銅冶煉多點(diǎn)位余熱高效梯級(jí)利用技術(shù)應(yīng)用

馬曉輝

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410011）

目前，我國(guó)能源生產(chǎn)的增長(zhǎng)速度還難以適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，能源價(jià)格仍呈上升趨勢(shì)，能源費(fèi)用占企業(yè)生產(chǎn)總成本的30%以上，銅冶煉企業(yè)面臨著不小的挑戰(zhàn)。開(kāi)發(fā)利用好銅冶煉過(guò)程產(chǎn)生的大量余熱，將是保障銅冶煉企業(yè)健康發(fā)展的有力手段。隨著銅冶煉技術(shù)的快速發(fā)展，銅生產(chǎn)工藝在節(jié)能技術(shù)水平上有了較大的提升。然而，受銅冶煉技術(shù)的約束，大量的煙氣余熱和中低品位的余熱資源得不到充分利用，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。如果采取有效的技術(shù)手段對(duì)這些余熱進(jìn)行回收與再利用，不僅可以節(jié)約資源，也能在一定程度上緩解企業(yè)能源供應(yīng)不足的矛盾，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，研究銅冶煉企業(yè)全流程余熱回收和利用具有重要意義。

銅冶煉企業(yè)的余熱資源主要集中在銅冶煉系統(tǒng)的熔煉和吹煉工序、制酸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化和干吸工序。目前熔吹煉工序的余熱鍋爐所產(chǎn)中壓飽和蒸汽，用于飽和汽輪機(jī)發(fā)電。制酸系統(tǒng)余熱資源較豐富，既有轉(zhuǎn)化一段工序的高品位余熱資源（600 ℃左右），又有預(yù)轉(zhuǎn)化工序的中低品位余熱資源（400 ℃左右），還有干吸工序的低品位余熱資源（200 ℃）。目前制酸干吸工序均按常規(guī)設(shè)置熱管低壓鍋爐，產(chǎn)出0.8 MPa的低壓飽和蒸汽，供生產(chǎn)和生活使用，其余余熱資源均未得到有效利用。

為了充分利用制酸系統(tǒng)的余熱資源，國(guó)內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)院對(duì)銅冶煉硫酸工序余熱利用進(jìn)行了研究[1-4]。目前國(guó)內(nèi)僅有易門(mén)銅業(yè)在轉(zhuǎn)化一段出口設(shè)置了過(guò)熱器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的冷卻器，將熔/吹煉爐余熱鍋爐產(chǎn)出的中壓飽和蒸汽過(guò)熱為中壓過(guò)熱蒸汽，既降低了轉(zhuǎn)化一段出口煙氣的溫度，又提升了蒸汽的品質(zhì)，增加了發(fā)電量[5]，且該項(xiàng)投資相對(duì)于飽和蒸汽發(fā)電節(jié)省了約30%。近五年的運(yùn)行證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

目前銅冶煉企業(yè)在余熱利用方面存在的主要問(wèn)題是：未全流程、系統(tǒng)性地對(duì)制酸系統(tǒng)的余熱資源進(jìn)行考慮，致使高品位的余熱資源得不到充分利用，低品位的余熱資源沒(méi)有得到完全有效利用。針對(duì)該情況，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，積極探索多點(diǎn)余熱高效利用很有必要。

1 銅冶煉和制酸工藝

1.1 銅冶煉工藝

銅冶煉項(xiàng)目常規(guī)的工藝路線(xiàn)是先通過(guò)熔煉產(chǎn)出55%～60%的冰銅，然后經(jīng)過(guò)造渣和造銅兩個(gè)過(guò)程將冰銅吹煉成粗銅。由于大部分冰銅吹煉工藝在一個(gè)吹煉空間中分階段進(jìn)行，而這些工藝存在生產(chǎn)不連續(xù)、效率低、爐壽命短等問(wèn)題，含硫煙氣無(wú)組織排放難以收集、處理費(fèi)用高等問(wèn)題（如PS轉(zhuǎn)爐吹煉工藝），或存在粗銅含硫高、雜質(zhì)含量高、吹煉渣含銅高、直收率低、冶煉成本高等缺點(diǎn)（三菱法連續(xù)吹煉）。

內(nèi)蒙古自治區(qū)某新建400 kt/a陰極銅大型銅冶煉廠(chǎng)采用“側(cè)吹+頂吹”的二連爐專(zhuān)利技術(shù)，即新型側(cè)吹熔煉和多槍頂吹連續(xù)吹煉爐冶煉工藝，具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

