转炉的热效率偏低,余热利用的前景和空间是非常大的。

关键词:铜阳极炉;精炼;热效率;重油;空气过剩系数

中图分类号:TF811　　文献标识码:A　　文章编号:1007-75(2004)04-0007-03

StudyonHeatEfficiencyofHeavyOilCombustioninCopperRefining

AnodeFurnaceintheCourseofHeatPreservation

WUJun1,CHENYu2nian1,EJia2qiang2,LIUChun2yang2,LIGang1,HUANGYan1

(1.GuixiSmelter,Guixi,Jiangxi334524,China;

2.SchoolofEnergyandPowerEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410083,China)

Abstract:Amathematicalmodelofheatefficiencyinthecourseofheatpreservationisestablishedandanalyzedbasedonprincipleofenergy1Theresultsshowthatthelargertheairsurpluscoefficient,themoretheheatlosscausedbyfluegasandthelowertheheatefficiency1Onthewhole,heatefficiencyofanodefurnaceisonthelowlevel,andtheprospectofutilizationofwasteheatisextensive1

Keywords:Copperanodefurnace;Refining;Heatefficiency;Heavyoil;Airsurpluscoefficient

　　铜精炼阳极炉的精炼过程一般分为加料、保温、氧化、还原和浇铸5个阶段[1]。保温过程中助燃空气与经水蒸汽雾化的重油混合后在炉膛内部燃烧,供给粗铜铜液保温过程中铜液升温所需要的热量,其目的是对铜液进行加热,使其温度达到1140℃以上,以满足氧化操作的要求。目前,铜精炼阳极炉保温过程的助燃空气是以环境温度鼓入炉内,导致铜精炼阳极炉的重油消耗量特别大,而铜精炼阳极炉所排放的高温烟气经稀释风稀释后,直接排向大气[2]。因此,为了降低铜精炼阳极炉精炼过程成本,减少保温过程排烟热损失,提高铜精炼阳极炉的经济效益,对于保温过程中铜精炼阳极炉热效率的研究十分必要。

1　铜精炼阳极炉保温过程热效率数学

模型

111　热效率数学模型建立

基于铜精炼阳极炉保温过程目前操作参数,不妨作如下假设:

(1)助燃空气除了给雾化重油提供助燃作用外,不与铜液发生氧化反应;

(2)计算烟气量时,认为雾化后的重油与助燃空气混合后完全燃烧。

由能量守恒定律显然可得铜精炼阳极炉在时间τ内的热平衡方程式:

G(QL+Qt+QG+QW)τ=ΔQ1+G(Q2+Q3

(1)+Q4)τ+Q5+QS

式中,G—单位时间重油的质量流量;QL—重

作者简介:吴军(1968-),男,江西上犹县人,高级工程师

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油的低位发热值;Qt—t℃下单位体积助燃空气带入的物理热;QG—重油带入的物理热;QW—雾化重油的水蒸汽所带入的热量;ΔQ1—铜液吸收的热量,Q2、Q3、Q4—排放重油产生的烟气热损失、燃料化学不完全燃烧和燃料机械不完全燃烧热损失;Q5—漏风排烟带走的热量;QS—传给外界及炉内其它附属的热量,取热收入的5%。

由式(1)可知,铜精炼阳极炉保温过程中仅铜液所吸收的热量ΔQ1为有效热,当入炉粗铜质量与温度一定时,这部分热量保持不变,根据热效率的定义,则铜精炼阳极炉保温过程热效率数学模型:

G(Q2+Q3+Q4)τ+Q5η(2)e=0.95-G(QL+Qt+QG+QW)τ

式中,G=(ΔQ1+Q5)/[(QL+Qt+QG+QW-Q2-Q3-Q4)τ]。112　热效率数学模型参数确定11211　助燃空气物理热由于铜精炼阳极炉采用高压雾化、复合内混式喷嘴,雾化及混合效果较好,则助燃空气带入铜精炼阳极炉内燃烧室的物理热为:

(3)Qt=LntC空

式中,Ln—实际湿空气量,Ln=nL0s,L0s为理论助燃空气量,L0s=(1+0100124g)L0g,m3/kg,

L0为理论助燃空气量干部分含量,L0=(81C+

有色金属(冶炼部分)　2004年4期

的物理热由下式确定:

QG=C油・t油

(6)

式中,t油为重油预热温度,根据现场实际情况,取t油=144℃;C油=11736+010025t油。11215　重油化学不完全燃烧

铜精炼阳极炉保温过程排烟口所排出的高温烟气中,可燃物质CO+H2的含量为k2%,则重油的化学性不完全燃烧热损失Q3为:

(7)Q3=12114k2Vn式中,由现场实际情况,取k2=015。

11216　重油机械不完全燃烧损失的热量对于铜精炼阳极炉采用的重油来说,因泄露和雾化效果不佳,将造成机械性不完全燃烧热损失,其值由下式确定:(8)Q4=k1QL式中,k1为机械性不完全燃烧热损失系数,k1

=0101。11217　排放烟气热损失铜精炼阳极炉保温过程1kg重油完全燃烧时的实际燃烧产物生成量Vn为:

Vn=VCO2+VSO2+VH2O+VN2+VO2(9)

式中,VCO2、VSO2、VH2O、VN2、VO2分别为1kg重油完全燃烧时的CO2、SO2、H2O、N2、O2的生成量,m3/kg;其值分别由下式确定:

