馬曉輝，匡軒毅，趙軍生

(長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙 410000)

銅冶煉余熱高效利用技術(shù)研究

馬曉輝，匡軒毅，趙軍生

(長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙 410000)

通過對銅冶煉廠余熱資源狀況進行綜合分析，遵循能源梯級利用原則，使高品質(zhì)的余熱資源得到充分利用。利用硫酸轉(zhuǎn)化器一段出口溫度為580 ℃的高溫煙氣余熱將底吹爐余熱鍋爐所產(chǎn)4.2 MPa飽和蒸汽過熱為3.82 MPa、 450 ℃過熱蒸汽，高溫煙氣出口溫度達503 ℃，滿足硫酸后續(xù)工藝生產(chǎn)要求，過熱蒸汽進入汽輪發(fā)電機組發(fā)電。工程實踐證明：過熱蒸汽發(fā)電在銅冶煉生產(chǎn)中應(yīng)用是成功的，值得進一步推廣。

銅冶煉 煙氣 硫酸生產(chǎn) 余熱發(fā)電 過熱蒸汽

銅冶煉余熱資源主要集中在冶煉系統(tǒng)和硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)。熔煉爐高溫煙氣余熱一般采用余熱鍋爐回收，產(chǎn)生飽和蒸汽；硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)余熱利用方法有3種：①采用省煤器生產(chǎn)熱水；②采用熱管鍋爐生產(chǎn)低壓蒸汽[1-3]；③采用空冷器將熱量排向大氣。雖然目前銅冶煉及制酸余熱資源得到利用，但余熱利用效率通常不高。目前國內(nèi)大部分銅冶煉均采用飽和蒸汽發(fā)電[4-5]，未考慮采用過熱蒸汽發(fā)電。

1 某冶煉廠余熱資源現(xiàn)狀

1.1 冶煉與制酸工藝

某冶煉廠主要生產(chǎn)工藝流程如下：

1)冶煉工藝。采用爐外分離熔煉工藝，主要流程為：爐外分離底吹熔煉爐—貧化電爐—轉(zhuǎn)爐吹煉—粗銅。底吹爐配1臺余熱鍋爐，正常運行時產(chǎn)生4.2 MPa的飽和蒸汽12 t/h，最大產(chǎn)蒸汽量達17 t/h，清焦期間不產(chǎn)蒸汽(每天清焦1～2 h)，蒸汽除少量用作除氧用汽和生活用汽外，其余均對空排放。

2)制酸工藝。硫酸裝置采用技術(shù)先進、成熟的稀酸洗滌凈化、二轉(zhuǎn)二吸制酸工藝。凈化工序選擇絕熱蒸發(fā)、稀酸冷卻流程，利用稀酸板式換熱器移走系統(tǒng)熱量。干吸工序循環(huán)酸系統(tǒng)為泵后流程。酸冷卻器為管殼式陽極保護酸冷卻器。轉(zhuǎn)化工序采用了“3+1”、Ⅲ Ⅰ-Ⅵ Ⅱ轉(zhuǎn)化換熱流程，硫酸車間轉(zhuǎn)化器一段出口的余熱資源較為穩(wěn)定，但未加以利用。

1.2 余熱資源情況

硫酸工序余熱資源中轉(zhuǎn)化器一段出口溫度大于500 ℃，為最優(yōu)質(zhì)的熱源。轉(zhuǎn)化器一段出口煙氣量為80 557 m3/h，且煙氣量連續(xù)；煙氣溫度為580 ℃，換熱設(shè)備出口溫度為503 ℃，可利用范圍為70～100 ℃。正常運行時轉(zhuǎn)化器一段出口煙氣工況見表1。

表1 正常運行時轉(zhuǎn)化器一段出口煙氣工況

轉(zhuǎn)化器一段出口煙氣溫度由580 ℃降至503 ℃，按入口熱量為7.2×107kJ/h，出口熱量為6.2×107kJ/h， 則可利用熱量為1.0×107kJ/h， 這部分熱量用以加熱飽和蒸汽。

熔煉爐清理結(jié)焦階段只有轉(zhuǎn)爐余熱可以利用，硫酸裝置轉(zhuǎn)化器一段出口煙氣量為4.0×104m3/h，溫度達550 ℃，出口溫度達503 ℃，煙量連續(xù)。清焦期間轉(zhuǎn)化器一段出口煙氣工況見表2。

表2 清焦期間轉(zhuǎn)化器一段出口煙氣工況

該部分利用熱量為1.1×106kJ/h，用以加熱飽和蒸汽。

2 余熱利用方案

針對該企業(yè)目前余熱資源利用現(xiàn)狀，有2種余熱利用方案可供選擇：①新建1臺中壓飽和汽輪發(fā)電機組，利用底吹爐余熱鍋爐所產(chǎn)蒸汽進行發(fā)電；硫酸系統(tǒng)采用熱管余熱鍋爐產(chǎn)0.8 MPa低壓飽和蒸汽用于生產(chǎn)、生活；②在硫酸轉(zhuǎn)化器一段出口增加換熱器，將底吹爐所產(chǎn)飽和蒸汽在硫酸系統(tǒng)過熱，蒸汽過熱后進入汽輪發(fā)電機組發(fā)電。過熱器可回收轉(zhuǎn)化工序高品位余熱，鍋爐出來的飽和蒸汽加熱成過熱蒸汽，該部分煙氣熱量除換熱損失外，絕大部分轉(zhuǎn)化為發(fā)電量，提高了余熱利用系統(tǒng)綜合效率。

