楊國(guó)年， 李 惠， 秦躍文

(廣西金川有色金屬有限公司， 廣西 防城港 538002)

0 引言

作為一種一體化大型粉磨設(shè)備，立磨具有較高的生產(chǎn)效率，可通過破碎和粉磨等方式將塊狀、或顆粒狀原料磨成生產(chǎn)中所要求的粉狀物料，并分級(jí)輸送至后續(xù)工序，故廣泛用于冶金、化工、水泥、選礦和電力等各個(gè)工業(yè)門類[1-2]。對(duì)銅冶金領(lǐng)域來說，立磨在磨碎銅锍原料過程中，需要通入大量高溫的空氣來完成物料的干燥以滿足后續(xù)冶煉工序的工藝要求[3-4]。通常銅冶金工業(yè)中采取熱風(fēng)爐來獲得高溫干燥空氣，以至于消耗了大量的天然氣，提高了生產(chǎn)成本。

查閱眾多文獻(xiàn)可知，雖然技術(shù)人員試圖通過優(yōu)化熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)[5]、更換熱風(fēng)爐燃料[6-7]和改進(jìn)熱風(fēng)爐的加熱方式[8]等途徑來提高熱風(fēng)爐的運(yùn)行能效，但其本質(zhì)上仍然需要燃燒足夠的燃料來獲得空氣中水分蒸發(fā)以及溫度提升所需要的熱值，故始終存在能耗消耗缺陷。而若能夠利用生產(chǎn)系統(tǒng)中富余的蒸汽替代天然氣來獲得干燥的熱風(fēng)，則可以大大提高系統(tǒng)的能效指標(biāo)[9]。目前利用富余蒸汽進(jìn)行節(jié)能改造的方式多見石化[10]和化工[11]行業(yè)，在銅冶金領(lǐng)域應(yīng)用的較少。本文以廣西金川有色金屬有限公司冶煉廠銅锍磨加熱系統(tǒng)為研究對(duì)象，介紹了利用富余蒸汽代替天然氣完成銅锍物料干燥的節(jié)能改造方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐，對(duì)于銅冶煉工業(yè)的節(jié)能生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 節(jié)能改造工藝設(shè)計(jì)

1.1 改造前工藝流程及主要參數(shù)

廣西金川有色金屬有限公司冶煉廠銅锍磨加熱系統(tǒng)是采用天然氣熱風(fēng)爐作為熱源對(duì)銅硫物料進(jìn)行加熱烘干。銅锍磨系統(tǒng)平均投料量約105 t/h，銅锍原料含水率約2%；經(jīng)熱風(fēng)干燥后，要求送入后續(xù)工序的銅锍含水率不高于0.05%。節(jié)能改造前，銅锍磨的原料加熱工藝流程如圖1所示，即將天然氣和助燃空氣通入熱風(fēng)爐進(jìn)行燃燒，加熱循環(huán)氣體，獲得溫度達(dá)115～120 ℃的熱風(fēng)用于干燥銅锍磨中的銅锍原料；氣體從銅锍磨排出后，經(jīng)沉塵室和布袋收塵器等工序后，小部分借助引風(fēng)機(jī)排放至尾氣煙囪，而大部分的氣體則返回?zé)犸L(fēng)爐用于循環(huán)加熱和干燥銅锍原料。

圖1 銅锍磨加熱工藝流程圖

2019年12月，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，改造前銅锍磨加熱系統(tǒng)的主要工藝運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 銅锍磨加熱系統(tǒng)的主要工藝運(yùn)行參數(shù)

由表1可知，天然氣單價(jià)按天然氣單價(jià)為2.4元/Nm3計(jì)算，銅锍磨加熱系統(tǒng)每年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為6 000 h，則年均燃料費(fèi)用為518.4萬(wàn)元。

1.2 節(jié)能改造工藝流程

經(jīng)過廠內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)勘察，銅锍磨加熱系統(tǒng)的相鄰工段常年存在富余的飽和蒸汽，飽和蒸汽壓力約0.6 MPa，流量約20 t/h，查《飽和蒸汽壓力溫度對(duì)照表》[12]可得該飽和蒸汽的溫度約為165 ℃，大大高于銅锍磨加熱系統(tǒng)所需的銅锍磨熱風(fēng)進(jìn)口溫度，故可以利用該富余的飽和蒸汽來加熱得到銅锍干燥用熱風(fēng)，設(shè)計(jì)的節(jié)能改造工藝流程如圖2所示。

