顏建民,畢剛芝

(湖南錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司,湖南冷水江 417500)

火法鋅冶煉中的余熱發(fā)電工藝

顏建民,畢剛芝

(湖南錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司,湖南冷水江 417500)

文章介紹了某廠自主研發(fā)設(shè)計(jì)并投入使用的火法鋅冶煉廠余熱發(fā)電機(jī)組工程。將鋅冶煉廠生產(chǎn)所排放的高溫?zé)煔饧右允占⒗?在鍋爐內(nèi)產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)的蒸汽,驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組,所發(fā)電與廠內(nèi)電并網(wǎng)。對(duì)該工程可行性、硬件選擇、工藝生產(chǎn)流程、技術(shù)條件及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行充分的論述,并簡(jiǎn)要分析了3 MW汽輪發(fā)電機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)所取得的顯著經(jīng)濟(jì)效益。

鋅冶煉;高溫?zé)煔?3MW汽輪發(fā)電機(jī)組

在工業(yè)飛速發(fā)展的今天,節(jié)能,已是全世界當(dāng)務(wù)之急關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。節(jié)能減排主要表現(xiàn)在減少能源浪費(fèi)和降低廢氣排放,充分發(fā)揮再利用技術(shù)。湖南錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱閃星銻業(yè))鋅冶煉廠在余熱發(fā)電項(xiàng)目上邁出了成功的第一步。目前該機(jī)組已安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行了1 600余天,發(fā)電量達(dá)9.1×107kWh。通過(guò)余熱產(chǎn)汽量的擴(kuò)大,又著手開(kāi)發(fā)建設(shè)第二臺(tái)發(fā)電機(jī)組的試運(yùn)行。

閃星銻業(yè)有火法煉鋅生產(chǎn)線一條,生產(chǎn)能力為3～5萬(wàn)t/a。在鋅冶煉生產(chǎn)過(guò)程中,高溫?zé)煔馀欧诺哪芎募s占總能耗的40%。在高溫?zé)煔饪偰芎闹?有近50%的熱能以高溫?zé)煔夂湾仩t排出廢氣的顯熱形式排入大氣。由于高溫?zé)煔獾臏囟瓤蛇_(dá)600～850℃,隨著近幾年來(lái)余熱回收技術(shù)突飛猛進(jìn),余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用得到積極推廣,同時(shí)余熱回收效率大幅提高,凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組在技術(shù)上獲得突破,為有色冶煉行業(yè)余熱回收創(chuàng)造了優(yōu)越的條件。在這樣的形勢(shì)和技術(shù)條件下,閃星銻業(yè)迅速啟動(dòng)各種余熱回收項(xiàng)目,不但完成了企業(yè)的節(jié)能降耗任務(wù),同時(shí)也能為企業(yè)本身創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)回收鋅冶煉的高溫?zé)煔饧訜嵊酂徨仩t來(lái)收集余熱能源,結(jié)合低溫余熱發(fā)電技術(shù),用余熱鍋爐的過(guò)熱蒸汽來(lái)推動(dòng)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電的最新成套技術(shù),其與火力發(fā)電相比,不需要消耗一次能源;不產(chǎn)生額外的廢氣、廢渣、粉塵和其它有害氣體;回收高溫?zé)煔庵杏杏媒饘?如鋅、銦等。

1 鋅冶煉余熱利用的生產(chǎn)工藝流程

1.1 鍋爐余熱的收集

來(lái)自鋅冶煉焦結(jié)車間的高溫?zé)煔?00～800℃經(jīng)過(guò)減溫器到達(dá)余熱鍋爐,爐腔內(nèi)穿過(guò)了數(shù)百根由高壓給水泵供水的蛇形水管,煙氣與布置在爐膛里的蛇形管內(nèi)水進(jìn)行強(qiáng)烈的輻射、對(duì)流換熱,將熱量傳給蛇形管內(nèi)水和過(guò)熱器的蒸汽,高壓給水經(jīng)熱交換后產(chǎn)生飽和蒸汽后,進(jìn)入余熱鍋爐收集。煙氣經(jīng)過(guò)熱交換后經(jīng)金屬回收、除塵器除去煙氣中的飛塵,其中經(jīng)過(guò)二次布袋室回收金屬粉塵鋅、銦等,再由引風(fēng)機(jī)經(jīng)煙囪高空排入大氣。鍋爐內(nèi)的蒸汽升溫、升壓后達(dá)汽輪機(jī)組所需溫度375℃、壓力達(dá)2.35 MPa、流量達(dá)14 t/h。多臺(tái)鍋爐的合格蒸汽全部送到新蒸汽母管上,再送往汽輪機(jī)組發(fā)電做功(如圖1所示)。