1）熔煉工序設(shè)計(jì)選用新型側(cè)吹熔煉工藝，不但具備當(dāng)前銅冶煉企業(yè)側(cè)吹熔煉爐的優(yōu)點(diǎn)，還具有熱穩(wěn)定性強(qiáng)、燃料率更低（小于1.5%）、操作更穩(wěn)定、爐體大修期更長(zhǎng)（3年以上）等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，該爐型可在年平均熔煉渣w(Cu)不超過(guò)2.5%的情況下產(chǎn)出品位75%左右的白冰銅，并能為提高下道連續(xù)吹煉工序的粗銅質(zhì)量和直收率創(chuàng)造有利條件。

2）吹煉工序設(shè)計(jì)選用多槍頂吹連續(xù)吹煉工藝，可以連續(xù)吹煉熔融態(tài)白冰銅，從根本上解決轉(zhuǎn)爐吹煉的低空污染問(wèn)題，具有生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定、易控制好操作、產(chǎn)出粗銅硫含量低[w(S)＜0.03%]、雜質(zhì)含量低、可以消化同期粗銅產(chǎn)量25%～30%的高品位冷料[w(Cu)＞95%]、鼓風(fēng)壓力低、綜合能耗低、余熱利用效果好、爐體壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

在該二連爐煉銅工藝設(shè)計(jì)中，熔煉爐余熱鍋爐和吹煉爐余熱鍋爐共用1個(gè)汽包，保證了余熱鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行，為后續(xù)余熱綜合利用創(chuàng)造了良好條件。

1.2 制酸工藝

煙氣制酸系統(tǒng)選用絕熱蒸發(fā)稀酸動(dòng)力波洗滌的煙氣凈化技術(shù)，凈化工序出口的冶煉煙氣中φ(SO2)超過(guò)19%。若采用常規(guī)的SO2轉(zhuǎn)化技術(shù)，需將φ(SO2)稀釋至12%～13%，才能控制轉(zhuǎn)化器一段催化劑床層出口的溫度不超過(guò)630 ℃。如果通過(guò)加入大量的稀釋風(fēng)降溫，則會(huì)導(dǎo)致后續(xù)設(shè)備規(guī)模增大，不僅會(huì)增加設(shè)備的設(shè)計(jì)制造難度，也會(huì)增加裝置投資和運(yùn)行費(fèi)用。近年來(lái)，隨著富氧熔煉工藝的發(fā)展，銅冶煉配套的制酸系統(tǒng)采用高濃度SO2制酸工藝的優(yōu)勢(shì)也日益明顯：不僅可以減少制酸電耗，還可以提高熱回收率，進(jìn)而降低制酸成本，提高硫酸生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，該項(xiàng)目采用更為經(jīng)濟(jì)的高濃度SO2復(fù)合轉(zhuǎn)化技術(shù)。高濃度SO2復(fù)合轉(zhuǎn)化技術(shù)適用于SO2濃度在較大范圍內(nèi)波動(dòng)的工藝煙氣，總轉(zhuǎn)化率可達(dá)99.96%，排放尾氣的ρ(SO2)低于200 mg/m3。該流程不需要引進(jìn)國(guó)外工藝和設(shè)備，具有工藝適應(yīng)性好、操作彈性大、余熱利用合理等優(yōu)點(diǎn)。

該項(xiàng)目采用部分煙氣稀釋后預(yù)轉(zhuǎn)化工藝與“3+1”二轉(zhuǎn)二吸制酸工藝相結(jié)合的流程，將干燥后的高濃度SO2工藝煙氣分成兩路，其中一部分（大約50%）與干燥的稀釋空氣混合，控制φ(SO2)在11%左右進(jìn)入預(yù)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)預(yù)轉(zhuǎn)化后的SO3煙氣再與風(fēng)機(jī)出口的其余50%的SO2煙氣混合，進(jìn)入“3+1”主轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。

2 多點(diǎn)位余熱高效梯級(jí)利用技術(shù)

冶煉系統(tǒng)由2套獨(dú)立生產(chǎn)系統(tǒng)組成，單套系統(tǒng)各配置了1臺(tái)熔煉爐、1臺(tái)多噴槍頂吹連續(xù)吹煉爐、2臺(tái)陽(yáng)極精煉爐，其中熔煉爐和吹煉爐高溫?zé)煔饩哂写罅康目苫厥沼酂?；而制酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中煙氣的SO2轉(zhuǎn)化為SO3的過(guò)程中，也放出大量的可回收熱量。

