余熱發(fā)電工藝在有色冶煉廠的應用

李騰飛，劉新國

（郴州金貴銀業(yè)股份有限公司，湖南郴州 423038）

余熱發(fā)電工藝在有色冶煉廠的應用

李騰飛，劉新國

（郴州金貴銀業(yè)股份有限公司，湖南郴州 423038）

介紹了將還原爐、煙化爐所產(chǎn)生的飽和蒸汽加熱至過熱蒸汽，并送至汽輪機，沖動轉子帶動發(fā)電機做功的工作原理，以及余熱發(fā)電的主要特點和結構組成。余熱發(fā)電不僅可以充分利用余熱能源，而且可以達到節(jié)能減排、改善環(huán)境的目的，通過余熱發(fā)電工藝在有色冶煉廠的實踐應用分析，說明了余熱發(fā)電的效益顯著。

飽和蒸汽；過熱蒸汽；余熱發(fā)電；發(fā)電機組

在工業(yè)飛速發(fā)展的今天，節(jié)能已是全世界當務之急關注的焦點問題。節(jié)能減排主要表現(xiàn)在減少能源浪費和降低廢氣排放，充分發(fā)揮再利用技術。湖南郴州市金貴銀業(yè)股份有限公司在余熱發(fā)電項目上邁出了成功的一步。

金貴銀業(yè)綜合回收廠還原爐和煙化爐的余熱鍋爐每小時產(chǎn)生的飽和蒸汽約20～30 t，其壓力為3.0～3.6 MPa，除了職工生活、洗澡以及食堂洗碗用少量蒸汽外，其余全部排空，不僅浪費了大量的余熱能源，而且有較嚴重的噪音污染和熱污染。為了響應國家對于環(huán)保的號召，降低生產(chǎn)成本、節(jié)約能源、改善環(huán)境，金貴銀業(yè)股份有限公司決定投資余熱發(fā)電項目，并于2014年1月開工建設，于2015年1月正式投產(chǎn)發(fā)電。該余熱發(fā)電項目選用青島捷能汽輪機集團股份有限公司的汽輪發(fā)電機組，該汽輪機型式為：中溫中壓、單缸、單軸、純凝汽沖動式汽輪機，總裝機容量6 000 kW，在供汽充足時（主蒸汽壓力達到2.3～2.4 MPa，主蒸汽溫度達到400～420℃），發(fā)電最高可以達到5 500～5 900 kW。

目前該機組已安全、穩(wěn)定運行超900 d，發(fā)電量達到了4 700余萬kW·h。

1 金屬鉛、鋅冶煉中余熱發(fā)電的生產(chǎn)工藝簡介

1.1 蒸汽的收集、輸送及加熱

還原爐和煙化爐在熔煉過程中產(chǎn)生的大量的600～800℃的高溫煙氣，高溫煙氣經(jīng)過減溫器到達余熱鍋爐，爐腔內(nèi)穿過了數(shù)百根由高壓給水泵供水的蛇形管道，煙氣與布置在爐膛里的蛇形管內(nèi)的水進行強烈的輻射、對流換熱，將熱量傳給蛇形管內(nèi)水和過熱器的蒸汽，高壓給水經(jīng)熱交換后產(chǎn)生中壓低溫的飽和蒸汽后，進入余熱鍋爐收集。將飽和蒸汽通過蒸汽管道送入穩(wěn)壓站蓄熱器，再由穩(wěn)壓站的燃煤過熱器鍋爐將飽和蒸汽進一步加熱成中溫中壓，符合汽輪機進汽要求的過熱蒸汽，過熱蒸汽通過蒸汽管道進入汽輪機，具有中溫中壓的高速氣流從而沖動汽輪機轉子并帶動發(fā)電機做功［1，2］，如圖1、圖2、圖3所示。

