文_阮云松 云南銅業(yè)股份有限公司西南銅業(yè)分公司

1 余熱資源利用背景

云南某銅冶煉廠余熱資源主要分布在“銅冶煉生產(chǎn)系統(tǒng)”和“冶煉煙氣制酸生產(chǎn)系統(tǒng)”中，如何實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)余熱資源統(tǒng)籌規(guī)劃，對蒸汽合理分級、綜合利用，是企業(yè)實現(xiàn)資源綜合利用應深入研究的課題。

1.1 銅冶煉工藝

PS 轉(zhuǎn)爐吹煉系統(tǒng)配置常壓式水冷煙道，高溫煙氣中的熱量通過換熱被循環(huán)冷卻水帶出系統(tǒng)，余熱資源未得到有效利用。根據(jù)企業(yè)未來發(fā)展規(guī)劃，將在轉(zhuǎn)爐吹煉系統(tǒng)及配套中壓余熱鍋爐高效回收高溫煙氣中的余熱資源。

1.2 冶煉煙氣制酸工藝

銅冶煉制酸工藝流程：采用“煙氣凈化洗滌”、“二轉(zhuǎn)二吸”的常壓接觸法制酸工藝。

1.2.1 凈化工序采用板式換熱器通過循環(huán)冷卻水換熱移走系統(tǒng)熱量

干吸工序采用管殼式陽極保護冷卻器通過冷卻循環(huán)水換熱移走系統(tǒng)熱量。以上兩個工序均為老系統(tǒng)，實施余熱利用升級改造難度較大、投資較高，暫不具備實施改造條件。

1.2.2 硫酸轉(zhuǎn)化工序采用了“3+1”，Ⅲ、Ⅰ-Ⅵ、Ⅱ轉(zhuǎn)化換熱流程

依據(jù)可行性研究報告，硫酸轉(zhuǎn)化工序一段出口煙氣量約為81000Nm3/h、煙氣溫度為580 ～610℃，可利用溫度范圍為70 ～100℃，該位置含塵量小、含水少、煙氣熱值高（表1），其煙氣參數(shù)穩(wěn)定、余熱資源豐富，余熱利用價值較高。

表1 硫酸轉(zhuǎn)化一段出口煙氣參數(shù)

理論計算，轉(zhuǎn)化一段出口煙氣溫度由580℃降至503℃，入口煙氣熱焓約為72400000kJ/h，出口熱焓約為62000000kJ/h，可利用余熱量約為10350000kJ/h。

1.3 確定余熱利用方案

根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)余熱資源利用現(xiàn)狀和余熱綜合利用可行性研究結果，結合投資測算、經(jīng)濟效益方面對“方案一采用飽和蒸汽發(fā)電方案”和“方案二采用過熱蒸汽發(fā)電方案”進行對比。其中，方案一采用飽和蒸汽發(fā)電技術涉及主系統(tǒng)改造內(nèi)容相對較多、投資相較大。方案二采用過熱蒸汽汽輪發(fā)電機組，雖然未在銅冶煉系統(tǒng)中運用過存在一定的風險，但從理論上來說過熱蒸汽汽輪發(fā)電機組已有成熟的設計、制造及運行經(jīng)驗，在正常進汽參數(shù)條件下可靠性較高；蒸汽輸送過程中蒸汽損失量相對較小。

經(jīng)綜合分析，過熱發(fā)電技術在底吹爐銅冶煉生產(chǎn)系統(tǒng)中具有設備成熟、可靠性高、投資省、余熱利用率高等優(yōu)點。根據(jù)銅冶煉生產(chǎn)系統(tǒng)工況和余熱資源分布作為余熱綜合綜合利用首選方案。

2 余熱利用概況

2.1 工藝流程

在硫酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化工序一段煙氣出口新增一套過熱器，利用硫酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化工序煙氣余熱過熱底吹爐余熱鍋爐所產(chǎn)4.2MPa、254℃飽和蒸汽轉(zhuǎn)化為3.82MPa、450℃過熱蒸汽，供到6MW 汽輪發(fā)電機組用于發(fā)電。高溫煙氣經(jīng)過熱器換熱后溫度降低至503℃左右。過熱蒸汽進入汽輪發(fā)電機組做功發(fā)電，蒸汽做功后轉(zhuǎn)化為冷凝水返回鍋爐系統(tǒng)除氧器再次利用。余熱鍋爐定期清焦期間因沒有蒸汽產(chǎn)出，為了適應熱負荷的變化可根據(jù)蓄熱器具有緩和系統(tǒng)高峰負荷和平衡連續(xù)不均勻負荷的功能，選擇最簡易的辦法裝設蓄熱器。為減少汽輪機組停機次數(shù)，配置了1 臺蓄熱量滿足2h 內(nèi)汽輪機低負荷運行的蓄熱器，可確保機組負荷維持在350kW 左右運行。

初步測算，達到設計要求后余熱發(fā)電站汽輪機汽耗率可達到4.80kg/kWh，比同規(guī)模飽和蒸汽發(fā)電機組汽耗率6.88kg/kWh 余熱利用系統(tǒng)綜合效率高。實現(xiàn)銅冶煉及制酸系統(tǒng)余熱資源綜合回收利用，使銅冶煉生產(chǎn)系統(tǒng)綜合能耗大幅降低。

