楊國強(qiáng) 閻新志 武海軍 朱曉磊 劉 艷

(1.赤峰白音華物流有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240；3.中國科學(xué)院綠色過程工程重點(diǎn)實驗室，中國科學(xué)院過程工程研究所，北京 100190)

在火法煉銅工藝中，熔煉和吹煉工序、制酸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化和干吸工序會產(chǎn)生大量煙氣余熱，約帶走反應(yīng)爐中40%～50%的熱量，若得不到充分回收利用，則會造成嚴(yán)重的能源浪費(fèi)[1-3]。如果采取有效的技術(shù)手段對這些煙氣余熱進(jìn)行回收與再利用，不僅可以節(jié)約資源，也能在一定程度上緩解企業(yè)能源供應(yīng)不足的矛盾，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此研究銅冶煉煙氣余熱回收和利用具有重要意義。銅冶煉煙氣具有產(chǎn)生量波動大、溫度高、具有腐蝕性(SO2含量7%～28%)、含多種有價金屬、含塵濃度高(50～100 g/m3)和污染范圍大等特點(diǎn)[4]。目前，銅冶煉企業(yè)的高溫?zé)煔庥酂峄厥沾蠖疾捎糜酂徨仩t制備高溫蒸汽的形式，蒸汽作為熱載體可用作供熱、發(fā)電、生活等，由于煙氣波動大造成產(chǎn)生蒸汽質(zhì)量低、余熱利用率不高，僅達(dá)到總煙氣熱量的30%[5-7]。由于稀氧燃燒技術(shù)在陽極爐工藝中的應(yīng)用，冶煉爐產(chǎn)出的煙氣量大幅度減少，但煙氣溫度依然很高，大型余熱鍋爐已不再適用，亟待高質(zhì)高效利用技術(shù)。

熔鹽儲熱具有溫度高、傳熱性能好、比熱容大等優(yōu)點(diǎn)，在太陽能光熱發(fā)電領(lǐng)域和電網(wǎng)智能調(diào)控領(lǐng)域已有非常成熟的應(yīng)用，目前為大規(guī)模中高溫傳熱儲熱技術(shù)的首選[8-10]。本文采用煙氣-熔鹽儲換熱系統(tǒng)回收銅冶煉高溫?zé)煔庥酂幔瑢囟群土髁看蠓炔▌拥母邷責(zé)煔鉄崃哭D(zhuǎn)化為溫度恒定的熔融態(tài)熔鹽的顯熱，可以保持高溫余熱的高品質(zhì)熱能優(yōu)勢，降低高溫?zé)煹罁Q熱器設(shè)計難度和成本，采用高參數(shù)蒸汽發(fā)電，可以大幅度提高發(fā)電量，有利于降低企業(yè)的用電成本，有利于冶煉企業(yè)降本增效。

1 銅冶煉煙氣-熔鹽儲換熱余熱回收技術(shù)

圖1為銅冶煉煙氣-熔鹽儲換熱余熱回收技術(shù)流程圖。針對煙氣波動大、未能有效余熱利用的工段，采用熔鹽儲換熱系統(tǒng)直接對接工藝煙氣出口，先進(jìn)行重力除塵、電除塵，再將高溫?zé)煔庖肴埯}-煙氣換熱器。換熱后煙氣再進(jìn)行低溫余熱利用，布袋除塵后進(jìn)入制酸系統(tǒng)。被加熱的熔鹽流入高溫熔鹽儲罐儲存，再經(jīng)熔鹽泵進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，通過平衡煙氣和熔鹽的流量，使得蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生平穩(wěn)且高質(zhì)量的過飽和蒸汽，冷卻后的熔鹽進(jìn)入冷儲罐中保溫儲存。飽和蒸汽進(jìn)入工廠蒸汽管道加以利用，或引入汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電供電解或其他工段用電。煙氣的余熱利用率可達(dá)90%以上，且針對煙氣波動大、煙塵大的煙氣具有極強(qiáng)的適應(yīng)性。

圖1 銅冶煉煙氣-熔鹽儲換熱余熱回收技術(shù)流程Fig.1 Technical flow of waste heat recovery from copper smelting flue gas and molten salt storage

2 銅冶煉煙氣-熔鹽儲換熱余熱回收系統(tǒng)分析

2.1 余熱回收系統(tǒng)工藝參數(shù)

