某石煤资源综合利用示范工程节能分析.pdf

1 0 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年6 期 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．0 6 ．0 0 3 某石煤资源综合利用示范工程节能分析 李有刚1 ，周晓源1 ，袁宁卫2 ，陈文勇3 1 ．长沙有色冶金设计研究院，长沙4 1 0 0 1 1 ；2 ．江苏庆峰工程集团，江苏扬州2 2 5 1 1 5 ； 3 ．长沙矿冶研究院，长沙4 1 0 0 1 2 摘要分析某石煤资源综合利用项目节能效果。结果表明，开发低品位石煤钒矿资源，在综合利用碳、 钒、硫、硅多种元素资源的同时，还可以实现节约能源。 关键词冶金技术；石煤提钒；资源综合利用；节能 中图分类号T F 8 4 1 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 【2 0 1 1 0 6 0 0 1 0 0 4 E n e r g yC o n s e r v a t i o nA n a l y s i so fS t o n e c o a lR e s o u r c eU t i l i z a t i o n L IY o u g a n 9 1 ，Z H O UX i a o y u a n l ，Y U A NN i n g w e i 2 ，C H E NW e n y o n 9 3 1 ．C h a n g s h aE n g i n e e r i n ga n d R e s e a r c hI n s t i t u t ef o rN o n f e r r o u sM e t a l l u r g i c a lI n d u s t r i e s ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 I ，C h i n a ； 2 ．J i a n g s uQ i n g f e n gE n g i n e e r i n gC o ．，Y a n g z h o u2 2 51 15 ，J i a n g s u ，C h i n a ； 3 ．C h a n g s h aR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga r t dM e t a l l u r g y ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee n e r g yc o n s e r v a t i o ni nt h ep r o j e c to fs t o n e c o a lresourceu t i l i z a t i o narea n a l y z e d ．T h er e s u l t s s h o wt h a tt h ee x p l o i t a t i o no ft h es t o n e c o a lc o n t a i n i n gv a n a d i u mcanb o t ha c h i e v et h er e c o v e r yo fe l e m e n t s s u c ha sC ，V ，S ，S i ，a n de n e r g yc o n s e r v a t i o n ． K e yw o r d s m e t a l lu r g i c a lt e c h n o l o g y ；v a n a d i u me x t r a c t i o nf r o ms t o n e c o a l ；r e s o u r c eu t i l i z a t i o n ；e n e r g y c o n s e r v a t i o n 某石煤综合利用项目由采矿、C F B 炉焙烧、湿 法提钒、灰渣处理、热力回收发电、烟气治理回收硫 六部分组成，涉及到煤炭、有色冶金、电力、化工、建 材五个领域。以露天采矿为基础，以循环流化床焙 烧炉为核心，对焙烧产出的细烟灰采用湿法提钒，对 焙烧产出的热力进行发电，对焙烧产出的烟气在治 理过程中制酸，并回用于项目自身的提钒过程，对焙 烧产出的粗烟灰和底渣生产建材和回填复垦，使原 料中的碳、钒、硫、硅都得到利用。该项目具有典型 的循环经济特征，也是一项开发和节约能源的工程。 就其开发和节约能源的特点进行分析，从理论上探 讨低品位低发热值石煤钒矿的有效开发利用。 1 项目的工艺特点 项目所使用的原料含V 0 。为0 ．4 5 ％，含碳为 1 4 ．8 ％，属于低品位低发热值的石煤钒矿。通常这 类矿藏由于其含钒量低不能作为生产五氧化二钒的 原料，同时因为其发热值低也不宜用来发电，长期得 不到有效的开发利用。对此，相关企业针对这类石 煤钒矿进行科技攻关，摸索出一套石煤综合利用工 艺技术方案，即石煤钒矿大规模开采、C F B 循环流 化床流态化焙烧、焙烧所产飞灰用于提钒、所产热能 用于发电、所产烟气脱硫制酸回用于提钒、所产灰渣 加以利用的资源综合利用创新工艺。