魏烈旭

(長沙有色冶金設計研究院有限公司， 湖南 長沙 410000)

0 前言

重金屬渣料的顯著特征是含有價格較高的重金屬[1]。余熱鍋爐作為回收重金屬主工藝中的關鍵設備，不僅可以回收高溫煙氣中的二次能源，降低煙氣溫度，更重要的是回收貴重金屬，降低煙氣中的含塵量，保證工藝系統(tǒng)的通暢[2]，所以，其余熱鍋爐和余熱回收方案的設計尤為關鍵。含錫、銅為主的重金屬渣料處置的主工藝是通過加入硫鐵礦，進行錫的硫化揮發(fā)，使金屬錫進入煙塵；金屬銅在爐子熔池內以冰銅形式存在；金屬鐵和硅在爐子熔池內以爐渣的形式存在。根據(jù)不同金屬的不同特性，通過煙塵富集捕捉金屬錫，冰銅捕捉金屬銅，爐渣捕捉金屬鐵，實現(xiàn)金屬的分離和回收。本文以含錫、銅為主的重金屬工業(yè)固廢為例，針對其工藝特點，對涉及到的余熱回收關鍵技術進行設計。

1 余熱鍋爐設計

1.1 煙氣條件

余熱鍋爐入口煙氣參數(shù)見表1。

1.2 工作制度及設計參數(shù)

余熱鍋爐工作制度取決于重金屬工業(yè)固廢回收的工藝制度，根據(jù)工藝條件，全加熱料時每爐按2 h考慮，其中加料時間為15 min，吹熔煉時間為90 min，放渣時間為15 min。余熱鍋爐的設計參數(shù)見表2。

表1 余熱鍋爐入口煙氣參數(shù)表

表2 余熱鍋爐的設計參數(shù)

1.3 余熱鍋爐的設計特點

余熱鍋爐由汽包、上升煙道、煙氣冷卻室和對流管束、余熱鍋爐本體上附屬的清灰及除灰設備等組成。

1.3.1 汽包

1)汽包的規(guī)格。汽包規(guī)格為Φ1 460 mm×30 mm，鍋筒直段長度為11 000 mm，材料選擇Q245R。

2)汽包的布置。汽包兩端均布置橢圓帶人孔封頭，汽包內部設置汽水分離裝置，在汽包直段上布置下降管及上升管管接頭和水位計、主汽閥、安全閥、壓力表、排空閥和定期排污等管座。

1.3.2 上升煙道

余熱鍋爐上升煙道是整個余熱鍋爐的關鍵部位。

1)主要熱量來源。熔池對余熱鍋爐的輻射熱，SnS進入余熱鍋爐后與O2的反應熱，CO進入余熱鍋爐的反應熱，CuS進入余熱鍋爐后與O2的反應熱，煙氣和煙塵的顯熱以及漏風顯熱。

2)設計依據(jù)。上升煙道的高度設計對整個工藝流程的金屬回收率起著重要的作用，重金屬渣料的主要金屬是Sn，主要根據(jù)SnS的易揮發(fā)特點進行Sn的回收。但是SnS的熔點只有880 ℃，在高溫中容易熔化，會粘結在余熱鍋爐的水冷壁上，導致余熱鍋爐傳熱性能變差、爐壁結锍嚴重。所以必須在上升煙道內配入O2，使SnS發(fā)生氧化反應生成SnO和SO2，SnO的熔點高達1 630 ℃，不會形成熔融物粘接在水冷壁上，而是呈松散的煙塵狀態(tài)，同時SnO也是本工藝的主要產(chǎn)品。

3)直升煙道規(guī)格。直升煙道內腔尺寸為6 360 mm×2 060 mm×7 350 mm，水冷壁由Φ51 mm×5 mm的鋼管和厚度為6 mm的扁鋼構成，管子間距為100 mm，上升煙道整體懸吊在鍋爐頂架上。