3 方案比較

方案一采用飽和蒸汽發(fā)電，汽輪發(fā)電機組多采用進口機組，進口汽輪發(fā)電機組生產(chǎn)周期約10個月，維護成本相對較高、投資大，但是余熱發(fā)電系統(tǒng)相對簡單。方案二采用過熱蒸汽發(fā)電，系統(tǒng)復雜，設(shè)備多，目前國內(nèi)無先例，工程實施中可能會遇到意想不到的問題；但是投資省，設(shè)備均能國產(chǎn)化，運行維護成本較低，余熱利用效率高。

經(jīng)綜合分析，該冶煉廠決定采用方案二。經(jīng)過熱平衡計算后，擬選擇的裝機方案如下：

1)過熱器。過熱器進口煙氣溫度為550～580 ℃，出口煙氣溫度為503 ℃，進口煙氣熱量為3.7×107～7.2×107kJ/h，出口煙氣熱量為3.4×107～6.2×107kJ/h。進口飽和蒸汽壓力為1.6～ 4.0 MPa，流量為6～16.24 t/h，出口過熱蒸汽壓力為1.5～3.82 MPa，流量為6～16.71 t/h。

2)汽輪發(fā)電機組。汽輪機及發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 汽輪機及發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)

3)蓄熱器。設(shè)計壓力為4.2 MPa，設(shè)計溫度達260 ℃，有效容積為160 m3，釋放蒸汽量約12 t/h。

4 工藝流程

銅冶煉過熱蒸汽發(fā)電系統(tǒng)見圖1。

圖1 銅冶煉過熱蒸汽發(fā)電系統(tǒng)

余熱鍋爐正常運行時，鍋爐所產(chǎn)的4.2 MPa飽和蒸汽經(jīng)過熱器與硫酸轉(zhuǎn)化器一段出口的約580 ℃高溫煙氣換熱，飽和蒸汽吸熱后變?yōu)?.82 MPa、450 ℃過熱蒸汽；煙氣溫度降低至(503±20)℃后去二段轉(zhuǎn)化。過熱蒸汽進入汽輪發(fā)電機組發(fā)電，凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)水泵后返回鍋爐除氧器。鍋爐在1～2 h的清焦期不產(chǎn)蒸汽，為滿足汽輪發(fā)電機組不停機的要求，由蓄熱器釋放少量蒸汽至過熱器，過熱后進入汽輪發(fā)電機組，汽輪發(fā)電機組負荷維持在350 kW左右運行2 h。

5 試運行情況

該項目在試運行初期，由于汽輪機保護定值的設(shè)置，導致汽輪機頻繁跳機。經(jīng)調(diào)整汽輪機保護定值參數(shù)后，整個系統(tǒng)運行正常。當汽輪機的3.82 MPa、450℃蒸汽進汽量在10 t/h，發(fā)電達2 000 kW。當余熱鍋爐停止供汽后，汽輪機負荷為350 kW時，進汽壓力達1.6～3.43 MPa，進汽溫度達350～435 ℃，蓄熱器可持續(xù)供汽2.5 h。當汽輪機解列運行時，蓄熱器壓力可供汽5.5 h，滿足設(shè)計要求。試運行6個月后，停機檢查，打開過熱器，檢查內(nèi)部換熱管束，未發(fā)現(xiàn)管束有明顯腐蝕跡象。

6 結(jié)語

通過該項目的實施，證明銅冶煉余熱利用采用過熱蒸汽發(fā)電技術(shù)是切實可行的。一方面提高了余熱資源綜合利用效率，另一方面降低了余熱發(fā)電站投資成本，值得推廣。

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[2] 韋士波，戚永義.蒸汽蓄熱器在銅冶煉余熱發(fā)電系統(tǒng)上的應(yīng)用 [J].能源與節(jié)能，2013(8)：22-24.

[3] 尹慧鋒. 某銅冶煉廠余熱利用系統(tǒng)簡介[J].中小企業(yè)管理與科技，2012(18)：297-298.

[4] 戴林沖，王豐華.鋅精礦制酸余熱發(fā)電工程概述和效益分析[J].硫酸工業(yè)，2016(6)：42-45.

[5] 薛鋒. 飽和蒸汽發(fā)電在白銀銅業(yè)公司的應(yīng)用[J].有色冶金節(jié)能，2016，32(4)：44-46.

Study on high efficient utilization of waste heat in coppersmelting industry

MAXiaohui，KUANGXuanyi，ZHAOJunsheng

(Changsha Engineering & Research Institute of Nonferrous Metallurgy,Changsha,Hunan,410000,China)

By comprehensive analysis of waste heat resource status in copper smelter, according to principle of energy step utilization, high quality waste heat are fully utilized. Saturated vapor at 4.2 MPa generated by waste heat boiler configure for bottom-blowing furnace was overheated to overheating vapour at 3.82 MPa, 450 ℃ by the first stage conversion high-temperature flue gas at 580 ℃ in sulphuric acid plant, outlet temperature of high-temperature flue gas reached 503 ℃, meeting following process requirements, and superheating vapour entering turbine-generator to generate electricity. The engineering proved that generation electricity by overheating vapour was successful in copper smelter, worthy of further popularization.

copper smelting；flue gas；sulphuric acid production；waste heat power generation；overheating vapour

2017-04-15。

馬曉輝，男，長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司工程師，主要從事余熱發(fā)電研究工作。電話：18974861711；E-mail：271798985@qq.com。

TQ111.16;X706

B

1002-1507(2017)07-0028-03