项目原则流程 如图1 所示。 由于项目符合国家关于资源综合利用、节能降 作者简介李有刚 1 9 7 6 ，男，甘肃武威市人，工程师，博士生，主要从事有色金属冶炼设计与管理等方面的工作。 联系人周晓源 1 9 5 2 - - ，男，湖南长沙市人，教授级高级工程师，主要从事有色金属冶炼设计与研究等方面的工作。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年6 期 耗和环境保护的政策要求，对于大规模开发利用我 国丰富的石煤资源，尤其是劣质石煤资源具有重大 的示范效应与推广价值，将被列入湖南省“十二五规 划”的重点项目之一。 2石煤焙烧过程的节能 从图1 可以看到，C F B 循环流化床流态化焙烧工 序处于整个工艺流程的核心位置，同时它也是项目开 发能源的主要点。根据石煤钒矿的特性，焙烧入炉料 的配料比为石煤掺烧煤脱硫剂一7 5 2 0 5 。石 煤、掺烧煤和脱硫剂的主要化学成分见表l [ 1 | 。配 入掺烧煤是为了保证锅炉稳定运行，配入脱硫剂是 保证排放烟气经处理后达标。所用的石煤含碳 1 4 ．8 ％，发热值为5 0 0 0 k J ／k g ，掺烧煤含碳6 1 ．6 2 ％， 发热值为2 3 5 0 0 k J ／k g 。设计每天经循环流态化锅 炉焙烧的石煤为1 0 8 4 0 t ，掺烧煤2 8 9 0 t ，焙烧过程产 生大量高温烟气，高温烟气的热能经转化用于发电。 表1 焙烧入出炉物料主要成分 T a b l e1R a wm a t e r i a lc o m p o s i t i o nf o rr o a s t i n g ／％ 细灰0 ．7 0 出炉粗灰0 ．4 9 底渣0 ．4 3 在我国现有的火力发电企业中，为了保证发电 锅炉的稳定运行，一般要求进入发电锅炉的燃料发 热值不小于2 0 0 0 0 k J ／k g ，所用发热值为5 0 0 0 k J ／k g 的石煤在一般情况下是不允许作为发电锅炉的燃料 来使用的。为了验证所用石煤的使用价值，先后到 相关企业进行多次试验1 M W t h C F B 半工业试验台 试验；2 1 0 M W C F B 锅炉机组试验；4 0 t ／h 循环流化 床锅炉试验。试验研究结果表明，在8 6 0 ～9 1 0 ℃内 石煤钒矿 含2 0 ％左右掺烧煤 能稳定燃烧，五氧化 二钒能有效富集，采用外置换热器可调节焙烧温度 和物料焙烧时间，从而能保证石煤焙烧过程的时间、 温度和气氛，因此确定循环流化床锅炉 C F B 作为 焙烧炉，焙烧掺搭2 0 ％左右无烟煤的石煤钒矿。 占坠际占塑坠- 周瓣 输煤系统冲洗、除尘 ，} H 煤场喷水油罐 至 渣 堆 场 或 采 空 回 填 加气混凝土砌块水泥掺合料 堆场降尘 图1 原则流程 F i g ．1 S c h e m eo ft e c h n o l o g i c a lf l o w s h e e t 万方数据 1 2 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年6 期 以每天焙烧1 0 8 4 0 t 石煤计，发热量为 5 4 2 0 0 M J ／d ，按发热值来折算所使用发热值为 2 3 5 0 0 k J ／k g 的掺烧煤的量是2 3 0 6 t 。也就是说原本 不宜用来发电的石煤可以得到开发利用，具体价值 是用它取代了常规的发电原煤约2 0 0 0 t ／d ，若发电 锅炉按3 0 0 d ／a 运行计算，则是节约6 0 0 0 0 0 t 常规发 电原煤。 若发电机组年工作5 5 0 0 h ，发电量为3 0 0 M W h ， 若上网电价按0 ．4 4 元计，产值为7 2 6 0 0 万元，在这 个项目中起着举足轻重的作用。掺烧煤配比2 0 ％， 价格4 0 0 元／t ，石煤配比7 5 ％，价格2 0 元／t ，可以推 算出入炉料中石煤的热值的比例是4 4 ．3 8 ％，而其 价格则只占1 5 ．7 9 ％。掺烧煤的热值的比例是 5 5 ．6 2 ％，而其价格则占到了8 4 ．2 1 ％。由此可见， 在低钒品位低发热值石煤开发利用过程中，石煤中 碳含量低，发热值也低，但是其利用价值不容忽视。 3湿法提钒过程的节能 采用常规的湿法提钒工艺，主要特点是提钒原 料是经过几段富集后的焙烧细烟灰，主要化学成分 见表1 。目前普遍认为湿法提钒的原料含钒品位应 在0 ．7 ％左右才会有经济价值，对于低品位的提钒 原料来说就要求其进行富集。在石煤焙烧过程中， 由于石煤和掺烧煤所含挥发物的挥发，五氧化二钒 得到自然富集，富集系数 相对入炉料而言 为1 ．4 。 由于石煤中五氧化二钒较其他组分更容易破碎、磨 细，因此更容易进入烟尘，所以烟气的收尘过程也是 五氧化二钒的富集过程，其富集系数 相对人炉料而 言 为1 ．6 。因入炉料的五氧化二钒品位低，经两次 富集后的烟灰品位仍达不到合理的提钒品位，必须 进行第三次富集，即风选富集，经风选后，烟尘分为 细灰和粗灰，细灰的富集系数 相对入炉料而言 可 到1 ．