稀貴金屬綜合回收項(xiàng)目冶煉煙氣余熱利用研究

尹代冬

（湖南有色金屬研究院有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410100）

某園區(qū)稀貴金屬綜合回收項(xiàng)目主要是利用各類(lèi)冶金廢渣（料）為原料，通過(guò)火法和濕法聯(lián)合生產(chǎn)工藝綜合回收其中的貴金屬（金、銀、鉑、鈀）、稀有金屬（銦、硒、碲）和有色金屬（鉛、鋅、鉍、銅、銻、錫、鎳）等。其中火法冶煉產(chǎn)生的煙氣主要通過(guò)表面冷卻和除塵后進(jìn)行排空，未對(duì)煙氣余熱進(jìn)行有效的回收利用，造成能源浪費(fèi)。而在有色冶金的余熱資源中，煙氣余熱占余熱量比例達(dá)80%［1，2］，因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該園區(qū)稀貴金屬綜合回收項(xiàng)目冶煉煙氣的余熱回收利用。

1 火法冶煉工藝概述

稀貴金屬綜合回收火法冶煉工序主要有富氧熔池熔煉、煙化爐吹煉、回轉(zhuǎn)窯焙燒、還原爐熔爐、氧化爐精煉等，工藝流程如圖1所示，其主要工藝概述如下。

1.1 富氧熔池熔煉

低品位復(fù)雜物料及自產(chǎn)爐渣經(jīng)過(guò)配料制團(tuán)后進(jìn)入富氧熔池熔煉爐，保持爐內(nèi)溫度1 050～1 400℃，還原熔煉過(guò)程中連續(xù)將熔煉所需的富氧氣體從設(shè)在富氧負(fù)壓熔煉爐側(cè)部的氧氣噴入口噴入爐內(nèi)，混合物料在爐內(nèi)進(jìn)行熔化、氧化、造渣、還原，少量金屬硫化物、絕大部分的金屬經(jīng)氧化還原均轉(zhuǎn)化為金屬，富集于合金中，實(shí)現(xiàn)有價(jià)金屬的初步分離。出口煙氣經(jīng)表面冷卻和除塵后送尾氣脫硫或制酸系統(tǒng)。

圖1 稀貴金屬綜合回收冶煉工藝示意圖

1.2 煙化爐吹煉

為了最大限度地減少熔煉爐渣對(duì)環(huán)境可能造成的二次污染，將爐渣送煙化爐進(jìn)行無(wú)害化處理。將粉煤噴入爐膛燃燒，使?fàn)t溫升至1 200～1 300℃，首先鉛、鋅等金屬化合物被還原劑還原，單質(zhì)金屬揮發(fā)進(jìn)入爐氣中，被氧化成氧化鉛、氧化鋅等金屬氧化物，含塵煙氣進(jìn)入低壓脈沖袋式除塵器回收次氧化鋅，回收的氧化鋅進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯焙燒，煙化爐渣經(jīng)水淬后外售用于建材。

1.3 回轉(zhuǎn)窯焙燒

富氧熔池熔煉產(chǎn)生的次氧化鋅及其它含鋅物料采用回轉(zhuǎn)窯焙燒脫除氟氯等，焙燒溫度600～700℃，產(chǎn)出的焙燒料送硫酸鋅等工序，焙燒爐產(chǎn)出的煙氣溫度在600～700℃，經(jīng)表面冷卻器冷卻，布袋收塵后送往煙氣脫硫系統(tǒng)，產(chǎn)出的煙塵含氟、氯高，出售給有資質(zhì)的企業(yè)處理。

1.4 還原爐熔爐

電解產(chǎn)出的陽(yáng)極泥與自產(chǎn)的鉛銀渣、金渣等還原熔煉在貴鉛轉(zhuǎn)爐內(nèi)進(jìn)行，爐料經(jīng)逐漸升溫至熔化，保持爐溫1 200～1 300℃，用風(fēng)管向金屬液面吹風(fēng)氧化，經(jīng)沉淀后出爐，獲得的貴鉛送灰吹爐氧化精煉。此過(guò)程產(chǎn)生貴鉛灰吹爐煙氣，經(jīng)表面冷卻＋布袋收塵＋堿液噴淋塔后外排，布袋收塵處理后的煙塵外售。