以某銅冶煉廠的煙氣參數(shù)為依據(jù)，設(shè)定煙氣進(jìn)出口溫度、熔鹽進(jìn)出口溫度熱損失為常數(shù)。熔鹽進(jìn)出口溫度分別為290 ℃和565 ℃，煙氣進(jìn)出口溫度分別1 250 ℃和300 ℃。該銅冶煉廠采用自主開發(fā)的雙爐側(cè)頂吹粗銅連續(xù)吹煉的新工藝，該工藝將粗銅吹煉所必須經(jīng)過的造渣期和造銅期分開到兩個吹煉空間，分先后次序連續(xù)進(jìn)行，熔煉爐、造渣爐、造銅爐采用負(fù)壓操作，確?？刂埔睙挓煔狻煔饨?jīng)過余熱回收降溫、除塵后進(jìn)入制酸系統(tǒng)。熔煉爐采用一種改進(jìn)的雙側(cè)吹熔煉爐爐型，爐膛面積25.5 m2，熔池分為銅锍排放區(qū)、熔煉區(qū)、爐渣貧化區(qū)，最大處理料量58 ～ 60 t/h，實際處理量25.43 t/h冰銅，產(chǎn)生的煙塵率在1.5%～2%，煙塵中銅含量4.35 kg/t，冶煉煙氣SO2含量16.7%(體積分?jǐn)?shù))。一套連續(xù)吹煉爐可代替3臺轉(zhuǎn)爐，煙氣連續(xù)、穩(wěn)定、溫度高、余熱回收利用效果好。該爐產(chǎn)生煙氣的化學(xué)組成見表1，煙塵的平均比熱容按照1.0 kJ/(kg·K)計算。

表1 銅冶煉吹煉爐煙氣的化學(xué)組成

2.2 熔鹽與煙氣熱量-物料衡算

熔鹽和煙氣都是連續(xù)進(jìn)出料，所以可以實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)換熱，其換熱功率及熱量守恒公式如式(1)和式(2)，可計算獲得氣體出口溫度和冷卻氣體流量，并建立氣體出口溫度和氣體流量的關(guān)系。

Q=wslagcp，s(Ts-in-Ts-out)=

Vgρgcp，g(Tg-out-Tg-in)

(1)

Qg，in+Qs，in=Qg，out+Qs，out+Qloss

(2)

式中：Qg，in為煙氣帶入的顯熱，J；Qs，in為熔鹽帶入的顯熱，J；Qg，out為煙氣帶走的顯熱，J；Qs，out為熔鹽帶走的顯熱，J；Qloss為熱損失，J。

(3)

(4)

(5)

(6)

Qloss=Qin(1-η)

(7)

式中：xi為煙氣各組分體積分?jǐn)?shù)；yj為熔鹽各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Cim為氣體各組分摩爾定壓熱容，J/(mol·K)；Cjm為熔鹽各組分摩爾定壓熱容，J/(mol·K)；Vg，in為煙氣體積，m3；ws，in為熔鹽質(zhì)量，g；Vg，out為出口煙氣體積，m3；ws，out為熔鹽出口質(zhì)量，g；Mj為熔鹽各組分摩爾質(zhì)量，g/mol；Tg，in為煙氣進(jìn)口溫度，K；Ts，in為熔鹽進(jìn)口溫度，K；Tg，out為煙氣出口溫度，K；Ts，out為熔鹽出口溫度，K；η為總熱利用率，%。

表2為計算得到的熔鹽與煙氣熱量-物料平衡數(shù)據(jù)。根據(jù)計算結(jié)果，儲熱時長10 h的熔鹽系統(tǒng)，需要熔鹽儲量512 t，還包括冷熱儲罐、泵、流量計、鋼材、換熱器、保溫材料、熱成像儀等，總計造價約925萬元。傳統(tǒng)余熱回收利用主要是通過汽化余熱鍋爐回收熱能，采用蒸汽儲熱器存儲熱能，利用低品質(zhì)飽和蒸汽發(fā)電實現(xiàn)余熱的回收和利用，而高溫?zé)崮芾寐什桓?，存在較大的能源浪費(fèi)。經(jīng)過對比，儲熱時長10 h的熔鹽系統(tǒng)相比原余熱鍋爐系統(tǒng)發(fā)電效益，采用分時計價可獲得更高價值，投資回收年限為5.7a，具體數(shù)據(jù)見表3。

表2 熔鹽與煙氣熱量-物料平衡表

表3 熔鹽儲能余熱回收與煙氣余熱直接回收發(fā)電對比

3 熔鹽儲換熱回收煙氣余熱參數(shù)變化規(guī)律

3.1 煙氣溫度對余熱回收系統(tǒng)的影響

銅冶煉過程中，不同階段的冶煉爐所排出的煙氣溫度從800 ℃到1 300 ℃各有不同，煙氣回收過程的熔鹽用量和回收熱的發(fā)電量以及產(chǎn)生的效益隨著煙氣溫度的變化也會有所不同。圖2是回收不同溫度煙氣的熔鹽用量、蒸汽產(chǎn)量。圖3是不同溫度煙氣的發(fā)電量以及峰平谷產(chǎn)生的效益。

