羅艷

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎，是經濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要保障。隨著國民經濟的日益增長，我國能源消耗量也在不斷增加，其中工業(yè)領域的能源消耗量占全國能源總消耗量約70%。工業(yè)余熱利用效率低、能源沒有得到充分綜合利用是造成單位GDP能耗高的重要原因[1]，為此國家正在積極研究如何更加充分、高效地進行能源利用，提高能源利用率，減少資源浪費和降低環(huán)境污染。

余熱回收及余熱利用是工業(yè)領域拓寬能源利用、減少污染物排放的重要途徑，擁有廣闊的前景。本文擬針對某銅冶煉廠利用余熱鍋爐回收工業(yè)煙氣余熱生產蒸汽的項目，設計了一套完整的蒸汽汽輪機發(fā)電系統，使余熱發(fā)電生產更平穩(wěn)，效率更高，最大化地提高該廠能源利用率，增加余熱發(fā)電項目的經濟效益。

1 廠區(qū)現狀介紹與分析

1.1 工業(yè)余熱簡介

工業(yè)余熱資源屬于二次資源，是一次能源或物料化學反應轉換后的產物，或是燃料燃燒過程中所發(fā)出的熱量在完成某一工藝過程后所剩余的熱量。這些余熱資源來源廣泛，溫度范圍廣，存在形式多樣，但仍有被利用的可能和價值[2]。

某冶煉廠的火法煉銅工藝采用了多種工業(yè)爐窯，其中閃速熔煉爐和閃速吹煉爐在作業(yè)過程中，鼓入富氧空氣，燃燒一定量的天然氣以及爐體中的銅精礦等各種物料在高溫下化學反應都能放出大量的熱量，這些熱量在保證煉銅工藝過程完成后，以高溫煙氣的形式排出爐體，這些高溫煙氣的余熱回收價值很高。在粗銅加入陽極精煉爐后，燃燒天然氣釋放熱量，保證粗銅通經過熔化，氧化還原等化學反應后，陽極精煉爐排出的高溫煙氣也有大量的余熱。

火法煉銅爐的煙氣在后續(xù)處理過程中，經過硫酸轉化工段的第一熱交換器（以下簡稱“一熱交”）和第四熱交換器（以下簡稱“四熱交”）的出口也有中溫反應熱放出，經過硫酸干吸工段的低溫余熱也能回收利用?；鸱掋~除了主工藝流程中存在工業(yè)余熱，在公共輔助系統中，工業(yè)余熱也不少，比如離心空壓機第三級壓縮后不設計后冷卻器，排出的壓縮空氣溫度高達100～140℃，這一余熱可以利用到后續(xù)壓縮空氣干燥系統中，采用余熱再生壓縮空氣干燥機，利用壓縮空氣的余熱再生吸附劑，能做到設備零電耗，再生零氣耗。

1.2 余熱回收裝置、工藝及設計參數

針對閃速熔煉爐和閃速吹煉爐排出的高溫煙氣，分別設置了1臺閃速熔煉爐余熱鍋爐和1臺閃速吹煉爐余熱鍋爐用于回收煙氣中的高溫余熱生產蒸汽。在后續(xù)的煙氣處理過程中，針對硫酸轉化工段的一熱交和四熱交出口的中溫反應熱，對應各設置1臺熱管余熱鍋爐回收煙氣中的余熱生產蒸汽。該冶煉廠有2套硫酸轉化系統，共設計4臺熱管余熱鍋爐。針對硫酸干吸工段中的低溫余熱設置了兩套低溫余熱回收裝置生產蒸汽。

閃速熔煉和吹煉爐余熱鍋爐根據入口的煙氣成分，計算煙氣露點，為有效減少或避免煙氣低溫腐蝕的影響，將余熱鍋爐的工作壓力定為5.0 MPa，產出飽和蒸汽。硫酸轉化余熱鍋爐入口煙氣工況較好，其設計參數主要取決于廠區(qū)蒸汽干燥機的用汽要求，蒸汽干燥的用汽壓力為1.3 MPa，因此，將4臺硫酸轉化余熱鍋爐的工作壓力定為1.6 MPa，產飽和蒸汽。硫酸干吸工段低溫余熱回收裝置產蒸汽供廠區(qū)低壓蒸汽用戶使用，低壓蒸汽用戶使用壓力大概在0.3～0.5 MPa之間，因此將干吸工段低溫余熱回收裝置工作壓力定為0.8 MPa，產飽和蒸汽。各余熱回收裝置設計參數見表1。