1.5 氧化爐精煉

氧化精煉過(guò)程在氧化爐（分銀轉(zhuǎn)爐）中進(jìn)行。貴鉛氧化精煉的操作，包括進(jìn)料、熔化、造渣、出渣和出爐等工序。把貴鉛加入爐內(nèi)，然后點(diǎn)火升溫至900℃以上，使?fàn)t料熔化。爐料熔化后往熔池表面吹風(fēng)，爐料中的雜質(zhì)被氧化，形成浮渣，不斷清除浮渣。然后升溫控制爐溫在1 200℃左右，合金中含銀、金達(dá)95%以上即可出爐。最后把合金鑄成陽(yáng)極板送電解提金、銀。此過(guò)程產(chǎn)生的分銀爐煙氣與貴鉛灰吹爐煙氣一起經(jīng)表面冷卻＋布袋收塵＋堿液噴淋塔后外排。

2 煙氣余熱特點(diǎn)及回收利用方案分析

稀貴金屬綜合回收項(xiàng)目火法冶煉工藝煙氣余熱具有如下特點(diǎn)：

1.煙氣溫度較高。主要冶煉爐窯如煙化爐、氧化爐、還原爐煙氣溫度一般在1 000℃以上，回轉(zhuǎn)窯溫度在600～700℃，中高溫?zé)煔饩哂休^高的余熱回收價(jià)值。

目前，對(duì)于有色冶煉過(guò)程中煙氣余熱能級(jí)高的余熱回收，優(yōu)先考慮使用余熱鍋爐生產(chǎn)飽和蒸汽發(fā)電［3］。汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組主要有背壓式、抽背式及凝汽式汽輪機(jī)，背壓式、抽背式汽輪機(jī)多用于熱負(fù)荷全年穩(wěn)定的企業(yè)自備電廠或有穩(wěn)定的基本熱負(fù)荷的區(qū)域性熱電廠，因此推薦采用凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電。

2.煙氣含塵量大。主要冶煉爐窯如回轉(zhuǎn)窯、煙化爐、氧化爐、還原爐煙氣中含塵量達(dá)100～150 g/m3，煙氣含塵量遠(yuǎn)超過(guò)一般的工業(yè)窯爐，并且煙塵的物化性質(zhì)極其惡劣，在煙氣溫度高、含低熔點(diǎn)煙塵量大情況下，容易粘結(jié)、積灰，容易磨損和堵塞余熱回收設(shè)備。

針對(duì)煙氣含塵量大、容易磨損和堵塞余熱回收設(shè)備的特點(diǎn)，推薦采用自然循環(huán)的余熱鍋爐，該鍋爐有足夠大的汽水分離空間，筒體上設(shè)有人孔、手孔以利于鍋爐內(nèi)部檢查，鍋爐受熱面部分的煙灰容易清洗，水側(cè)熱負(fù)荷比較低，不易結(jié)垢，便于維修。同時(shí)配置吹灰效果好的氣能激波旋轉(zhuǎn)吹灰器清除鍋爐積灰，減少積灰對(duì)余熱回收設(shè)備的磨損和堵塞。

3.熱負(fù)荷不穩(wěn)定。由于原料來(lái)源為各類(lèi)冶金廢渣（料），成分較為復(fù)雜，主要工藝生產(chǎn)過(guò)程一般不連續(xù)或周期性變動(dòng)，煙氣溫度、流量、成分變化較大，導(dǎo)致熱負(fù)荷不穩(wěn)定。

為了避免熱負(fù)荷不穩(wěn)定導(dǎo)致余熱鍋爐產(chǎn)汽不均的情況，余熱鍋爐采用自然循環(huán)，安全省電，同時(shí)裝設(shè)變壓式蒸汽蓄熱器，有效地穩(wěn)定鍋爐負(fù)荷，改善鍋爐運(yùn)行條件，提高鍋爐效率。

綜上分析，針對(duì)稀貴金屬綜合回收項(xiàng)目冶煉煙氣余熱特點(diǎn)，采用自然循環(huán)的余熱鍋爐和凝式汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行余熱發(fā)電，同時(shí)配置氣能激波旋轉(zhuǎn)吹灰器清除鍋爐積灰、裝設(shè)變壓式蓄熱器穩(wěn)定鍋爐負(fù)荷。煙氣余熱發(fā)電流程示意圖如圖2所示。

1.煙氣余熱系統(tǒng)。煙氣輸送系統(tǒng)由自預(yù)留接口接出后架空敷設(shè)至余熱鍋爐，煙氣經(jīng)余熱鍋爐鍋筒自然循環(huán)受熱煙道后，經(jīng)脫硫除塵達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后通過(guò)煙囪排入大氣。