1.2 汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電

發(fā)電機(jī)組從新蒸汽母管上引取鍋爐產(chǎn)生了合格蒸汽,先經(jīng)電動(dòng)主蒸汽閥到達(dá)汽輪機(jī)自動(dòng)主汽門,蒸汽按一定的方向進(jìn)入汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子上的葉片,葉片強(qiáng)迫汽流改變運(yùn)行方向,產(chǎn)生蒸汽對(duì)葉片的作用力,推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)做功,將蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。使汽輪機(jī)達(dá)到額定的轉(zhuǎn)速5 660 r/min,經(jīng)變速齒輪箱將高動(dòng)能、低轉(zhuǎn)速的 2 880 r/min機(jī)械動(dòng)能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組,發(fā)電機(jī)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能,調(diào)節(jié)機(jī)端電壓、相位、頻率、初相角與工廠電網(wǎng)并網(wǎng)(如圖2所示)。

1.3 余熱發(fā)電的系統(tǒng)控制

系統(tǒng)控制采用集散式控制,所有的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)都連接到中控室主控站內(nèi),通過(guò)對(duì)各生產(chǎn)工藝流程數(shù)據(jù)的采集與系統(tǒng)分析,再由中控室發(fā)出控制指令,對(duì)生產(chǎn)中各種參與連鎖的設(shè)備進(jìn)行及時(shí)的調(diào)度與調(diào)整,達(dá)到生產(chǎn)中各流程處于最佳生產(chǎn)狀態(tài)(如圖3所示)。

圖1 余熱鍋爐系統(tǒng)圖

圖2 汽輪發(fā)電機(jī)主流流程

圖3 余熱發(fā)電系統(tǒng)控制

2 余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)施

2.1 余熱鍋爐

鍋爐是為回收焦結(jié)爐高溫?zé)煔庥酂岫O(shè)計(jì)的余熱鍋爐,流動(dòng)方向隧道式布置的單煙道鍋爐。余熱鍋爐的技術(shù)參數(shù)列于表1,鍋爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下:

1.鍋爐整體采用管箱式結(jié)構(gòu),自上而下有過(guò)熱器管箱、蒸發(fā)器管箱、省煤器管箱和凝結(jié)水加熱器管箱。這四只管箱通過(guò)型鋼將自身重量傳遞到鋼架的橫梁上。采用管箱式結(jié)構(gòu)可將鍋爐漏風(fēng)降至最低,減少鍋爐漏風(fēng)熱損失,提高鍋爐效率。

2.鍋爐采用箱體外保溫結(jié)構(gòu)。在外保溫外面裝設(shè)外護(hù)板,對(duì)保溫材料加以保護(hù),散熱損失不超過(guò)2%。

3.余熱鍋爐采用立式結(jié)構(gòu),煙氣自上而下通過(guò)過(guò)熱器、蒸發(fā)器、省煤器、凝結(jié)水加熱器,針對(duì)煙氣品位低,受熱面采用鰭片管強(qiáng)化傳熱。

4.鍋爐布置形式采用立式結(jié)構(gòu),立式布置的優(yōu)點(diǎn):占地面積小;煙氣流動(dòng)均勻,可避免出現(xiàn)煙氣走廊而導(dǎo)致傳熱效率降低和局部過(guò)速磨損。

5.鍋爐水循環(huán)方式為自然循環(huán)。

6.受熱面采用具有高擴(kuò)展受熱面的螺旋鰭片管來(lái)獲得最佳的傳熱效果和最低的煙氣阻力,使得鍋爐結(jié)構(gòu)變得非常緊湊,體積小,重量輕,節(jié)省鍋爐投資。

7.鍋爐管子水平布置,煙塵不易積在翅片上;鍋爐采用的小管徑受熱面,在同樣煙氣流速下,阻力較小;采用翅片管的鰭片節(jié)距大(t≥6.25),有利于清灰。

8.鍋爐密封性能好。

9.除氧器、低壓蒸發(fā)器以及低壓鍋筒一體化,節(jié)省投資和占地。

10.過(guò)熱器管受熱面省煤器全疏水設(shè)計(jì)。

11.凝結(jié)水加熱器采用雙集箱、螺旋翅片管受熱面結(jié)構(gòu),采用錯(cuò)列布置。

12.在蒸發(fā)管束和過(guò)熱器、蒸發(fā)管束和省煤器之間均留有檢修間隙,并裝有人孔便于觀察和停爐時(shí)清灰。

13.考慮到煙氣中含塵量,過(guò)熱器上部、蒸發(fā)管束中部及省煤器上部都預(yù)留吹灰孔,吹灰方式采用人工與爆破清灰相結(jié)合;鍋爐下部設(shè)置排灰、排污水裝置。

