有色冶金烟气余热回收利用.pdf

V0 J ． 3 O N D ． 2 Ma r ． 2 01 1 冶金能源 E N ER GY F OR ME T A l J L U RG I C AL I NDU S RY 5 9 有色冶金烟气余热 回收利用 张健敏 于海 1 ． 洛阳栾川钼业集团冶炼有限责任公司， 2 ． 东北大学材料与冶金学院 摘要叙述了目前有色冶金行业的烟气余热现状和对其回收利用存在的问题，并提出 J『 对 烟气余热按质回收，温度对口的梯级利用原则。同时简要介绍了对于中低温烟气余热高效回 收利用的有机郎肯循环发电技术。 关键词有色冶金烟气余热梯级利用有机郎肯循环 W a s t e he a t r e c o v e r y a nd r e u s e o f n o n f e r r o u s me t a l l ur g y f l ue g a s Z h a n g J i a n mi n Yu Ha i 1 ． C h i n a M o l y b d e n u m S m e l t i n g C o ． ， L t d ．， 2 ．N o r t h e a s t e rn U n i v e r s i t y A b s t r a c t T h e s i t u a t i o n o f w a s t e h e a t o f n o nf e r r o u s m e t a l l e M i n d u s t r y a n d t h e p r o b l e m s o f i t s r e c o v e r y a n d r e u s e w ast e we r e p r e s e n t e d ． T h e n，t h e g r a d e r e c o v e r y p r i n c i p l e i n t h e t e r ms of q u a l i t y w ast e w as p r o p o s e d ．A l s o ，f o r mi d d l e a n d l o w t e mp e r a t u r e w ast e h e a t of n o n f e r r o u s me t a l l u r g i c a l i n d u s t r y t h e g e n e r a t i o n t e c h n o l o g y b ase d o n o r g a n i c r s n k i n e c y de W as b r i e fl y i n t r o d u c e d ． Ke y wo r d s n o nfe r r o u s me t a l l u r g y fl u e g a s w a s te h e a t g r a d e r e c o v e r y o r g a n i c r a n k i n e c y c l e 2 0 0 8年我国 l 0种常用有色金属总产量高达 2 5 2 0万 t ，连续七年稳居世界第一。但是有色行 业长期存在的高能耗问题仍然十分突出，单位产 品能耗比国际先进水平高 1 0 ％左右。在有色冶 金的能耗构成中，有效热只占了3 2 ％ ，另有 8 ％ 的热量随着炉墙等散失掉，其余的 6 0 ％都是有 色金属冶炼过程中的余热量。而在这些余热量中 烟气余热 占的比例高达 8 0 ％左右，由此可见， 回收有色冶金行业中的烟气余热对于降低有色冶 金工业能耗有着重要意义 。 1 烟气余热回收利用概况 1 ． 1 烟气余热 在有色冶金行业的烟气余热中，温度高于 I O 0 0 C 的高温烟余热占总烟气余热的5 2 ％，而 温度在 6 0 O一1 0 0 0 ℃之间的中温烟气余热 和温度 收稿13 期 2 0 1 01 01 1 张建敏 1 9 6 5 一 ， 高级经济师； 4 7 1 5 0 0 河南省洛阳市。 低于6 0 0 ℃的低温烟气余热分别占总烟气余热的 2 6 ％和 2 2 ％。表 1 [ 1 1 是部分有色冶金炉窑烟气的 温度和热效率。从表 1可以看出，有色冶金炉窑 的烟气带走的热量在总热量 中占相当大 的比重 ， 烟气的温度越高 ，带走的热量就越多，从而炉窑 的热效率也越低。因而尽可能最大限度地回收烟 气余热是提高炉窑热效率的必要措施。 另外， 由于大多数有色金属冶炼所用的原材 料都是硫化矿， 炉窑产生的烟气中含 S O 等腐蚀 性气体较多， 并且大部分的烟气温度很高 因此烟 气容易对换热设备造成高温或低温腐蚀。同时， 烟气中的含尘量大 ， 有些炉窑产生的烟气量随工 艺周期性变化， 这些烟气的特点都在很大程度上 影响着对有色冶金炉窑烟气余热的回收利用。 