2.1 熔煉爐煙氣余熱回收

單套生產(chǎn)系統(tǒng)的余熱鍋爐配置的設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1，入口煙氣條件見(jiàn)表2。

表1 熔煉爐余熱鍋爐設(shè)備參數(shù)

表2 熔煉爐余熱鍋爐入口煙氣條件

2.2 吹煉爐煙氣余熱回收

單套生產(chǎn)系統(tǒng)連續(xù)吹煉爐配置的設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表3，余熱鍋爐入口煙氣條件見(jiàn)表4。

表3 吹煉爐余熱鍋爐設(shè)備參數(shù)

表4 吹煉爐入口煙氣條件

2.3 制酸系統(tǒng)干吸工序余熱回收

干吸工序一次吸收設(shè)置HRS低溫位熱回收系統(tǒng)，產(chǎn)出0.8 MPa的低壓飽和蒸汽。高溫吸收塔分為兩段，用帶通氣孔的隔板隔開(kāi)，各自設(shè)有填料層。高溫吸收塔下段噴淋約200 ℃、w(H2SO4)99%的濃硫酸吸收煙氣中的SO3，吸收SO3后的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高至約99.7%，溫度升高約20 ℃，從塔底流入高溫吸收塔循環(huán)槽，由高溫循環(huán)泵送入蒸汽發(fā)生器。高溫濃硫酸在蒸汽發(fā)生器內(nèi)與鍋爐給水換熱，產(chǎn)生低壓蒸汽。蒸汽發(fā)生器出口的濃硫酸分為兩部分，其中大部分硫酸在混合器內(nèi)加水調(diào)節(jié)質(zhì)量分?jǐn)?shù)至約99%后進(jìn)入高溫吸收塔循環(huán)使用，小部分硫酸依次經(jīng)鍋爐給水加熱器和脫鹽水加熱器進(jìn)一步回收熱量后串入二吸塔循環(huán)槽。

干吸工序二次吸收的酸冷卻器設(shè)置循環(huán)水和熱水的雙冷卻系統(tǒng)，在夏季使用循環(huán)水冷卻酸，冬季使用供暖熱水冷卻酸，產(chǎn)出的熱水供附近生產(chǎn)生活區(qū)域采暖使用，整個(gè)系統(tǒng)熱利用率高。使用閥門(mén)控制主轉(zhuǎn)化和預(yù)轉(zhuǎn)化的煙氣流量和壓力，整個(gè)裝置的壓力降只略高于傳統(tǒng)的“3+1”二轉(zhuǎn)二吸裝置，運(yùn)行成本較低。

2.4 制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化工序余熱回收

根據(jù)制酸工藝要求，同時(shí)結(jié)合全廠(chǎng)余熱利用的需要，主轉(zhuǎn)化一段設(shè)置1臺(tái)過(guò)熱器，過(guò)熱熔吹爐余熱鍋爐產(chǎn)出的中壓飽和蒸汽；在主轉(zhuǎn)化三段設(shè)置1臺(tái)過(guò)熱器，過(guò)熱干吸工序余熱回收裝置產(chǎn)出的低壓飽和蒸汽。主轉(zhuǎn)化四段出口的二次轉(zhuǎn)化煙氣的余熱，用于加熱干吸工序低溫位熱回收系統(tǒng)蒸汽發(fā)生器的熱水。過(guò)熱器入口的煙氣條件見(jiàn)表5，轉(zhuǎn)化工序余熱回收裝置的設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表6。

表5 過(guò)熱器入口煙氣條件

表6 轉(zhuǎn)化工序余熱回收裝置設(shè)備參數(shù)

2.5 蒸汽余熱利用

兩條冶煉生產(chǎn)線(xiàn)的蒸汽生產(chǎn)情況見(jiàn)表7。

表7 蒸汽生產(chǎn)情況

由于蒸汽產(chǎn)量大，可以考慮設(shè)置汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，也可以考慮直接采用汽輪機(jī)拖動(dòng)大型設(shè)備。該項(xiàng)目中的大型設(shè)備有1臺(tái)18 000 kW深冷空氣壓縮機(jī)、2臺(tái)3 030 kW制酸系統(tǒng)SO2風(fēng)機(jī)、2臺(tái)1 500 kW空氣風(fēng)機(jī)，因此考慮采用中壓過(guò)熱蒸汽拖動(dòng)上述5臺(tái)大型設(shè)備。過(guò)熱蒸汽用于設(shè)備驅(qū)動(dòng)更符合能源利用的發(fā)展趨勢(shì)，蒸汽利用效率更高，故設(shè)計(jì)采用蒸汽與電力雙驅(qū)動(dòng)，保證大型設(shè)備運(yùn)行的可靠性。低壓過(guò)熱蒸汽用于汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，低壓飽和蒸汽用于生產(chǎn)和生活用汽。全廠(chǎng)蒸汽平衡見(jiàn)表8。