表1 余熱鍋爐(型號(hào):QC31/750-10-245/400兩臺(tái)套)

2.2 汽輪發(fā)電機(jī)組

表2為青島捷能汽輪機(jī)廠產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù),表3為四川東風(fēng)電機(jī)廠有限公司產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)。

表2 汽輪機(jī)組(青島捷能汽輪機(jī)廠型號(hào):N3-2.35 -3)

表3 發(fā)電機(jī)組(四川東風(fēng)電機(jī)廠有限公司型號(hào): QFB1-3-2A)

1.用于余熱利用的汽輪發(fā)電機(jī)的特點(diǎn):因煙氣參數(shù)不穩(wěn)定特性,選擇了進(jìn)汽參數(shù)范圍大的機(jī)組,以汽定電,出力帶負(fù)荷的能力可在較大范圍內(nèi)波動(dòng),發(fā)電機(jī)組能超過(guò)設(shè)計(jì)發(fā)電量的12%左右。

2.汽輪機(jī)帶有前壓調(diào)節(jié)裝置,當(dāng)機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí),以汽輪機(jī)的進(jìn)口壓力作為主要控制參數(shù),來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)組輸出功率以保證壓力基本穩(wěn)定,這種方式非常適應(yīng)煙氣余熱參數(shù)的變化,使整個(gè)系統(tǒng)有較高的適應(yīng)性和可靠性。

3.汽輪機(jī)調(diào)節(jié)為電液調(diào)節(jié):電調(diào)和液調(diào),電調(diào)主要靠電信號(hào)(模擬量轉(zhuǎn)換)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能,液調(diào)一般是通過(guò)液壓油(控制油路的通斷)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。

4.循環(huán)冷卻水在冷凝器對(duì)蒸汽做功后產(chǎn)生的尾汽冷凝成水,60℃的冷凝水通過(guò)熱井桶回收后打入余熱鍋爐給水系統(tǒng)后經(jīng)濟(jì)再循環(huán)利用,尾汽用于全廠生活、生產(chǎn)取暖所需。

2.3 系統(tǒng)控制

1.余熱鍋爐。汽輪機(jī)控制采用了浙江中控的J P-300XP集散控制系統(tǒng)。通過(guò)各種功能卡件和機(jī)柜搭建了一個(gè)完整的機(jī)組控制平臺(tái)。通過(guò)系統(tǒng)組態(tài),將余熱鍋爐系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)、油水風(fēng)系統(tǒng)以及機(jī)組保安系統(tǒng)進(jìn)行全方位的監(jiān)控、實(shí)時(shí)操作、保安聯(lián)鎖。組態(tài)結(jié)構(gòu)清晰,界面操作方便,有大容量、高吞吐量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和兩級(jí)分層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),提供了基于API接口的多種數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口,同時(shí)連接多達(dá)32個(gè)操作站、工程師站或多功能站。保證了系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

2.發(fā)電機(jī)組。廠區(qū)配電站管理采用了長(zhǎng)沙華能自控集團(tuán)的MTC4.5綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。主要對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)、配電站進(jìn)行監(jiān)控與操作。引入清華紫光的DMP300聯(lián)切保護(hù)系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組對(duì)廠供電的弧網(wǎng)運(yùn)行。電站管理系統(tǒng)分為各個(gè)硬件配電柜單元、數(shù)據(jù)采集與通訊單元、中心分析與管理、后臺(tái)監(jiān)控與操作。

3 投資與效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

鋅冶煉廠余熱發(fā)電總投資1 200萬(wàn)元。

1.項(xiàng)目工程經(jīng)濟(jì)分析和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與參數(shù)選擇:(1)設(shè)計(jì)3 000 kW的發(fā)電站,按每小時(shí)輸出功率2 800 kW計(jì)算(扣除自身用電損失7%);(2)年發(fā)電工作日:按8 000 h計(jì)(正常運(yùn)行11個(gè)月,留1個(gè)月搞檢修維護(hù));(3)每度電價(jià)按現(xiàn)行平均工業(yè)使用電價(jià):0.55元/kWh計(jì);(4)發(fā)電站年運(yùn)行管理費(fèi),按計(jì)劃38人,每人每年3.5萬(wàn)元計(jì),共133萬(wàn)元;(5)發(fā)電站機(jī)組設(shè)備折舊、維護(hù)維修、材料消耗,每年按總額的10%計(jì),共120萬(wàn)元;(6)工業(yè)凈循環(huán)水按1.3元/t,全年需補(bǔ)充新水145 000 t,合計(jì)費(fèi)用18.8萬(wàn)元;(7)軟水按6元/t計(jì)算,每小時(shí)需補(bǔ)充0.8 t,每年需產(chǎn)生費(fèi)用3.8萬(wàn)元。