9 ，基本能满足现阶段湿法提钒的要求。 相对常规的湿法提钒工艺而言，由于其前序工 艺是使用循环流化床锅炉焙烧石煤来发电，而循环 流化床锅炉焙烧石煤自身要求人炉料为粉状，这样 石煤的破碎一磨矿就在焙烧发电工序完成，省去了 常规的湿法提钒工艺所必需的石煤破碎一磨矿等前 置工序，常规的湿法提钒工艺所必需的石煤破碎磨 矿流程见图2 。 按提钒细灰含钒0 ．7 ％、钒总回收率6 1 ．4 ％计 算，年产2 6 0 0 t 五氧化二钒则需处理6 0 5 k t ／a 石煤 矿。年工作制度与发电匹配，按3 0 0 d ／a 、1 8 h ／d 来设 计，设备处理能力将大于l O O t ／h ，所需的主要设备 圭 猛 ll 占 ◆ 颚式租破湿式球磨 占 占、r 旋流分级 圆锥中破 占 1， 占 振动筛分 细料粗料 I ‘ 占l ◆ 送湿法提钒 筛上矿筛下矿 图2 石煤破碎磨矿流程 F i g ．2 F l o w s h e e to fs t o n e - c o a lc r u s h i n g a n dm i l l i n g 及其规格见表2 。 由表2 可知石煤破碎一磨矿设备的装机容量是 1 0 7 6 k w ，功率因数按0 ．7 5 计，则可推算出其年耗电 量为4 7 9 3 ．5 8 M W h 。这就是本项目相对一般的常 规湿法提钒工艺在原料预处理工序所节省的能源。 表2 石煤破碎一磨矿主要设备 T a b l e2M a i ne q u i p m e n t sf o rs t o n e - c o a l c r u s h i n ga n dm i l l i n g 4 能耗指标分析 为方便起见，将整个工艺流程分成三个工序来 计算本项目的能耗指标。 第一工序，以露天开采石煤掺拌无烟煤在循环 流化床锅炉膛燃烧后产生的余热蒸汽，送人汽轮机 做功，从而带动发电机发电。工序所耗主要能源为 掺烧的无烟煤，并充分利用了低热值石煤的热能，焙 烧过程中产生的高压蒸汽用来发电，低压蒸汽可供 下一工序飞灰提钒使用，使能源得到了充分利用。 第二工序，以循环流化床锅炉产生的2 0 ％左右 的飞灰通过浸出、萃取沉钒，最后锻烧得到五氧化二 钒。工序所耗主要能源为电、蒸汽，电和蒸汽都由前 一工序提供。与传统工艺相比，减少了石煤开采、氧 化焙烧以及磨矿等生产过程，从而大大节约了能源。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年6 期 1 3 第三工序，以循环流化床锅炉产生的6 0 ％左右 的底渣和2 0 ％左右的粗灰，通过灰渣综合处理系 统，进而成为制砖、水泥以及道路工程的掺加料。对 灰渣的综合利用途径多样，能耗指标的计算比较复 杂，为方便比较，能耗参照传统水泥能耗指标的 6 0 ％来考虑。 根据各工序能源消耗指标及各种能源折标准煤 参考系数折算出本项目能耗指标心j 。产品单位能耗 指标见表3 ，项目节能汇总对比数据详见表4 。 表3 单位能耗指标 T a b l e3S p e c i f i ce n e r g yc o m s u m p t i o n 表4 项目节能汇总对比 T a b l e4 S u m m a r yo fe n e r g yc o n s e r v a t i o n 注为方便比较，项耳灰渣综合利用的能耗参照传统水泥能耗指 标的6 0 ％来考虑。 从数据分析可知，余热发电工序单位能耗指标 高于传统工艺能耗指标，这里传统工艺能耗指标是 按国家相关规定3 5 0 9 标煤／k W h 电来计算的，而本 项目所消耗的燃料包括石煤和无烟煤两种，其中石 煤发热值 5 0 0 0 k J ／k g 低于电力行业所要求的燃煤 发热值指标，在传统发电项目中一般不宜使用。年 使用石煤2 8 7 9 4 7 0 t ，可折合标煤4 9 2 0 4 9 t ，可以说是 变废为宝，开发了以前无使用价值的石煤矿，在某种 意义上来说是节约了4 9 2 0 4 9 t 的标煤资源。除去表 3 中较传统项目多耗的4 1 7 7 0 t ／a ，还可节约4 5 0 2 7 9 t 标煤／a 。 飞灰湿法提钒和灰渣综合利用工序单位能耗指 标低于传统工艺能耗指标，能耗总量与传统项目比 较，不计余热发电节约的标煤资源时节约标煤的量 是1 3 9 0 4 3 t ／a 。考虑余热发电节约标煤资源时节约 标煤的量是5 8 9 3 2 2 t ／a 。由此可见，该石煤资源综 合利用示范工程在开发低品位低发热值石煤钒矿的 过程中提高了能源的利用率，节能效果显著，是一个 循环经济的典范性项目。 参考文献 [ 1 ] 宁华，周晓源，黄光，等．某低品位石煤钒矿资源 综合利用分析[ J ] ．有色金属，2 0 1 0 ，6 2 3 9 1 9 2 ． E 2 ] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家 标准化管理委员会．常用能源品种现行参考折标煤系 数／／锌冶炼企业单位产品能源消耗限额 G B2 1 2 4 9 2 0 0 7 E s ] ．北京中国国家标准化管理委员会，2 0 0 7 ． 万方数据