表8 全廠(chǎng)蒸汽平衡

熔煉爐余熱鍋爐、吹煉爐余熱鍋爐產(chǎn)出的4.0 MPa中壓飽和蒸汽經(jīng)過(guò)硫酸主轉(zhuǎn)化一段的過(guò)熱器過(guò)熱至450 ℃、3.82 MPa，用于制氧站空氣壓縮機(jī)和制酸系統(tǒng)SO2風(fēng)機(jī)、空氣風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)故障時(shí)，多余的中壓過(guò)熱蒸汽通過(guò)減溫減壓器回收冷凝水。

干吸工序低溫位熱回收裝置產(chǎn)出的0.8 MPa低壓飽和蒸汽，經(jīng)過(guò)主轉(zhuǎn)化三段的過(guò)熱器過(guò)熱至320 ℃、0.7 MPa，送入廠(chǎng)區(qū)低壓過(guò)熱蒸汽管網(wǎng)全用于冷凝發(fā)電。當(dāng)?shù)蛪猴柡驼羝粔蛴脮r(shí)，部分低壓過(guò)熱蒸汽經(jīng)減溫減壓器進(jìn)入低壓管網(wǎng)供生產(chǎn)和生活使用。當(dāng)?shù)蛪哼^(guò)熱蒸汽汽輪機(jī)組故障時(shí)，低壓過(guò)熱蒸汽經(jīng)旁路減溫減壓器后通過(guò)冷凝器回收冷凝水。

蒸汽利用流程見(jiàn)圖1。

圖1 蒸汽利用流程

3 余熱回收系統(tǒng)試運(yùn)行情況

該銅冶煉項(xiàng)目投產(chǎn)運(yùn)行一年以來(lái)，余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。生產(chǎn)實(shí)踐證明，該余熱利用方案實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)位余熱高效梯級(jí)利用的構(gòu)想，每小時(shí)可節(jié)電39 000 kWh，扣除自用電，節(jié)電約2.52億kWh/a，減少二氧化碳排放200 kt/a，節(jié)能減排效益顯著。該余熱回收系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）在制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化工序設(shè)置中壓過(guò)熱器和低壓過(guò)熱器是可行的，在運(yùn)行實(shí)踐過(guò)程中并未發(fā)生明顯的腐蝕現(xiàn)象。

2）低溫位熱回收裝置的設(shè)備材料采用不銹鋼材質(zhì)可以避免酸腐蝕。

3）二吸塔的余熱回收裝置在冬季時(shí)產(chǎn)出供暖用熱水給廠(chǎng)區(qū)，一方面大大減少了硫酸循環(huán)水的用量，節(jié)約了冷卻塔能耗；另一方面用余熱采暖節(jié)約了燃?xì)庀?，?jié)省了采暖成本。

4）系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)生因換熱器故障引發(fā)的系統(tǒng)停機(jī)問(wèn)題。

5）大型設(shè)備采用蒸汽和電力雙驅(qū)動(dòng)，蒸汽利用效率高，保證了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

該銅冶煉企業(yè)開(kāi)發(fā)的新型銅冶煉余熱利用技術(shù)，將熔煉工序和吹煉工序余熱鍋爐所產(chǎn)4.0 MPa中壓飽和蒸汽利用制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化一段的過(guò)熱器過(guò)熱至450 ℃、3.82 MPa，用于工業(yè)設(shè)備拖動(dòng)；制酸系統(tǒng)干吸工序產(chǎn)生的0.8 MPa低壓飽和蒸汽，部分在預(yù)轉(zhuǎn)化工序的過(guò)熱器過(guò)熱至320 ℃，其余用作生產(chǎn)和生活用汽；干吸工序的酸冷卻器產(chǎn)生的余熱用于加熱熔煉工序余熱鍋爐給水和干吸工序余熱鍋爐給水，還可用于冬季廠(chǎng)區(qū)供暖。該技術(shù)綜合能源利用效率較高，真正實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位余熱高效梯級(jí)利用，經(jīng)濟(jì)效益顯著，值得進(jìn)一步推廣。