圖2 煙氣溫度對熔鹽用量和蒸汽產(chǎn)量的影響Fig.2 Effects of flue gas temperature on molten salt consumption and steam production

圖3 煙氣溫度對發(fā)電量及發(fā)電效益的影響Fig.3 Effects of flue gas temperature on power generation and power efficiency

由圖2和圖3可知，隨著煙氣溫度升高，回收系統(tǒng)熔鹽用量、蒸汽產(chǎn)量以及發(fā)電量等隨之升高。由于熔鹽儲能過程會有部分熱量的損失，因此采用熔鹽儲能-煙氣余熱回收系統(tǒng)所產(chǎn)生的電量及一般收益要低于煙氣直接進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生的電量和收益，但是，熔鹽儲存的熱量根據(jù)峰平谷情況進(jìn)行發(fā)電產(chǎn)生的效益遠(yuǎn)高于煙氣余熱鍋爐直接余熱回收。

3.2 SO2含量對余熱回收系統(tǒng)的影響

銅冶煉煙氣中含有一定量的SO2氣體，圖4和圖5分別為煙氣中SO2含量對熔鹽用量、蒸汽產(chǎn)量的影響和SO2含量對發(fā)電量以及峰平谷產(chǎn)生效益的影響。

圖4 SO2含量對熔鹽用量和蒸汽產(chǎn)量的影響Fig.4 Effects of SO2 content on molten salt consumption and steam production

圖5 SO2含量對發(fā)電量及發(fā)電效益的影響Fig.5 Effects of SO2 content on power generation and power efficiency

由圖4可知，隨著SO2含量的增加，熔鹽用量、蒸汽產(chǎn)量以及發(fā)電量等均升高。由圖5可知，采用熔鹽儲能-煙氣余熱回收系統(tǒng)所產(chǎn)生的一般收益低于煙氣直接進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生的收益，但采用峰平谷定電價，所產(chǎn)生的效益高于煙氣余熱鍋爐直接余熱回收，但是，SO2含量的影響程度低于煙氣溫度的影響程度。

3.3 煙氣流量對余熱回收系統(tǒng)的影響

圖6和圖7分別為煙氣流量對熔鹽用量、蒸汽產(chǎn)量的影響和煙氣流量對發(fā)電量以及峰平谷產(chǎn)生收益的影響。

圖6 煙氣流量對熔鹽用量和蒸汽產(chǎn)量的影響Fig.6 Effects of flue gas flow on molten salt consumption and steam production

圖7 煙氣流量對發(fā)電量及發(fā)電效益的影響Fig.7 Effects of flue gas flow on power generation and power efficiency

由圖6～7可知，煙氣流量對熔鹽流量、蒸汽產(chǎn)量、發(fā)電量的影響遠(yuǎn)大于溫度和SO2含量的影響，隨著煙氣流量的增加，熔鹽流量、蒸汽產(chǎn)量和發(fā)電量增長幅度較大，并且分段電價下的發(fā)電效益對煙氣直接余熱回收的優(yōu)勢逐漸增加。

4 結(jié)論

1)儲熱10 h的熔鹽儲熱系統(tǒng)固定投資約925萬元，以熔鹽儲換熱系統(tǒng)替代余熱鍋爐，資本回收年限約為5.7a。

2)煙氣余熱利用以發(fā)電為例，峰平谷電價時，熔鹽儲換熱系統(tǒng)發(fā)電效益優(yōu)于余熱鍋爐，且適應(yīng)煙氣波動、減小耗電工藝對電網(wǎng)沖擊負(fù)荷。

3)隨著煙氣溫度、流量、SO2含量的增加，系統(tǒng)熔鹽流量、蒸汽產(chǎn)量以及發(fā)電量呈正相關(guān)。

4)基于銅冶煉企業(yè)大量高溫?zé)煔夂陀酂岚l(fā)電機(jī)組現(xiàn)狀，采用熔鹽儲熱方案，結(jié)合分時電價、電力交易等協(xié)同控制技術(shù)，可大幅度提高自發(fā)電效益，強(qiáng)化能源系統(tǒng)可調(diào)節(jié)能力，使其具備承擔(dān)削峰填谷，促進(jìn)新能源消納等重要調(diào)峰功能，解決大規(guī)?？稍偕茉匆雽?dǎo)致的區(qū)域源荷不匹配等問題，增強(qiáng)源網(wǎng)荷互動能力，平衡區(qū)域用能，全面優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)并提升能源利用價值。