2.發(fā)電系統(tǒng)。余熱鍋爐的主蒸汽由主汽口排出，匯入集汽聯(lián)箱后經(jīng)蒸汽蓄熱器穩(wěn)流、調(diào)壓后，經(jīng)主蒸汽管道進(jìn)入蒸汽輪機(jī)做功，再由汽輪機(jī)帶到發(fā)電機(jī)將機(jī)械能變?yōu)殡娔堋Ｆ啓C(jī)產(chǎn)生的乏汽進(jìn)入凝汽器凝結(jié)為水，經(jīng)凝結(jié)水泵送回余熱鍋爐除氧器，最后進(jìn)入鍋爐循環(huán)使用。

圖2 煙氣余熱發(fā)電示意圖

3 余熱發(fā)電方案設(shè)計(jì)

3.1 出口高溫?zé)煔鈪?shù)

該園區(qū)稀貴金屬物料綜合回收企業(yè)現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯、煙化爐、氧化爐、還原爐各4臺(tái)，各工業(yè)爐窯出口高溫?zé)煔鈪?shù)見(jiàn)表1。

表1 工業(yè)窯爐出口高溫?zé)煔鈪?shù)

3.2 余熱量計(jì)算

由表1煙氣成分可計(jì)算出煙氣的酸露點(diǎn)溫度為174～189℃，設(shè)置余熱鍋爐出口煙氣溫度為250℃，出口煙氣理論焓值約為343.6 kJ/m3。余熱鍋爐按余熱回收效率0.85進(jìn)行計(jì)算，余熱回收量共計(jì)57 728 553 kJ/h。余熱鍋爐可回收余熱量計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 余熱鍋爐回收熱量計(jì)算

3.3 余熱鍋爐配置

對(duì)生產(chǎn)用的回轉(zhuǎn)爐、煙化爐、氧化爐、還原爐分別配置1臺(tái)余熱鍋爐，共計(jì)16臺(tái)余熱鍋爐。余熱鍋爐性能參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 余熱鍋爐性能參數(shù)表

3.4 發(fā)電機(jī)組設(shè)置

根據(jù)表3計(jì)算，16臺(tái)余熱鍋爐可供蒸汽約96 t/h，主蒸汽焓值2801.6 kJ/kg，發(fā)電效率按照20%設(shè)計(jì)，計(jì)算出發(fā)電功率為：

Q發(fā)電＝2 801.6×96×103×30%÷3 600＝15（MW）

為減少輸送損耗，設(shè)置2臺(tái)7.5 MW 凝式汽輪發(fā)電機(jī)組。余熱發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4，年運(yùn)行時(shí)間7 200 h。

4 綜合效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)表4，2臺(tái)7.5MW凝式汽輪發(fā)電機(jī)組年發(fā)電量達(dá)2×5 292＝10 584萬(wàn) kWh，年供電量達(dá)2×4 775＝9 550萬(wàn)kWh，按照當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.58元/kWh計(jì)算，年供電經(jīng)濟(jì)效益5 539萬(wàn)元。余熱發(fā)電總投資預(yù)計(jì)為10 800萬(wàn)元，年供電收益占總投資的51.29%，計(jì)算靜態(tài)投資回收期為1.95 a，投資回收期較短，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表4 余熱發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

4.2 環(huán)境效益

通過(guò)回收煙氣余熱產(chǎn)生蒸汽發(fā)電，可等量替代燃煤發(fā)電，減少燃煤發(fā)電產(chǎn)生的CO2、SO2、NOx對(duì)環(huán)境的污染。根據(jù)區(qū)域電力折標(biāo)系數(shù)和排放系數(shù)計(jì)算，年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2.94萬(wàn)t，年減排CO27.33萬(wàn)t、SO20.22萬(wàn) t、NOx0.11萬(wàn) t，見(jiàn)表5，具有較好的環(huán)境效益。

表5 余熱發(fā)電環(huán)境效益計(jì)算

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的推進(jìn)，加強(qiáng)對(duì)冶煉煙氣余熱回收利用是有色冶金行業(yè)的必然選擇。針對(duì)稀貴金屬綜合回收項(xiàng)目冶煉煙氣溫度高、含塵大、熱負(fù)荷不穩(wěn)定的特點(diǎn)，可采用自然循環(huán)的余熱鍋爐和凝式汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行余熱發(fā)電，同時(shí)配置氣能激波旋轉(zhuǎn)吹灰器清除鍋爐積灰，裝設(shè)變壓式蓄熱器穩(wěn)定鍋爐負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)煙氣余熱利用，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。