1.3.3 煙氣冷卻室

余熱鍋爐煙氣冷卻室是整個余熱鍋爐回收SnO產(chǎn)品的裝置，其主要作用是煙塵回收和煙氣降溫。煙氣冷卻室由輻射室和對流室組成，煙塵主要通過輻射室來收集，降溫主要通過輻射室和對流室實現(xiàn)。輻射室采用高效彈性振打機解決余熱鍋爐內的煙塵粘結問題；對流室采用高效彈性振打機，結合爆破清灰裝置，解決余熱鍋爐內的煙塵粘結問題。同時在余熱鍋爐的水冷壁上設置打焦孔和觀察門，加強余熱鍋爐巡檢。煙氣冷卻室由2個輻射室、3個對流室和對流管束組成。第Ⅰ、Ⅱ輻射室水平斷面尺寸分別為4 960 mm×4 260 mm、3 260 mm×4 260 mm；第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ對流室的斷面尺寸分別為2 860 mm×4 260 mm、2 660 mm×4 260 mm、2 460 mm×4 260 mm；輻射室和對流室四周均由Φ51 mm×5 mm的鋼管和厚度為6 mm的扁鋼構成，管間距為100 mm。在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ對流室中布置有縱向間距為120 mm、橫向間距為300～400 mm的對流管束。煙氣冷卻室整體懸吊在鍋爐頂架上。

1.3.4 清灰及除灰設備

1)清灰方式。為保證鍋爐長期安全運行，采用合適的清灰方式清除受熱面上的積灰是保證余熱鍋爐有效運行的重要手段。本余熱鍋爐設計采用彈簧振打和爆破清灰組合清灰方式。上升煙道采用彈性振打清灰方式，在上升煙道前后墻上各布置2臺彈性振打機，左右側墻上各布置1臺彈性振打機。在上升煙道和煙氣冷卻室連接處過渡煙道的兩側各布置一個爆破清灰點，在煙氣冷卻室左右側墻上各布置18臺彈性振打機，在煙氣冷卻室每組對流管束的左右兩側各布置8個爆破點。

2)出灰方式。煙氣冷卻室下部布置6個出灰斗，前部高溫煙氣段的2個灰斗出灰采用出灰罐出灰，后面的4個灰斗采用刮板出灰機出灰。每個灰斗下部均配置2臺翻板式出灰閥，出灰閥與出灰機連接處配置非金屬膨脹節(jié)。

2 余熱利用

2.1 蒸汽利用方案的選擇

一般來說，爐窯煙氣余熱回收所產(chǎn)蒸汽的利用方案按其目的可分為供熱、發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)三種。針對本項目余熱鍋爐產(chǎn)汽波動大以及蒸汽量較小的特點，本項目采用熱電聯(lián)產(chǎn)方案，其核心設備為螺桿飽和蒸汽發(fā)電機組。與飽和蒸汽汽輪機組相比，螺桿飽和蒸汽發(fā)電機組的主要優(yōu)點為：

1)結構及原理不同于汽輪機，能適應飽和蒸汽、汽水兩相流體和熱水及高鹽熱流體等，不存在葉片水蝕問題。

2)當工質或負荷、余熱、余壓參數(shù)發(fā)生變化時也能維持穩(wěn)定的高效率，運轉依然平穩(wěn)、安全、可靠[3-4]。

3)操作簡單且維護方便，螺桿轉子粗大堅實，可長期不大修，小修簡單易行[5]，易損密封件壽命超過2年，運行維護費用低，無需專用技術人員。

4)系統(tǒng)安全穩(wěn)定、集成度高、占地小。

余熱鍋爐產(chǎn)汽波動大，設計考慮配設蒸汽蓄熱器來均衡余熱鍋爐產(chǎn)汽負荷的波動，盡可能提高單位蒸汽量的發(fā)電功率與發(fā)電機組的運行效率。蒸汽蓄熱器設計工作壓力為2.5 MPa，充汽壓力為2.4 MPa，放汽壓力為1.7 MPa，容積為150 m3。經(jīng)蓄熱器均化后，余熱鍋爐所產(chǎn)蒸汽曲線如圖1所示。