VCO2=VSO2

26167H+3133S-3133O)×10-2,m3/kg,其中C、H、S、O分别为重油中所含碳、氢、硫、氧元素的质量

百分比;g为助燃空气的含水量,g/m3;n为空气系

)。数;C空—t℃下助燃空气的比热容,kJ/(m3・℃

11212　雾化蒸汽物理热

铜精炼阳极炉采用110MPa的饱和蒸汽作为雾化剂,则水蒸汽带入的物理热QW由下式确定:

(4)QW=m(h″-r)式中,m为雾化重油的水蒸汽,m=015kg汽

/kg;h″为110MPa饱和水蒸汽的热焓值,h″=277613kJ/kg;r为水蒸汽的汽化热,r201310kJ/kg。11213　重油低位发热值

22.4×12100S22.4=×32100

CW)

(10-1)(10-2)

VH2O=(H2+

N22.4s

+0.00124gLn+VW

18100

(10-3)

根据重油的元素质量百分比,可由下式确定重油低位发热值:

QL=4118×[81C+246H+26(S-O)-6W]

(5)

22.479s

(10-4)×+L

28100100n21(Lsn-Lg(10-5)VO2=n)100

其中,W为重油中所含水份的质量百分比,VW

为1kg重油所需水蒸汽的体积,VW=m×2214/18。

则铜精炼阳极炉保温过程1kg重油完全燃烧时排放重油产生的烟气热损失为:

VN2=

Q2=C烟气t烟气Vn

C烟气为烟气在t烟气时的比热容。

(11)

式中,t烟气为烟气在阳极炉排烟口处温度,11218　粗铜吸收热

11214　重油物理热

目前贵溪冶炼厂铜精炼阳极炉保温过程所用重

油在喷入炉内前采用蒸汽加热器预热,其带入炉内

粗铜液加入铜精炼阳极炉时的温度ti为

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1120℃,保温过程结束时温度tb为1140℃,加入

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要燃烧更多的重油来补偿,并且排烟热损失急剧增

加,而铜液吸收的有效热却不变。当空气过剩系数小于1105时,重油不能完全燃烧,不完全燃烧热损失将增大,铜精炼阳极炉热效率也将降低。当空气过剩系数在1105～1115波动时,铜精炼阳极炉热效率处于最优状态。212　漏风排烟体积对热效率的影响

由上图可以看出,铜精炼阳极炉保温过程的热效率随着漏风排烟体积流量的增加而减少。这是由于漏风体积流量的增加使得炉膛温度降低,需要燃烧更多的重油来补偿,并且漏风排烟热损失急剧增加,导致铜精炼阳极炉的热效率显著降低。图中曲线3表示在目前工况下铜精炼阳极炉的热效率随助燃空气过剩系数变化的曲线,当n在111～114波动时,铜精炼阳极炉的热效率均在15%以下。

当漏风排烟体积流量等于零时,由式(13)可得目前排烟温度情况下,铜精炼阳极炉的理论热效率:

ηmax=0.95-3059.3+24709.1n(14)

414.5+330n

不同助燃空气过剩系数下铜精炼阳极炉的理论热效率的变化曲线如上图所示。

综上所述,铜精炼阳极炉保温过程的热效率极低,这是导致目前阳极铜成本高于国外4～5倍的主要原因。

粗铜液质量M为330t,粗铜品位<为9815%,粗铜

),则保温过液的平均比热C液为014228kJ/(kg・℃

程粗铜液吸热量ΔQ1如下所示:

ΔQ1=C液(ti-tb)M<(12)

2　模型应用

已知铜精炼阳极炉保温过程采用200#重油,其质量百分比为(%):C8510、H1110、O010、S115、W21495。据此可求得200#重油的低位发热量QL=40960kJ/kg。;铜精炼阳极炉周围环境平均最高气温为30℃,平均最大湿度为70%,则保温过程进入铜精炼阳极炉的助燃空气中水分含量g=2416g/m3,此温度下湿空气的比热容为C空=),理论助燃空气干部分含量L0g113242kJ/(m3・℃=101538m3/kg,理论助燃空气量L0s=101860m3/kg,保温时间τ=210h。

则基于以上贵溪冶炼厂铜精炼阳极炉保温过程的实际情况,保温过程热效率数学模型为:

982.85Vm(38585.2-24379.1n)

3059.3+24709.1n+

2165793+1963.7Vmηe=0.95-414.5+330n

(13)

式中,Vm为漏风排烟体积流量,m3/h。

由式(13)可以看出,当其他条件一定的情况下,铜精炼阳极炉保温过程热效率主要与空气过剩系数和漏风排烟体积流量有关。211　空气过剩系数对热效率的影响

3　结语

(1)空气过剩系数的选取在一定程度上影响着

由下图可以看出,铜精炼阳极炉保温过程的热效率随着空气过剩系数n的增加而急剧减少。这是由于空气过剩系数的增大导致炉膛温度降低,需

热效率。为了减少热损失,提高热效率,同时也节约燃料,应该在保证重油完全燃烧的条件下尽可能的减小空气过剩系数,将其在1105～1115;

(2)漏风排烟热损失也是制约热效率的另外一个主要因素,因此减小这部分热损失,铜精炼阳极炉的热效率必将显著提高;

(3)如果采用1350℃高温烟气废热预热铜精炼阳极炉保温过程助燃空气,将使铜精炼阳极炉保温过程节能效果更加明显,经济效益显著增加。

参考文献

[1]陆志方1阳极炉烟气余热利用设计与生产实践[J]1有

色冶金能源,2002,19(4):10

[2]黄雁,吴军,李罡1基于燃烧风预热下铜精炼炉烟气热

1-Vm=0;2-Vm=1000;3-Vm=1200;4-Vm=1400

损失研究[J]1能源工程,2003(3):50

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