SKS煉鉛氧氣底吹爐的分析

蔣愛華 ，楊雙歡，梅熾，時章明 ，朱小軍

(1. 中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；2. 湖南節(jié)能評價技術(shù)研究中心，湖南 長沙，410083)

自從蒸汽機(jī)被發(fā)明并被應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域以來，人們對能源利用進(jìn)行了大量分析和研究。為提高能量利用和轉(zhuǎn)化效率、確定能量損失的性質(zhì)、大小與分布，基于熱力學(xué)理論對能量系統(tǒng)進(jìn)行分析，稱為能量系統(tǒng)的熱力學(xué)分析。熱力學(xué)分析方法一般可分為2種：熱平衡方法和平衡方法，也稱熱力學(xué)第一定律方法與第二定律方法。熱力學(xué)第一定律方法是以能量守恒和轉(zhuǎn)換定律為基礎(chǔ)，運(yùn)用熱平衡原理，以熱效率為基本準(zhǔn)則，分析系統(tǒng)的熱力學(xué)完善性，在量方面揭示能量轉(zhuǎn)換、傳遞、有效利用和損失情況，確定某個系統(tǒng)、設(shè)備的能量利用或轉(zhuǎn)換效率。平衡分析法自 20世紀(jì)70年代能源危機(jī)以后逐步得到發(fā)展和應(yīng)用，它是同時以熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律為依據(jù)，對能量的“量”和“質(zhì)”進(jìn)行統(tǒng)一的分析法，所依據(jù)的是能量中有效能即的平衡關(guān)系。熱平衡分析方法不能揭示系統(tǒng)內(nèi)部存在的能量“質(zhì)”的貶值和耗散，不能深刻揭示能量損耗的本質(zhì)，也不能科學(xué)地表征能量利用程度。與熱平衡分析法相比，平衡分析法是更加完善、更加科學(xué)的熱力系統(tǒng)分析方法，它能夠揭示用能系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的有效能損失(做功能力損失)，進(jìn)而對系統(tǒng)的熱力學(xué)完善度進(jìn)行判斷，以評價用能的完善程度，找出損最大的環(huán)節(jié)和部位，為改造、優(yōu)化系統(tǒng)和挖掘節(jié)能潛力指明方向[1]。分析已被國外學(xué)者廣泛應(yīng)用于冶金、電力、水泥等高耗能生產(chǎn)過程和設(shè)備的能量系統(tǒng)分析和評價[2-6]，目前，分析已經(jīng)成為評價1個行業(yè)、國家用能效率及可持續(xù)發(fā)展前景乃至地球環(huán)境資源狀況的重要工具[7-9]。自20世紀(jì)90年代以來，分析法在我國逐漸得到應(yīng)用和推廣，目前已用于分析火電廠熱力系統(tǒng)與設(shè)備、煉鐵爐窯、制冷空調(diào)系統(tǒng)等領(lǐng)域中的能效狀況和指導(dǎo)節(jié)能改造[10-12]。分析雖然在國內(nèi)高能耗工業(yè)生產(chǎn)過程中得到高度關(guān)注和應(yīng)用，但用于冶金工業(yè)的具體生產(chǎn)工序、設(shè)備的分析研究很少。在有色冶金爐窯特別是煉鉛工序中的應(yīng)用研究更少。鉛冶煉行業(yè)是典型的傳統(tǒng)高耗能行業(yè)，而對于煉鉛企業(yè)，熔煉爐是企業(yè)的心臟，其工作狀況的好壞直接關(guān)系到鉛生產(chǎn)的質(zhì)量、能源消耗和成本的高低。SKS煉鉛法(即水口山煉鉛法)為氧氣底吹熔煉-鼓風(fēng)爐還原煉鉛法，是我國先進(jìn)煉鉛方法。SKS煉鉛法的最大特點(diǎn)是解決了傳統(tǒng)燒結(jié)過程中SO2煙氣和鉛塵嚴(yán)重污染環(huán)境的問題。富氧底吹爐是SKS煉鉛工藝的核心設(shè)備，采用SKS法的煉鉛企業(yè)，其節(jié)能工作必須以氧氣底吹爐煉鉛工序?yàn)橹攸c(diǎn)來進(jìn)行。因 此，采用分析方法對冶金工序能量利用情況進(jìn)行分析，能夠發(fā)現(xiàn)工序中不可逆損失較大的環(huán)節(jié)和設(shè)備，揭示其內(nèi)、外部不可逆損失的機(jī)理，可為工序和爐子的進(jìn)一步節(jié)能減排技術(shù)改造提供先進(jìn)的理論和技術(shù)支撐，對降低SKS煉鉛能耗和發(fā)展理論都具有重要意義。