圖1 經(jīng)蓄熱器均化后的蒸汽曲線圖

2.2 蒸汽利用與發(fā)電方案工藝流程

余熱鍋爐所產(chǎn)壓力為2.6 MPa(絕對壓力，下同)的飽和蒸汽由中壓蒸汽管網(wǎng)送入蒸汽蓄熱器，進入蒸汽蓄熱器的蒸汽壓力約為2.5 MPa，經(jīng)蒸汽蓄熱器均化后的壓力為1.8 MPa的飽和蒸汽有兩條出路：一路作為差壓螺桿膨脹發(fā)電機組檢修維護時的旁路經(jīng)減壓后送分汽缸；另一路作為正常通路經(jīng)蒸汽管路送差壓、冷凝螺桿膨脹發(fā)電機組發(fā)電，經(jīng)蒸汽管路輸送后壓力為1.7 MPa的飽和蒸汽首先進差壓螺桿膨脹發(fā)電機組做功發(fā)電。差壓機組排出壓力為0.7 MPa的飽和蒸汽并送分汽缸，分汽缸輸出的壓力約為0.7 MPa的飽和蒸汽有兩個去向：一是送至廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)作為管網(wǎng)汽源之一；另一去向是送冷凝螺桿膨脹發(fā)電機組繼續(xù)做功發(fā)電并變成0.05 MPa、80 ℃的乏汽，乏汽經(jīng)冷凝水冷卻系統(tǒng)冷卻后變成70 ℃的冷凝水，冷凝水回收并送余熱鍋爐房除氧器，二級螺桿發(fā)電機組所發(fā)400 V、50 Hz電就近送入配電室并網(wǎng)，以供該配電室所屬用戶使用(即掛網(wǎng)不上外網(wǎng))。其工藝流程如圖2所示。

2.3 項目預期效益估算

在暫不考慮工程投資(包括蓄熱器)和運行費用以及蒸汽的波動等問題的前提下，按年工作330天、余熱鍋爐平均產(chǎn)汽22 t/h、電價0.6元/kWh，對該項目余熱利用部分系統(tǒng)在兩種作業(yè)模式下的經(jīng)濟效益進行估算。

1)作業(yè)模式一：余熱鍋爐所產(chǎn)蒸汽經(jīng)蓄熱器均化后全部發(fā)電并回收冷凝水。年凈發(fā)電(扣除余熱電站自用電后)約2 500萬kWh，年凈發(fā)電(扣除余熱電站自用電后)約1 780萬kWh，年回收冷凝水(不考慮損失)約174 240 t，年發(fā)電經(jīng)濟效益約1 068萬元，年發(fā)電量折標準煤約2 187 tce。

圖2 蒸汽利用與發(fā)電方案的工藝流程

2)作業(yè)模式二：余熱鍋爐所產(chǎn)蒸汽經(jīng)蓄熱器均化后送差壓機組發(fā)電，發(fā)電后0.7 MPa低壓蒸汽送廠區(qū)低壓蒸汽管網(wǎng)。則年供廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)低壓飽和蒸汽(不考慮損失))為174 240 t，凈發(fā)電功率(扣除余熱電站所配置設備功率后)約540 kW，年凈發(fā)電(扣除余熱電站自用電后)約430萬kWh，年發(fā)電經(jīng)濟效益約258萬元，年發(fā)電量折標準煤約576 tce。

3 結束語

本文介紹了重金屬回收工藝中余熱鍋爐及余熱利用的設計方案和項目預期產(chǎn)生的效益，但是對余熱鍋爐和螺桿發(fā)電機組的實際運行情況以及項目實際運行產(chǎn)生的經(jīng)濟效益未做說明，待項目投產(chǎn)運行后，作者會進一步對項目實際運行情況和實際產(chǎn)生經(jīng)濟效益進行詳細的數(shù)據(jù)分析，以便于項目更好地推廣和使用。