1.2 汽輪發(fā)電機組發(fā)電

發(fā)電機組從新蒸汽母管上引取鍋爐加熱后的合格蒸汽，先經(jīng)電動主蒸汽閥到汽輪機自動主汽門，蒸汽按一定的方向進入汽輪機轉子上的葉片，葉片強迫汽流改變運行方向，產(chǎn)生蒸汽對葉片的作用力，沖動轉子旋轉做功，將蒸汽的動能轉換成汽輪機轉子旋轉的機械能。使汽輪機達到額定的轉速3 000 r／min，發(fā)電機再將機械能轉化成電能，調節(jié)機端電壓、相位、頻率、初相角與工廠電網(wǎng)并網(wǎng)。

1.3 余熱發(fā)電的系統(tǒng)控制

系統(tǒng)控制采用集散式控制，所有的現(xiàn)場實時監(jiān)控數(shù)據(jù)都連接到中控室內(nèi)，通過對各生產(chǎn)工藝參數(shù)、技術數(shù)據(jù)的采集、儲存以及系統(tǒng)分析，再由中控室發(fā)出控制指令，對生產(chǎn)中各種參與連鎖的設備進行及時的調度與調整，以使發(fā)電生產(chǎn)各流程處于最佳的生產(chǎn)狀態(tài)。

圖1 還原爐余熱鍋爐系統(tǒng)圖

圖2 煙化爐余熱鍋爐系統(tǒng)圖

圖3 穩(wěn)壓站系統(tǒng)圖

2 余熱發(fā)電系統(tǒng)的組成結構以及主要特點

2.1 余熱鍋爐

余熱鍋爐是為回收高溫煙氣余熱而設計的鍋爐，流動方向隧道式布置的單煙道鍋爐。四川自貢東聯(lián)鍋爐有限公司制造的余熱鍋爐主要技術參數(shù)見表1。

表1 兩臺套余熱鍋爐主要技術參數(shù)

兩臺余熱鍋爐結構特點如下［3～6］：

1.鍋爐整體采用管箱式結構，采用管箱式結構可將鍋爐漏風降至最低，減少鍋爐漏風熱損失，提高鍋爐效率。

2.鍋爐采用箱體外保溫結構。在外保溫外面裝設外護板，對保溫材料加以保護，散熱損失不超過2%。

3.在蒸發(fā)管束和過熱器、蒸發(fā)管束和省煤器之間均留有檢修間隙，并裝有人孔便于觀察和停爐時清灰。

4.余熱鍋爐采用立式結構，煙氣自上而下，受熱面采用鰭片管強化傳熱。

5.鍋爐水循環(huán)方式為自然循環(huán)。

6.鍋爐布置形式采用立式結構，立式布置的優(yōu)點：占地面積??；煙氣流動均勻，可避免出現(xiàn)煙氣走廊而導致傳熱效率降低和局部過速磨損。

7.考慮到煙氣中含塵量，過熱器上部、蒸發(fā)管束中部及省煤器上部都預留吹灰孔，吹灰方式采用人工與爆破清灰相結合，鍋爐下部設置排灰、排污水裝置。

8.鍋爐密封性能好。

9.受熱面采用具有高擴展受熱面的螺旋鰭片管來獲得最佳的傳熱效果和最低的煙氣阻力，使得鍋爐結構變得非常緊湊，體積小、重量輕、節(jié)省鍋爐投資。

2.2 穩(wěn)壓站燃煤過熱器鍋爐

燃煤過熱器型鍋爐為低壓中溫、爐膛煙道“∏”型布置、煤粉懸浮燃燒，固態(tài)排渣。

燃煤過熱器鍋爐的主要作用：將飽和蒸汽進一步加熱成中溫中壓，符合汽輪機進汽要求的過熱蒸汽。

鍋爐爐膛四面由高溫澆注料組成，在水平煙道布置高溫過熱器、低溫過熱器，尾部豎井煙道里布置了上下兩級省煤器。過熱器采用一次充分混合、一級噴水減溫來保證蒸汽溫度在規(guī)定值。爐膛布置有一定數(shù)量的火焰監(jiān)視孔、檢修火孔及防爆門；過熱器區(qū)、省煤器域布置4組脈沖激波吹灰裝置，尾部布袋收塵轉置，“人”字管風冷系統(tǒng)與脫硫裝置相連。