1 SKS氧氣底吹爐的平衡計算

1.1 底吹爐熔煉系統(tǒng)分析模型

采用SKS法煉鉛，鉛精礦的氧化熔煉是在底吹爐中完成的。底吹爐爐內(nèi)過程是涉及多種不可逆因素的化學(xué)反應(yīng)過程。爐內(nèi)情況復(fù)雜，在底吹爐連續(xù)生產(chǎn)中，既有鉛精礦、鉛煙塵、溶劑等固態(tài)物質(zhì)的輸入，又有液態(tài)鉛水、高鉛渣和煙塵、煙氣的輸出。底吹爐處于復(fù)雜的固相、液相和氣相3相流動的狀態(tài)。在正常運(yùn)行工況下，底吹爐可以看作是 1個穩(wěn)定流動的開口系統(tǒng)。

式中：∑ Exi,enter為進(jìn)入底吹爐的各項(xiàng)的總和，kJ；∑ Exi,leave為離開底吹爐的各項(xiàng)的總和，kJ；∑ Exi,loss為煉鉛過程中各項(xiàng)內(nèi)部損失之和，kJ。式(1)中的損失包括化學(xué)反應(yīng)、不完全燃燒和其他不可逆性如溫差傳熱等造成的損失。

圖1 SKS氧氣底吹爐平衡圖Fig.1 Exergy balance on oxygen bottom blown furnace in SKS

1.2 底吹爐效率計算模型

1.3.1 基本假設(shè)

假設(shè)輸入、輸出底吹爐的礦料、粗鉛水、高鉛渣、煙塵等載能體為多種成分組成的理想熔體，富氧空氣及底吹爐煙氣為理想氣體混合物。

式中：Ex,ph為理想氣體物理，kJ；n為氣體的物質(zhì)的量，mol；Cp為氣體的比定壓摩爾熱容，kJ/(mol·K)；T為氣體的熱力學(xué)溫度，K；pn為氣體壓力，Pa；R為摩爾氣體常數(shù)，R=8.314 J/(mol·K)。

Ex,ch為理想混合氣體的總化學(xué)，kJ；ni為各組元?dú)怏w的物質(zhì)的量，mol；Exi,ch為各組元的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)，kJ/mol；ψi為各組元?dú)怏w在混合氣體中的物質(zhì)的量；pi為混合氣體中各組元的分壓力，Pa。

式中：Ex,ph為混合熔體的總物理，kJ；m為熔體質(zhì)量，kg；cp為熔體的比定壓質(zhì)量熱容，kJ/(kg·K)。

式中：Ex,ch為理想混合熔體的總化學(xué)，kJ；Exi,ch為熔體各組元的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)，kJ/mol；ni為熔體各組元的物質(zhì)的量，mol。

式中：Ex,Q為熱量，kJ；Ti為底吹爐外壁某區(qū)域平均溫度，K；Qi為爐外壁某區(qū)域的散熱量，kJ。

1.4 底吹爐平衡計算結(jié)果

為使計算結(jié)果更準(zhǔn)確，以SKS底吹爐正常運(yùn)行2個周期(4 h)為計算基準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對底吹爐進(jìn)行物料平衡計算。在物料平衡分析基礎(chǔ)上所得SKS氧氣底吹爐能量平衡計算結(jié)果見表1[15]。在文獻(xiàn)[15]中的物料平衡和熱平衡分析的基礎(chǔ)上，對SKS氧氣底吹爐進(jìn)行平衡計算，忽略量非常小的冷卻水和鉛锍的，所得分析結(jié)果如表2所示。

1.5 底吹爐效率

表1 SKS氧氣底吹爐能量平衡計算結(jié)果Table 1 Calculation results of energy balance on oxygen bottom blown furnace in SKS

表2 SKS氧氣底吹爐平衡結(jié)果Table 2 Datasheet of exergy balance on oxygen bottom blown furnace in SKS

表2 SKS氧氣底吹爐平衡結(jié)果Table 2 Datasheet of exergy balance on oxygen bottom blown furnace in SKS

參數(shù)/(109 J·h-1) 與總輸入之比/% 參數(shù)/(109 J·h-1) 與總輸入之比/%與總輸出之比/%流總輸入 152.727 52 100.00流總輸出 118.524 46 77.60 100.00富氧空氣化學(xué)富氧空氣物理礦料化學(xué)0.515 73 0.33 粗鉛物理0.783 02 0.52 粗鉛化學(xué)151.428 77 99.15 高鉛渣物理0.779 81 0.51 0.66 14.568 37 9.54 12.29 5.242 90 3.43 4.42流總支出 152.727 52 100.00 高鉛渣化學(xué)量總輸出 118.524 46 77.60 煙塵物理不可逆損失 34.203 06 22.40 煙塵化學(xué)煙氣物理煙氣化學(xué)14.574 05 9.54 12.29 3.170 63 2.08 2.68 9.475 40 6.20 7.99 8.711 40 5.70 7.35 61.501 44 40.27 51.89散熱損失 0.500 46 0.32 0.42