表1 各余熱回收裝置設計參數

該冶煉廠各種壓力等級的蒸汽平衡表見表2～表4。

表2 5.0 MPa高壓蒸汽平衡

表3 1.6 MPa中壓蒸汽平衡

表4 0.8 MPa低壓蒸汽平衡

2 余熱利用設計

2.1 余熱利用方案比選

該冶煉廠富余的蒸汽利用方案有3種：1）直接外售給周邊企業(yè)的蒸汽用戶，操作簡單、經濟效益高。但是該冶煉廠周邊沒有合適的企業(yè)用戶；2）選用廠區(qū)的幾個大功率設備，用蒸汽輪機拖動電機使用，但是該冶煉廠的富余蒸汽壓力等級多，蒸汽量大且存在一定的波動性，系統較復雜，很難匹配，且運行的穩(wěn)定性也難以保證；3）利用蒸汽發(fā)電為該冶煉廠余熱利用的較優(yōu)方案，其優(yōu)越性有以下：（1）適配性。該冶煉廠的蒸汽產汽及用汽均受煉銅工藝影響，負荷波動較大。汽輪機有良好的適配性，能適應負荷的波動，確保負荷在30%～100%變化的情況下仍然能夠穩(wěn)定發(fā)電。（2）穩(wěn)定性。該冶煉廠的蒸汽為飽和蒸汽，在飽和蒸汽進入汽輪機之前設置汽水分離裝置，汽輪機采用有效的級間自動疏水措施，降低蒸汽含水量，能確保汽輪機正常、安全運行。汽輪機軸封采用迷宮環(huán)式密封結構，能減少機組的檢修維護頻率，減少啟停次數。汽輪機采用軸承間結構，水平剖分多級設計，確保汽輪機運行穩(wěn)定。轉速一般不高于6 500轉/min，能保證汽輪機葉輪不受水蝕。汽輪機排汽濕度不過高，能確保汽輪機末級葉輪的安全性。（3）高效性。汽輪機采用合理的結構設計，提高蒸汽在氣缸中不同位置的焓值，提高汽輪機效率，能最大限度地提高用戶經濟收益。（4）操作靈活性。汽輪機能實現全自動控制及保護，啟停迅速。確保啟停機對機組沖擊小，操作靈活性強，對效率影響低。

2.2 余熱利用方案設計

1）5.0 MPa高壓蒸汽流程：高壓蒸汽直接全部用于余熱發(fā)電。兩臺閃速爐余熱鍋爐產生的5.0 MPa飽和蒸汽，全部送入高壓蒸汽管網。蒸汽經汽水分離器除水后，分別進入2臺相同型號的高壓抽凝汽輪發(fā)電機組進行發(fā)電。抽汽壓力設計為0.8 MPa，與廠區(qū)低壓蒸汽管網連通。

2）1.6 MPa中壓蒸汽流程：硫酸轉化工段4臺中壓熱管余熱鍋爐產生的1.6 MPa飽和蒸汽，供蒸汽干燥機使用后，多余的蒸汽通過減壓裝置降至0.8 MPa并入低壓蒸汽管網。

3）0.8 MPa低壓蒸汽流程：中壓蒸汽流程中富余的1.6 MPa蒸汽減壓后于硫酸干吸工段低溫余熱回收裝置產生的0.8 MPa飽和蒸汽與合并，同時與2臺高壓汽輪機的低壓抽汽管道連通。這些低壓蒸汽供廠區(qū)低壓蒸汽用戶使用后，多余的蒸汽進入低壓全凝汽輪發(fā)電機組發(fā)電。

蒸汽利用系統平衡詳見圖1。

圖1 蒸汽利用系統平衡

2.3 汽輪發(fā)電機組設備選型

1）高壓飽和蒸汽抽凝汽輪發(fā)電機組選型：設備臺數，2臺。額定進汽量Q=50 t/h，最大進汽量Qmax=54 t/h；進汽壓力P1=4.6～4.8 MPa，溫度T進=259～261℃；抽汽量Q=0～35 t/h；抽汽壓力P2=0.9 MPa，溫度T抽=145℃；排汽壓力P3=0.008～0.010 MPa；發(fā)電機功率N=9 000 kW。