上海工業(yè)鍋爐有限公司制造的燃煤過熱器鍋爐主要技術參數(shù)見表2。

表2 燃煤過熱器鍋爐技術參數(shù)

2.3 汽輪發(fā)電機組

2.3.1 汽輪機設備簡況以及主要技術參數(shù)

本汽輪機為青島捷能汽輪機集團股份有限公司生產(chǎn)，型式為：中溫中壓、單缸、單軸、純凝汽沖動式汽輪機，主要技術參數(shù)見表3。

表3 汽輪機主要技術參數(shù)

2.3.2 發(fā)電機設備簡況以及主要技術參數(shù)

本發(fā)電機為東方電氣集團東風電機有限公司生產(chǎn)，型式為空冷發(fā)電機，該發(fā)電機具有勵磁、自調節(jié)（電壓調節(jié)范圍為正負5%）、定子接法為Y、有刷等結構特點。發(fā)電機主要技術參數(shù)見表4。

表4 發(fā)電機主要技術參數(shù)

2.3.3 用于余熱發(fā)電的汽輪發(fā)電機組的特點

1.機組可以實現(xiàn)電壓保護、過流速斷保護、頻率保護、電壓、電流、有功無功功率、有功無功電量、功率因素的儲存與顯示，以及所有工藝參數(shù)、報警信息的儲存與顯示。

2.應用范圍廣、負荷變化大。由于采用了6組噴嘴調節(jié)閥，因而有很寬的負荷調節(jié)范圍以及較高的負荷效率，機組可適應15%～100%范圍的負荷變化，具有較高的調節(jié)精度。也比較適合金貴銀業(yè)綜合回收廠余熱蒸汽負荷變化范圍大的余熱鍋爐系統(tǒng)。

3.發(fā)電過程中會有蒸汽在能量轉換過程中冷凝成水，產(chǎn)生的冷凝水回收后進入余熱鍋爐給水系統(tǒng)循環(huán)利用。

4.本系列機組采用的是數(shù)字電－液調節(jié)系統(tǒng)（DEH）。主要由南京科遠數(shù)字式調節(jié)器SY8000、電液轉換器CPCII、液壓伺服機構、調節(jié)汽閥等組成。機組的保安系統(tǒng)采用冗余保護。除了傳統(tǒng)的機械一液壓式保安裝置外，增加了電調裝置（DEH）、儀表監(jiān)測系統(tǒng)的電氣保護（TSI）、汽輪機緊急跳閘系統(tǒng)（ETS）。

5.結構簡單、啟停迅速。11級汽輪機結構簡單，占地面積小，一次性投資費用低，運行成本低?？梢杂米钚〉耐度氆@得最大的收益。汽輪機組操作簡單，從啟動至成功并網(wǎng)發(fā)電，順利的時候，只需3 h。而短期停機后重新啟機，如主蒸汽溫度和壓力保持在一定范圍以內(nèi)，只需1 h。并網(wǎng)分為全自動并網(wǎng)和手動并網(wǎng)。汽輪發(fā)電機組啟停是非常方便的。

6.汽輪機調節(jié)為電液調節(jié)：電調和液調，電調主要靠電信號（模擬量轉換）來實現(xiàn)調節(jié)功能，液調一般是通過液壓油（控制油路的通斷）來實現(xiàn)調節(jié)功能。