2 SKS底吹爐平衡計算結(jié)果及應(yīng)用分析

由表1可知：爐子的絕大部分熱量(98%以上)收入來自爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過程，熱平衡分析不能揭示外界投入能量實(shí)際利用情況；據(jù)熱效率的定義，底吹爐有效利用的熱量應(yīng)該是表1中粗鉛、鉛锍和高鉛渣等產(chǎn)品離開爐子時含有的占總收入能量的 21.8%，但這部分熱能將會隨產(chǎn)品冷卻降溫到環(huán)境溫度而全部消失。從表2可以看出：底吹爐的99.15%的來自入爐礦料的化學(xué)，顯示了外界的能量隨物質(zhì)的投入情況；而底吹爐的輸出產(chǎn)品粗鉛、鉛锍和高鉛渣的化學(xué)是貯存在物體內(nèi)部的有效能，不會隨著溫度降低而消失。因此，對于底吹爐這類有色冶金爐窯來說，熱平衡計算分析雖然有必要，但熱效率已經(jīng)沒有實(shí)際意義，效率更能反映爐子的能量利用狀況。

3 結(jié)論

(2) 對于類似SKS底吹爐無需燃料投入或少量投入的冶金爐窯，熱平衡分析不能準(zhǔn)確反映物質(zhì)能量的投入、支出狀況，熱效率沒有實(shí)際意義，而效率更能反映爐子的能量和物質(zhì)有效利用狀況。

(3) 對于類似SKS氧氣底吹爐的有色冶金爐窯，熱平衡計算仍然是必要的，但熱、分析之間沒有大的相關(guān)性，將出現(xiàn)總流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于總熱流量的現(xiàn)象，這說明平衡分析能夠更好地反映SKS氧氣底吹爐等有色冶金爐窯的物質(zhì)流和能量流的本質(zhì)，因此，在冶金爐窯能量系統(tǒng)的分析中，需充分利用平衡分析方法。

[2] Bisso G. Exergy method for efficient energy resource use in the steel industry[J]. Energy, 1993, 18(9): 971-985.

[3] Vladimir S, Sergey S. Energy use efficiency of metallurgical Processes[J]. Energy Conservation and Management, 1998,39(16/18): 1803-1809.

[4] Verkhivker G P, Kosoy B V. On the exergy analysis of power plants[J]. Energy Conservation and Management, 2001, 42(18):2053-2059.

[5] Rasul M G, Widianto W, Mohanty B. Assessment of the thermal performance and energy conservation opportunities of a cement industry in indonesia[J]. Applied Thermal Engineering, 2005,25(17/18): 2950-2965.

[6] Camdali U, Erisen A, Celen F. Energy and exergy analyses in a rotary burner with pre-calcinations in cement production[J].Energy Conversion and Management, 2004, 45(18/19):3017-3031.

[7] Utlu Z, Hepbasli A. Analysis of energy and exergy use of the Turkish residential-commercial sector[J]. Building and Environment, 2005, 40(5): 641-655.

[8] Utlu Z，Hepbasli A. Assessment of the Turkish utility sector through energy and exergy analyses[J]. Energy Policy, 2007,35(10): 5012-5020.

[9] Hermann W A. Quantifying global exergy resources[J]. Energy,2006, 31(12): 1685-1702.

[10] 張曉暉, 楊茉, 盧玫, 等. 火電廠熱力系統(tǒng)分析計算研究[J].動力工程, 2004, 24(5): 703-707.ZHANG Xiao-hui, YANG Mo, LU Mei, et al. Research on exergy analysis computation of coal-fired unit thermal system[J].Power Engineering, 2004, 24(5): 703-707.

[11] 吳復(fù)忠, 蔡九菊, 張琦, 等. 煉鐵系統(tǒng)的物質(zhì)流和能量流的分析[J]. 工業(yè)加熱, 2007, 36(1): 15-18.WU Fu-zhong, CAI Jiu-ju, ZHANG Qi, et al. Exergy analysis of energy and materials flows in the system of iron-making plants[J]. Industrial Heating, 2007, 36(1): 15-18.

[12] 甄志, 崔曉鋼, 陳鴻偉, 等.分析方法及在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 電力科學(xué)與工程, 2003(1): 62-65.ZHEN Zhi, CUI Xiao-gang, CHEN Hong-wei, et al. Exergy analysis method and its application[J]. Electric Power Science and Engineering, 2003(1): 62-65.

[13] 朱自強(qiáng), 徐汛. 化工熱力學(xué)[M]. 2版. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,1995: 231-278.ZHU Zi-qiang, XU Xun. Chemical engineering thermodynamics[M]. 2nd ed. Beijing: Chemical Industry Press,1995: 231-278.

[14] 吳存真, 張詩針, 孫志堅. 熱力過程()分析基礎(chǔ)[M]. 杭州:浙江大學(xué)出版社, 2000: 55-74.WU Cun-zhen, ZHANG Shi-zhen, SUN Zhi-jian. Elements of exergy analysis on thermal process[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 2002: 55-74.

[15] 楊雙歡, 蔣愛華, 時章明, 等. SKS煉鉛底吹爐熱平衡測試與節(jié)能措施研究[J]. 冶金能源, 2009, 28(6): 50-53.YANG Shuang-huan, JIANG Ai-hua, SHI Zhang-ming, et al.Thermal balance test and energy saving measures research for bottom blown furnace of SKS[J]. Energy for Metallurgical Industry, 2009, 28(6): 50-53.