【余熱利用】有色冶金煙氣余熱回收利用

發布時間:2019-03-17 12:01        

本文敘述了目前有色冶金行業的煙氣余熱現狀和對其回收利用存在的問題,并提出了對煙氣余熱按質回收,溫度對口的梯級利用原則。同時簡要介紹了對于中低溫煙氣余熱高效回收利用的有機郎肯循環發電技術。

有色行業長期存在的高能耗問題仍然十分突出,單位產品能耗比國際先進水平高 10%左右。在有色冶金的能耗構成中,有效熱只占了32%,另有8%的熱量隨著爐墻等散失掉,其余的60%都是有色金屬冶煉過程中的余熱量。而在這些余熱量中煙氣余熱占的比例高達80%左右,由此可見,回收有色冶金行業中的煙氣余熱對于降低有色冶金工業能耗有著重要意義。

1、煙氣余熱回收利用概況

1.1 煙氣余熱

在有色冶金行業的煙氣余熱中,溫度高于1000℃的高溫煙余熱占總煙氣余熱的52%,而溫度在600~1000℃之間的中溫煙氣余熱和溫度低于600℃的低溫煙氣余熱分別占總煙氣余熱的26%和22%。表1是部分有色冶金爐窯煙氣的溫度和熱效率。從表1可以看出,有色冶金爐窯的煙氣帶走的熱量在總熱量中占相當大的比重,煙氣的溫度越高,帶走的熱量就越多,從而爐窯的熱效率也越低。因而盡可能最大限度地回收煙氣余熱是提高爐窯熱效率的必要措施。

表1部分有色爐窯煙氣的溫度和熱效率

另外,由于大多數有色金屬冶煉所用的原材料都是硫化礦,爐窯產生的煙氣中含SO2 等腐蝕性氣體較多,并且大部分的煙氣溫度很高,因此煙氣容易對換熱設備造成高溫或低溫腐蝕。同時,煙氣中的含塵量大,有些爐窯產生的煙氣量隨工藝周期性變化,這些煙氣的特點都在很大程度上影響著對有色冶金爐窯煙氣余熱的回收利用。

1.2?回收現狀目前較為普遍的對有色爐窯的煙氣余熱進行回收利用的方法有:

(1)在煙道安裝余熱鍋爐生產蒸汽;

(2)利用余熱發電;

(3)利用煙氣余熱預熱空氣或物料;

(4)安裝汽化水套生產低壓蒸汽或安裝冷卻水套產生熱水等。

隨著人們對有色爐窯的工藝和煙氣特點的不斷研究,很多企業已經設計并應用了能適應爐窯煙氣特性、充分回收煙氣余熱的余熱設備。

例如:

(1)鋅精礦沸騰焙燒爐余熱鍋爐采用輻射大空腔結構,起到沉灰和減小磨損的作用,并使煙塵迅速冷卻到650℃以下,解決了煙氣中含較多低熔點金屬煙塵微粒高溫下極易粘結的問題;

(2)煙化爐與余熱鍋爐的一體化設計把煙化爐和余熱鍋爐有機地結合在一起,既改善了煙化爐的吹煉狀況和余熱鍋爐技術操作條件,又解決了在間斷生產條件下實現連續供汽的技術難題,并實現煙化爐余熱的全面回收。

除以上兩例子之外,目前還有很多有色冶金爐窯煙氣余熱回收設備的改進技術,這些都為回收有色爐窯的煙氣余熱起到了重要作用。

1.3?存在問題

目前大部分對有色爐窯的煙氣余熱回收都是針對高溫煙氣而言的,而由于技術和經濟性的原因,對于同樣占總煙氣余熱一半的中低溫煙氣余熱利用甚少。為此,對有色行業中的中低溫煙氣余熱回收利用的研究與應用需引起高度重視。另外,更值得一提的是在現有的高溫煙氣余熱的回收利用上,很多都只是簡單的從能量守恒的數量關系上考慮,而沒有考慮熱能的質量變化,即沒有考慮能級的匹配問題。例如,壓力為1.3MPa的飽和蒸汽具有?值1005kJ/ kg,如果將余熱鍋爐產生的此蒸汽降壓到0.3MPa來供熱用戶采暖使用,就會白白造成?值損失172kJ / kg,損失了約為原有?值的17%。而閃速爐的余熱鍋爐蒸汽壓力往往在4~5MPa以上,如果同樣直接減壓用于低壓用戶的話,?損失將更大。這樣一來雖然實現了對煙氣余熱的回收利用,但卻將高品位的熱能降低成了低品位的熱能來使用,造成了大量的高級能量?值的損失。由此可見,對于煙氣余熱回收問題不能僅從熱效率來考察其優劣,必須同樣重視能量的質量貶值問題。

2、煙氣余熱回收的梯級利用

由上面的論述不難得知,要充分合理地利用有色爐窯的煙氣余熱,就要根據煙氣余熱資源的數量、品質(溫度)和用戶要求,遵循能級匹配的原則,實現對其進行按質回收,溫度對口的梯級利用。一般情況下具體的梯級利用原則如下。