7.良好的防水防腐蝕特性。采用高性能材質及殼體，并減少了蒸汽含濕度至設計值。

8.設備體積小，基礎簡單，容易安裝，需要加設的管道也少。

9.該機組已無故障運行2 a，設計使用壽命為30 a。

3 汽輪發(fā)電機組的運行實踐

機組于2014年1月正式開工建設，于2015年1月正式并網(wǎng)發(fā)電運行，在進行的72 h試車調試過程中，現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)表明機組運行效果良好。該機組已無故障運行2 a，設計使用壽命為30 a。在這2 a的運行中，煙化爐、還原爐全開運行時，并且正常運行，平均每日往余熱發(fā)電站輸送蒸汽360～500 t，平均發(fā)電量為81 000～90 000 kW·h，最高發(fā)電功率為5 800 kW，機組持續(xù)、穩(wěn)定、安全的運行2 a。詳細實測數(shù)據(jù)見表5。

表5 實測運行數(shù)據(jù)

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟效益分析

在2016年的生產(chǎn)規(guī)模下（2016年還原爐年生產(chǎn)56 000 t粗鉛，煙化爐年生產(chǎn)6 000 t氧化鋅），平均用于發(fā)電的飽和蒸汽為20 t／h，2016年全年發(fā)電量為22 465 560 kW·h，發(fā)電機組年運行6 696.5 h，平均發(fā)電量為3 354 kW·h，每度電的市場價格為0.61元／kW·h，發(fā)電成本為0.3元／kW·h，2016年大修費用為70萬元人民幣。

年度發(fā)電利潤＝年度發(fā)電量×電價－年度發(fā)電量×發(fā)電成本－2016年大修費用。

即：年度發(fā)電利潤為：

22 465 560×0.61－22 465 560×0.3－700 000＝6 260 000（元）

4.2 社會效益及環(huán)境效益分析

建設余熱發(fā)電項目后，不僅節(jié)約能源而且減少排放。余熱發(fā)電裝機容量為6 000 kW，如果機組運行正常，假設全年按7 000 h運行，全年發(fā)電2 300萬kW·h計算，年創(chuàng)造效益1 300余萬，并且實現(xiàn)了年節(jié)能量折合標準煤16 000余t，相當于每年向大氣中減排CO26.5萬余t、減排SO243 t、減排粉塵煙塵65.5 t。

余熱發(fā)電項目的投入和實施，對大氣環(huán)境不增加任何污染物的排放，而且還可以降低排汽溫度，減輕溫室效應和降低熱污染，是節(jié)約能源、資源、降低企業(yè)成本極為有效的途徑，對保護生態(tài)環(huán)境有促進作用，環(huán)保效益與節(jié)能效益顯著。

5 結 語

利用純凝汽沖動式發(fā)電機組進行冶煉廢氣余熱發(fā)電，是節(jié)約能源、節(jié)約資源的有效途徑。利用煙氣余熱進行發(fā)電，可以在廠區(qū)直接并網(wǎng)利用，不僅可緩解電力供應緊張的局面，而且是較低成本電力的補充，減少了對外部供電的依賴性，為企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益，同時也改善了金貴銀業(yè)綜合回收廠中蒸汽熱力系統(tǒng)配置不合理、浪費嚴重的狀況，提高了熱能利用效率，為企業(yè)創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。該工藝不僅先進可靠，而且見效非常快，投資回收期短，值得在有色冶煉行業(yè)中大力推廣應用。

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The App lication of the Technology of Power Generation from Residual Heat in M etal Smelters

LITeng-fei，LIU Xin-guo
（Chenzhou Jingui Silver Industry Co.，Ltd.，Chenzhou 423038，China）

The working principle is introduced in this study that heating the saturated steam produced by the reducing furnace and fuming furnace to superheated steam，and then sending to the impulse rotor of steam turbin can drive the generator work.Additionally，we briefed themain characteristics and structure of power generation from residual heat which not only can take full advantage of heat energy，but also can be energy saving and emission reduction and environmental-friendly.By analyzing the practical application of the technology of power generation from residual heat in metal smelters，we found that power generation from residual heat improved the efficiency prominently.

saturated steam；superheated steam；power generation from residual heat；generating set

TM611.1

A

1003－5540（2017）04－0028－05

2017－07－02

李騰飛（1991－），男，助理工程師，主要從事余熱發(fā)電技術管理工作。