1 ． 2 回收现状 目前较为普遍的对有色炉窑的烟气余热进行 回收利用的方法有 1 在烟道安装余热锅炉 生产蒸汽； 2 利用余热发电； 3 利用烟气 余热预热空气或物料 ； 4 安装汽化水套生产 冶 金能源 60 ENERGY FOR ME TAL LURGI CAL I NDUS TRY V0 1 ． 3 O No ． 2 Ma r ． 2 Ol l 低压蒸汽或安装冷却水套产生热水等。随着人们 对有色炉窑的工艺和烟气特点的不断研究 ，很多 企业已经设计并应用了能适应炉窑烟气特性、充 分回收烟气余热的余热设备。例如 1 锌精 矿沸腾焙烧炉余热锅炉采用辐射大空腔结构 ，起 到沉灰和减小磨损的作用 ，并使烟尘迅速冷却到 6 5 0 ℃以下 ，解决了烟气 中含较多低熔点金属烟 尘微粒高温下极易粘结的问题 ； 2 烟化炉 与余热锅炉的一体化设计把烟化炉和余热锅炉有 机地结合在一起，既改善了烟化炉的吹炼状况和 余热锅炉技术操作条件 ， 又解决了在间断生产条 件下实现连续供汽的技术难题 ， 并实现烟化炉余 热的全 面回收 。除以上两例子之外，目前还 有很多有色冶金炉窑烟气余热回收设备的改进技 术 ，这些都为回收有色炉窑的烟气余热起到了重 要作用。 I ． 3 存在问题 目前大部分对有色炉窑的烟气余热回收都是 针对高温烟气而言的，而 由于技术和经济性的原 因，对于同样 占总烟气余热一半的中低温烟气余 热利用甚少。为此，对有色行业中的中低温烟气 余热回收利用的研究与应用需引起高度重视。另 外， 更值得一提的是在现有的高温烟气余热的回 收利用上，很多都只是简单的从能量守恒的数量 关系上考虑，而没有考虑热能的质量变化 ，即没 有考 虑 能 级 的 匹 配 问 题 】 。例 如，压 力 为 1 ． 3 M P a 的饱和蒸汽具有炯 值 1 0 0 5 k J ／ k g ，如果 将余热锅炉产生的此蒸汽降压到0 ． 3 M P a 来供热 用户采暖使用， 就会白白造成炯值损失 1 7 2 k J ／ k g ， 损失了约为原有炯 值的 1 7 ％。而闪速炉的 余热锅炉蒸汽压力往往在4 5 M P a以上，如果 同样直接减 压用于低压用户的话 ，炯 损失将更 大⋯。这样一来虽然实现了对烟气余热的回收 利用，但却将高品位的热能降低成了低品位的热 能来使用，造成了大量的高级能量烟值的损失。 由此可见，对于烟气余热回收问题不能仅从热效 率来考察其优劣 ，必须同样重视能量的质量贬值 问题 。 2 烟气余热回收的梯级利用 由上面的论述不难得知， 要充分合理地利用 有色炉窑的烟气余热， 就要根据烟气余热资源的 数量、 品质 温度 和用户要求 ， 遵循能级匹配 的 原则 ， 实现对其进行按质回收 ， 温度对口的梯级利 用 】 。一般情况下具体的梯级利用原则如下。 1 如果在生产工艺中有合适的热用户， 应优先考虑将烟气的余热回收利用于生产工艺过 程本身。这样，将烟气中的余热直接带回生产工 艺过程中，直接降低了生产工艺过程的能耗，比 通过转换装置来回收烟温的余热更为经济和有 效 。例如 ，在氧化铝生产 中的氢氧化铝流化态焙 烧工艺中，流态化焙烧炉产生的烟气温度在 1 0 0 0 ℃左右。为充分利用余热，让热烟气与氢氧 化铝物料逆向流动，利用热烟气余热干燥氢氧化 铝并进行预焙烧，从而充分回收了高温烟气余 热，大大降低焙烧的能耗。 2 对于高温烟气的余热应优先用于动力 回收，利用常规水蒸气郎肯循环进行发电， 将高 温烟气的中级能热能转换成高级能电能。这不仅 完成了对高温烟气余热的有效回收利用，也遵循 Vo 1 ． 3 O No ． 2 Ma L 2 01 1 冶金能源 E NE RGY F OR ME1 -AL L UR GI C AL I NDU S T RY 6 1 了能级匹配原则，实现了高品质热能的高品质利 用。例如，在铜冶炼过程中的闪速炉熔炼工艺 中，闪速炉的烟气温度可达 1 3 0 0 o C以上 ，可将 这部分烟气的余热利用余热锅炉生产出中压饱和 蒸汽送至蒸汽过热炉，将蒸汽加热成过热蒸汽， 产生的过热蒸汽用来推动汽轮机发电。这与把于 余热锅炉产生的蒸汽直接减压供给低用户使用相 比减少了大量炯 损失，从而对烟气余热能的回 收利用更具合理性。 3 在中温烟气和低温 烟气余热的利用上 ， 对于温度较高的中高温烟气仍然应优先应用于动 力回收发电。如 ，锌精矿酸化沸腾焙烧炉的烟气 温度在8 0 0 9 0 0 U之间， 可将其烟气的余热利用 余热锅炉生产蒸汽发电。而对于温度较低的中低 温烟气而言 ， 利用常规水蒸气郎肯循环发 电回收 烟气余热的热效率极低， 不具合理性。这部分的 烟气余热最好直接应用于生产工艺本身 ， 如加热 物料、 预热助燃 空气等。