圖2 節(jié)能改造工藝流程

在圖1所示的原工藝流程基礎(chǔ)上去除熱風(fēng)爐，通過蒸汽流量調(diào)節(jié)閥組引入0.6 MPa飽和蒸汽(一次蒸汽)進(jìn)入換熱器組中的前8臺(tái)換熱器與循環(huán)風(fēng)進(jìn)行熱交換，加熱循環(huán)風(fēng)后送入銅锍磨；熱交換后的一次蒸汽變?yōu)楦邏猴柡退⑺腿腴W蒸罐，閃蒸得到0.25 MPa的二次蒸汽并送入換熱器組中的后2臺(tái)換熱器，與循環(huán)風(fēng)進(jìn)行熱交換；最終，經(jīng)過梯次利用后的飽和蒸汽變?yōu)槔淠謩e經(jīng)閃蒸罐和后2臺(tái)換熱器流入集水罐，并經(jīng)電泵輸送回鍋爐。

2 節(jié)能改造方案計(jì)算與主要設(shè)備選型

2.1 方案總體計(jì)算

在圖2所示節(jié)能改造工藝流程的基礎(chǔ)上，確定節(jié)能改造方案達(dá)到的總體性能指標(biāo)為：

(1)通過換熱器組穩(wěn)定地?fù)Q熱，將35萬(wàn)Nm3/h的熱風(fēng)從85 ℃加熱至130 ℃；

(2)為保證一定的設(shè)計(jì)裕量，換熱器組最大換熱能力折合610 m3/h天然氣燃燒的熱值；

(3)0.6 MPa飽和蒸汽設(shè)計(jì)消耗量為12 t/h；

(4)熱風(fēng)通過換熱器的風(fēng)阻小于400 Pa，以滿足風(fēng)壓的需要。

實(shí)現(xiàn)以上總體性能指標(biāo)的關(guān)鍵在于系統(tǒng)的熱量衡算和換熱器組的設(shè)計(jì)選型。根據(jù)表1的檢測(cè)數(shù)據(jù)，改造前天然氣的消耗量為360 Nm3/h，按36 MJ/Nm3的天然氣熱值計(jì)算，天然氣燃燒放熱量為12 960 MJ/h。節(jié)能改造后，為了達(dá)到與改造前相當(dāng)?shù)膿Q熱量，則0.6 MPa飽和蒸汽的理論用量m的計(jì)算式為：

(1)

式(1)中E為系統(tǒng)所需總換熱量，取改造前熱風(fēng)爐中天然氣的燃燒放熱量12 960 MJ/h；h1為冷凝水經(jīng)閃蒸利用后的焓值(冷凝水溫度取130 ℃)，544.7 MJ/t；h2為原0.6 MPa飽和蒸汽的焓值(飽和蒸汽的干度取0.9)，2 558.7 MJ/t。

代入以上數(shù)據(jù)，計(jì)算得到飽和蒸汽的理論用量為6.4 t/h?？紤]到換熱器效率、裝置散熱和泄漏等因素，取節(jié)能改造方案換熱過程總效率為55%，則實(shí)際飽和蒸汽的理論用量為11.6 t/h，設(shè)計(jì)圓整至12 t/h。因此，經(jīng)計(jì)算校核，節(jié)能改造方案可以達(dá)到的總體熱力性能指標(biāo)。

2.2 換熱器選型

換熱器的設(shè)計(jì)選型經(jīng)咨詢換熱器制造廠商完成。最終換熱器選用10臺(tái)某型號(hào)翅片式換熱器形成換熱器組，換熱管材質(zhì)為304不銹鋼，翅片為采用整體電泳工藝的合金鋁片，邊框?yàn)殄冧\鋼板，其基本參數(shù)如表2所示。

表2 換熱器組基本結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)

2.3 泵選型

冷凝水泵選用某型號(hào)臥式鑄鋼離心泵，一用一備，其基本參數(shù)如表3所示。

表3 冷凝水泵基本參數(shù)

2.4 節(jié)能效益估算

本節(jié)能改造方案使用富余的0.6 MPa飽和蒸汽代替天然氣對(duì)銅锍磨加熱系統(tǒng)的循環(huán)熱風(fēng)進(jìn)行加熱，改造前的天然氣用量為360 Nm3/h，而改造后停止了天然氣的使用，故按年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)6 000 h計(jì)算，天然氣單價(jià)取2.4元/Nm3，則每年節(jié)約天然氣用量216萬(wàn)Nm3，折合燃料費(fèi)用518.4萬(wàn)元。

3 結(jié)語(yǔ)

2020年初，按照以上節(jié)能改造方案完成了施工建設(shè)，改造后系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，銅锍磨熱風(fēng)進(jìn)口溫度等技術(shù)參數(shù)不低于改造前的水平，項(xiàng)目的節(jié)能收益也符合預(yù)期估計(jì)。這說明利用富余蒸汽換熱代替熱風(fēng)爐天然氣燃燒來實(shí)現(xiàn)銅锍立磨熱風(fēng)系統(tǒng)的加熱是可行的，本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)踐對(duì)類似系統(tǒng)的節(jié)能改造具有較大的參考價(jià)值。