(1)如果在生產工藝中有合適的熱用戶,應優先考慮將煙氣的余熱回收利用于生產工藝過程本身。這樣,將煙氣中的余熱直接帶回生產工藝過程中,直接降低了生產工藝過程的能耗,比通過轉換裝置來回收煙溫的余熱更為經濟和有效。例如,在氧化鋁生產中的氫氧化鋁流化態焙燒工藝中,流態化焙燒爐產生的煙氣溫度在1000℃左右。為充分利用余熱,讓熱煙氣與氫氧化鋁物料逆向流動,利用熱煙氣余熱干燥氫氧化鋁并進行預焙燒,從而充分回收了高溫煙氣余熱,大大降低焙燒的能耗。

(2)對于高溫煙氣的余熱應優先用于動力回收,利用常規水蒸氣郎肯循環進行發電,將高溫煙氣的中級能熱能轉換成高級能電能。這不僅完成了對高溫煙氣余熱的有效回收利用,也遵循了能級匹配原則,實現了高品質熱能的高品質利用。例如,在銅冶煉過程中的閃速爐熔煉工藝中,閃速爐的煙氣溫度可達1300℃以上,可將這部分煙氣的余熱利用余熱鍋爐生產出中壓飽和蒸汽送至蒸汽過熱爐,將蒸汽加熱成過熱蒸汽,產生的過熱蒸汽用來推動汽輪機發電。這與把于余熱鍋爐產生的蒸汽直接減壓供給低用戶使用相比減少了大量?損失,從而對煙氣余熱能的回收利用更具合理性。

(3)在中溫煙氣和低溫煙氣余熱的利用上,對于溫度較高的中高溫煙氣仍然應優先應用于動力回收發電。如,鋅精礦酸化沸騰焙燒爐的煙氣溫度在800~900℃之間,可將其煙氣的余熱利用余熱鍋爐生產蒸汽發電。而對于溫度較低的中低溫煙氣而言,利用常規水蒸氣郎肯循環發電回收煙氣余熱的熱效率極低,不具合理性。這部分的煙氣余熱最好直接應用于生產工藝本身,如加熱物料、預熱助燃空氣等。如得不到以上利用時再考慮應用其冬季采暖,夏季制冷等其他利用方式。

在如今有色冶金行業煙氣的余熱回收中,對于中低溫煙氣余熱的回收利用一直是一個薄弱環節。為此,進一步研究對中低溫煙氣余熱的回收利用就顯得極其重要和必要,而有色冶金中低溫煙氣余熱的高效有機郎肯循環發電技術(ORC)就是一個很具有發展潛質的研究方向。

3、中低溫煙氣余熱的有機郎肯循環發電技術

有機郎肯循環(Qrganic ?Ranleine ?Cycle)發電技術是用低沸點有機物代替常規水蒸氣郎肯循環中的水作為工質,利用外熱源將其加熱產生較高壓力的蒸汽來推動汽輪機發電。由于低沸點工質在較低溫度下就能產生高壓蒸汽,為此該技術主要用于低溫余熱的回收利用上。對于目前沒有得到很好利用的有色冶金煙氣余熱中的中低溫煙氣余熱來說,ORC技術是一個很好的研究內容和發展方向。圖1為中低溫煙氣余熱的有機郎肯循環發電技術。

圖 1中低溫煙氣余熱的有機郎肯循環發電技術

此過程為經加壓泵加壓的低沸點有機工質,在有機工質余熱鍋爐中被中低溫煙氣加熱,所產生的較高壓力的蒸汽經透平發電,發電后的低壓有機工質蒸汽在凝汽器中冷凝成液態有機工質,經加壓泵加壓送回有機工質余熱鍋爐,行成一個閉合循環回路。而低壓有機工質蒸汽在凝汽器冷凝放出的熱量則由冷卻塔和冷卻水泵等組成的冷卻系統帶走。

由于有色冶金行業的煙氣中含有大量SO2等腐蝕性氣體,從而使煙氣的酸露點溫度低。而低溫有機郎肯循環系統中的有機工質在運行工況下的溫度很低,導致受熱面的溫度也很低,通常會低于煙氣的露點溫度。因而,對于利用有色冶金中低溫煙氣余熱的有機郎肯循環技術來說,受熱面的低溫露點腐蝕是一個有待解決的重要問題。另外,不同有機工質的選擇和環境溫度也都影響著有機郎肯循環的性能。總之,對于利用有色冶金中低溫煙氣余熱的有機郎肯技術還有待于更深一步的研究,如果此技術得到成熟的應用,必將成為有色行業節能降耗的一個新的里程碑。

圖2 ORC有機郎肯發電機組

4、結語

我國有色冶金行業的煙氣余熱資源占總余熱資源的80%左右,回收這部分余熱對于有色行業節能降耗有著重要意義。而在煙氣余熱回收利用上,應避免目前的煙氣余熱回收存在的問題,按照能級匹配原則,對其進行按質回收,溫度對口的梯級利用。對于當前沒有被很好利用的中低溫煙氣余熱,要著力開發低溫有機郎肯循環發電技術,實現對有色煙氣中低溫煙氣余熱的更進一步的高效利用。

Copyright ? 2018 武漢同创娱乐网址設備有限公司