如得不到以上利用时再 考虑应用其冬季采暖 ， 夏季制冷等其他利用方式。 在如今有色冶金行业烟气的余热回收中，对 于中低温烟气余热的回收利用一直是一个薄弱环 节。为此，进一步研究对中低温烟气余热的回收 利用就显得极其重要和必要 ，而有色冶金中低温 烟气余热的高效有机郎肯循环发电技术 O R C 就是一个很具有发展潜质的研究方向。 3 中低温烟气余热的有机郎肯循环发 电技术 有机郎肯循环 Q r g a n i c R a n l e i n e C y c l e 发 电技术是用低沸点有机物代替常规水蒸气郎肯循 环中的水作为工质 ， 高压力的蒸汽来推动汽轮机发电 J 。由于低沸 点工质在较低温度下就能产生高压蒸汽，为此该 技术主要用于低温余热的回收利用上。对于 目前 没有得到很好利用的有色冶金烟气余热中的中低 温烟气余热来说 ，O R C技术是一个很好 的研究 内容和发展方向。图 1 为中低温烟气余热的有机 郎肯循环发电技术。 此过程为经加压泵加压 的低沸点有机工质 ， 在有机工质余热锅炉中被中低温烟气加热 ，所产 生的较高压力的蒸汽经透平发 电，发电后的低压 有机工质蒸汽在凝汽器中冷凝成液态有机工质 ， 经加压泵加压送回有机工质余热锅炉 ，行成一个 闭合循环回路。而低压有机工质蒸汽在凝汽器冷 凝放出的热量则由冷却塔和冷却水泵等组成的冷 却系统带走。 由于有色冶金行业的烟气中含有大量 S O 等 腐蚀性气体，从而使烟气的酸露点温度低。而低 温有机郎肯循环系统中的有机工质在运行工况下 的温度很低，导致受热面的温度也很低，通常会 低于烟气的露点温度。因而，对于利用有色冶金 中低温烟气余热的有机郎肯循环技术来说 ，受热 面的低温露点腐蚀是 一个有待解决的重要问题。 另外 ，不 同有机工质的选择和环境温度也都影响 着有机郎肯循环 的性能。总之，对于利用有色冶 金中低温烟气余热的有机郎肯技术还有待于更深 一 步的研究，如果此技术得到成熟的应用，必将 成为有色行业节能降耗的一个新的里程碑。 4 结语 余热资源占总余热 l 有机工质余热锅炉； 2 有机透平； 3 一发电机； 4 - 一 凝汽器；5 加压泵； 6 - 哺 液罐； 7 冷却泵； 8 冷却塔 图 1 申低温烟气余热的有机郎肯循环发电技术 下转第 6 4页 冶金能源 EN E RG Y F OR ME TA I 工IU RG I C A L I ND US T RY Vo 1 ． 3 O No ． 2 Ma r ． 2 01 1 2 ． 2 6号烧结环冷机一、二段测试数据热 【计 算 见表 5 表5 6号烧结环冷机实测数据和热工计算表 3 结论 目前二台环冷机的废气余热利用率较低， 仅 收集了环冷机一段和二段的一部分废气用于加热 热水 ，一部分用来作为烧结机燃烧煤气的助燃空 气，大量的高温废气则直接排向大气。另外，现 环冷机体保温较差， 表面温度较高，由于机体表 面积较大，致使散热量相当大。 综合上述测试、计算结果 ，从 5号和 6号二 台环冷机可收回的余热量为 2 6 2 3 2 7 M J ／ h ，具体 数据见表 6 。 表 6 5号、6号烧结环冷机可回收的余热量 冷却烧结矿的废气直接排掉 ，废气中的热量 全部浪费， 年价值损失超过百亿元，同时造成粉 尘污染和热污染。 万雷编辑 上接第 6 1页 资源的 8 0 ％左右 ，回收这部分余热对于有色行 业节能降耗有着重要意义。而在烟气余热回收利 用上，应避免目前的烟气余热回收存在的问题， 按照能级匹配原则 ，对其进行按质回收，温度对 口的梯级利用。对于当前没有被很好利用的中低 温烟气余热，要着力开发低温有机郎肯循环发电 技术，实现对有色烟气中低温烟气余热的更进一 步的高效利用。 参考文献 [ 1 ]王淑兰 ． 有色冶金炉窑烟气余热利用的现状与分析 [ J ] ．世界有色金属，1 9 9 5 ， 1 2 2 9 3 3 ． [ 2 】 肖建新 ．锌精矿沸腾焙烧余热锅炉特点及选择 [ J ] ．有色冶金节能，2 0 0 4 ，2 0 6 3 6 3 8 ． [ 3 ]徐毅， 王钊炎，张乐如．烟化炉 一 余热锅炉一体 化研制 [ J ] ． 有色冶金节能， 2 0 0 1 ， 4 l 8 2 0 ． [ 4 ]蔡九菊， 杜涛，陈春霞等 ．钢铁企业余热资源的 回收利用及关键技术研究 [ c ]／ ／2 0 0 7 中国钢铁年 会论文集 ． 成都中国金属学会，2 0 0 7 4 0 8- 4 1 6 ． [ 5 ]蔡九菊，王建军，陈春霞等 ．钢铁企业余热资源的 回收与利用 [ J ] ． 钢铁，2 O 0 r 7 ，4 2 6 1 - 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