2.項(xiàng)目工程年收益及投資回收期:

年純收益=電價(jià)(0.55元/kWh)年收入-所有成本費(fèi)用,即:

初期投資回收期:1年零6個(gè)月。

3.余熱鍋爐及布袋室回收金屬中有鋅、銦、金、銀等,經(jīng)二次提煉后同樣產(chǎn)生很高的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 社會(huì)效益及環(huán)境效益

從能源利用角度,原來(lái)生產(chǎn)線24%左右的熱能隨廢氣排放到大氣中,不僅造成能源的浪費(fèi),同時(shí)產(chǎn)生溫室效應(yīng),利用煙氣加熱鍋爐余熱發(fā)電,部分代替來(lái)自電網(wǎng)的以化石燃料為能源的供電量,從而起到減少溫室氣體排放效果,降低鋅冶煉能耗,促進(jìn)資源節(jié)約;降低產(chǎn)品單位價(jià)格,使企業(yè)更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),有利于企業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),減少由常規(guī)火電廠帶來(lái)的SO2、CO2、粉塵之類的大氣污染物,有助于改善當(dāng)?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu),提高能源安全。

建設(shè)余熱發(fā)電項(xiàng)目后,不僅節(jié)約能源而且減少排放。全年按8 000 h運(yùn)行,全年發(fā)電2 083萬(wàn)kWh計(jì)算,自身電力供應(yīng)可高達(dá)62%甚至更高(發(fā)電2 800 kWh,廠內(nèi)總電網(wǎng)為4 500 kWh),發(fā)電量相當(dāng)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤7 498 t(目前每度電折0.36 kg標(biāo)準(zhǔn)煤),同時(shí)也減少SO2排放164 t(SO2排放量約22 kg/t標(biāo)煤),減少CO2排放量5 023 t(每噸標(biāo)煤排放量0.67 t CO2)。

4 結(jié) 論

1.利用鋅冶煉廢氣余熱進(jìn)行發(fā)電,發(fā)電后產(chǎn)生的尾氣用于取暖、烘蒸等生產(chǎn)及生活所需。冷凝水也達(dá)到循環(huán)利用,最大程度地提高余熱綜合利用率。

2.整個(gè)發(fā)電工藝過(guò)程不需要任何燃料,對(duì)大氣環(huán)境不增加任何污染物的排放,而且還可以降低排汽溫度,減輕溫室效應(yīng)和降低熱污染,是節(jié)約能源、資源、降低企業(yè)成本極為有效的途徑,對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境有促進(jìn)作用,環(huán)保效益與節(jié)能效益顯著。

3.利用煙氣余熱進(jìn)行發(fā)電,在廠區(qū)直接并網(wǎng)利用,不僅可減緩電力供應(yīng)緊張的局面,而且是較低成本電力的補(bǔ)充,減少了對(duì)外部供電的依賴性,可為企業(yè)創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 胡蔭平.電站鍋爐手冊(cè)(精)[M].北京:中國(guó)電力出版社, 2005.

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[4] 程逢科,王毅剛,候清.中小型火力發(fā)電廠生產(chǎn)設(shè)備及運(yùn)行[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006.

[5] 涂光瑜.汽輪發(fā)電機(jī)及電氣設(shè)備/300MW發(fā)電機(jī)組叢書(shū)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007.

Discussion on Cogeneration Technology in Zinc Smelting

YAN Jian-min,BI Gang-zhi
(Hunan Hiskwangshan Twinking Star Co.,Ltd,Lengshuijiang417500,China)

The article introduces the zinc smelter waste heat generating unit project,which is exclusively innovated and designed by Hunan Hiskwangsha Twinking Star Co.,Ltd,and has already been put into use.Its essential function is:collecting and making use of the high-temperature fumes discharged by the production of zinc smelting,then creating the designated-standard steam in the boiler to drive the steam turbine generator sets.At last,it can make sure that the powered electricity could be interlinked with the grid power plant.In this article,its feasibility,the selection of the hardware components,the processof the whole technological production,technical conditions and the main technical and economic indicators about thisproject have been fully discussed.In addition,it has briefly analyzed the significant economic benefits that brought by the operation of 3MW turbine-generator unit.

zinc smelting;high-temperature fume;3MW turbine-generator unit

TF111.1

A

1003-5540(2011)01-0020-04

顏建民(1963-),男,工程師,主要從事電氣自動(dòng)化專業(yè)工作。

2010-08-25