2）低壓飽和蒸汽全凝汽輪發(fā)電機組選型：設備臺數，1臺。最大進汽量Q=50 t/h；進汽壓力P1=0.75～0.8 MPa，溫度T進=168～170℃；排汽壓力P2=0.008～0.01 MPa(絕壓)；發(fā)電機功率N=9 000 kW。

3 余熱回收及利用方案分析

該冶煉廠的余熱回收及利用方案的選擇與具體工藝生產密切相關，設計的前提是要保障工藝生產的正常運行。

3.1 余熱回收方案分析

余熱回收裝置的工作壓力不僅和煙氣工況有關，還和工藝生產中蒸汽用戶的使用壓力有關。本次方案設計根據工藝煙氣工況以及工藝生產中蒸汽用戶的使用情況，將余熱回收裝置的蒸汽工作壓力設計為高壓（5.0 MPa）、中壓（1.6 MPa）和低壓（0.8 MPa）3個等級，同時考慮到余熱回收裝置受工藝生產影響，運行存在不穩(wěn)定性，專門將各種不同壓力等級的蒸汽通過減壓串通，大大提高了工藝生產用汽的可靠性，保障了工藝生產的正常運行。

3.2 余熱利用方案分析

余熱利用采用汽輪機發(fā)電的方案，汽輪機發(fā)電是企業(yè)的主要副產品，能給企業(yè)帶來直接可觀的經濟效益。本次余熱利用方案有以下特點：

1）高壓汽輪發(fā)電機組選用2臺，且為相同型號，在實際運行過程當中，如果其中1臺汽輪機出現故障，另1臺仍能正常發(fā)電，保證了經濟效益，同時也減輕了汽輪發(fā)電機故障時，回收冷凝水的卸載冷凝器的壓力。

2）高壓汽輪發(fā)電機組采用抽凝機組，且抽汽壓力設計為0.8 MPa，并與廠區(qū)低壓蒸汽管網連通。這一設計的優(yōu)點是考慮到了在冬季生產時，廠區(qū)低壓蒸汽僅剩余10 t/h，很難帶動低壓汽輪機組發(fā)電，此時可從高壓汽輪發(fā)電機抽取部分低壓蒸汽，補充到低壓蒸汽管網，一并進入低壓汽輪機發(fā)電，避免了冬季低壓蒸汽不足以發(fā)電，只能放空，浪費熱能資源和水資源的情況。另外，高壓汽輪發(fā)電機組采用抽凝機組，在低壓余熱回收裝置故障時，也能保證低壓蒸汽用戶的正常用汽。

3）低壓汽輪發(fā)電機組額定進汽量設計為50 t/h，其發(fā)電量和高壓機組基本相近，選用同類型發(fā)電機設備，備品備件均相同，方便運行和管理。

4 節(jié)能效果分析

本次余熱回收及余熱發(fā)電方案設計生產能力為5.0 MPa高壓蒸汽111 t/h，1.6 MPa中壓蒸汽58 t/h，0.8 MPa低壓蒸汽84 t/h。按1 t蒸汽折合標煤約100 kg，年工作日330 d計算，可節(jié)省標煤200 376 t/a。按照1 t標煤折合2.66～2.72 t二氧化碳排放量計算，可減少二氧化碳排放量533 000～545 022 t/a，其節(jié)能減排效果明顯。

各種壓力等級的蒸汽滿足工廠生產使用需求后，進行發(fā)電，發(fā)電量約為1.15×108kWh/a。按照工業(yè)用電單價為0.7元/kWh計算，經濟效益可達0.805億元/a。

5 結語

目前，各企業(yè)的余熱回收利用及節(jié)能減排措施和效果受到了社會各界的高度重視。隨著技術的發(fā)展，鍋爐余熱的回收率與前些年相比已經提高了許多，余熱利用的方案也越來越合理，但節(jié)能減排的路還有很長。為了能更好地利用資源，更好地保護環(huán)境，業(yè)內人士還需更加地努力，研發(fā)更新、更好的技術和材料，能更有效地提高煙氣余熱回收的利用率，提高汽輪發(fā)電機組的發(fā)電效率，為節(jié)約能源、美化環(huán)境做出貢獻。