2.2 主要設備配置

2.2.1 過熱器

硫酸轉(zhuǎn)化過熱器是過熱發(fā)電技術核心設備，硫酸過熱系統(tǒng)的過熱器分為高溫段和低溫段，高低溫段之間設有噴水減溫調(diào)節(jié)裝置。過熱器采用立式結構，總高度約3082mm，煙氣進出口尺寸與現(xiàn)有硫酸轉(zhuǎn)換一段出口煙管尺寸一致。

過熱器采用蘇州海陸重工股份有限公司產(chǎn)品，進出口集箱、蛇形管采用07Cr19Ni11Ti，翅片、外殼采用06Cr19Ni10，其余材質(zhì)選用符合國家相關規(guī)程規(guī)范要求，滿足過熱器安全運行及相關介質(zhì)要求。

2.2.2 蓄熱器

考慮底吹熔煉爐在清理鍋爐上升煙道結焦存在周期性停爐的特點，設計1 臺壓力4.2MPa，設計溫度260℃，有效容積為160m3的蓄熱器，以滿足汽輪機最低進汽負荷要求，確保汽輪發(fā)電機組和過熱器安全運行。

2.2.3 汽輪發(fā)電機組

綜合考慮公司未來5 年內(nèi)發(fā)展規(guī)劃，初步設計時裝機容量按照未來銅冶煉產(chǎn)能規(guī)模留有一定余量，滿足今后生產(chǎn)需要。

2.3 項目節(jié)能概況

該余熱綜合利用項目建設投產(chǎn)后，達產(chǎn)后年余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量可實現(xiàn)38900MWh，年外供電量36570MWh，根據(jù)云南省平均供電煤耗0.33kgce/kWh，按等價值計算年節(jié)約標準煤12068t。同時，回收凝結水每年可以節(jié)標準煤200.5t，除自用水（自用水46.8 萬t/a，折標準煤40.1t）外，項目年總節(jié)約標準煤12228t，節(jié)能減排效果明顯。

3 余熱利用系統(tǒng)運行情況

3.1 系統(tǒng)試生產(chǎn)情況

通過一年生產(chǎn)運行實踐證明，過熱蒸汽發(fā)電系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全可靠、操作簡便、各項技術指標達標，實現(xiàn)了銅冶煉系統(tǒng)和硫酸系統(tǒng)余熱資源綜合高效回收利用，是一個銅冶煉行業(yè)余熱利用經(jīng)典示范項目。

3.2 發(fā)電指標情況

該余熱發(fā)電系統(tǒng)設計規(guī)模按照企業(yè)未來發(fā)展規(guī)劃留有一定余量，從投產(chǎn)一年以來的生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，發(fā)電系統(tǒng)實際運行指標與設計指標存在一定差異，但仍優(yōu)于同類型飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)。

3.3 存在的問題及解決措施

問題一：投產(chǎn)初期真空度低影響發(fā)電效率。因射水抽汽系統(tǒng)水池容積小和流動性差，運行過程中水溫逐漸升高導致抽真空系統(tǒng)真空度降低，影響汽輪機效率。該問題已通過對抽汽系統(tǒng)中蓄水池和冷卻循環(huán)水系統(tǒng)改造已有效解決。

問題二：試生產(chǎn)期間過熱器發(fā)生泄漏影響硫酸制酸系統(tǒng)正常生產(chǎn)，以致發(fā)電系統(tǒng)被迫停機檢修。主要原因是過熱器設計時未充分考慮銅冶煉生產(chǎn)系統(tǒng)工況變化特殊性和內(nèi)部換熱管束自由膨脹余量。生產(chǎn)系統(tǒng)開停爐升壓太快或升壓期間壓力波動較大，使高溫段和低溫段換熱管束及受壓元件溫差瞬間超過50℃甚至更高，換熱管束在溫度大幅波動的情況下膨脹受阻產(chǎn)生交變應力超過材料的屈服極限造成變形和管束破裂。通過重新優(yōu)化設計、合理布置、優(yōu)化操作控制后泄漏隱患問題已有效解決。

問題三：受制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率和操作不規(guī)范影響，硫酸過熱器進口煙氣溫度存在一定波動，給硫酸轉(zhuǎn)化整體溫度控制帶來影響，需要兩個生產(chǎn)工序主控人員及時溝通調(diào)整溫度參數(shù)。

3.4 下一步規(guī)劃

在生產(chǎn)系統(tǒng)實施升級改造后，將轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐蒸汽并入飽和蒸汽管道用于發(fā)電，進汽量增加可有效提高汽輪機組效率。合理規(guī)劃新建硫酸預轉(zhuǎn)化系統(tǒng)過熱器。根據(jù)預轉(zhuǎn)化一層出口煙氣熱值，合理配置過熱器，可有效提高蒸汽利用率和發(fā)電量。

年度停爐檢修，有計劃性地對硫酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)觸媒進行篩分和更新，可提高硫酸轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化溫度穩(wěn)定性。解決制酸系統(tǒng)煙氣溫度、過熱蒸汽溫度波動大等問題。

開展余熱鍋爐受熱面清渣技術攻關和提高銅冶煉生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)率，提升蒸汽供應穩(wěn)定性，可有效提高汽輪機發(fā)電效率。

4 結語

實踐證明，銅冶煉生產(chǎn)系統(tǒng)余熱利用項目采用過熱發(fā)電技術是切實可行的，一方面提高了銅冶煉生產(chǎn)系統(tǒng)余熱資源綜合利用效率；另一方面降低了冶煉制酸生產(chǎn)系統(tǒng)能耗、生產(chǎn)成本，在銅冶煉行業(yè)中具有較好的推廣意義。