【余热利用】有色冶金烟气余热回收利用

发布时间:2019-03-17 12:01        

本文叙述了目前有色冶金行业的烟气余热现状和对其回收利用存在的问题,并提出了对烟气余热按质回收,温度对口的梯级利用原则。同时简要介绍了对于中低温烟气余热高效回收利用的有机郎肯循环发电技术。

有色行业长期存在的高能耗问题仍然十分突出,单位产品能耗比国际先进水平高 10%左右。在有色冶金的能耗构成中,有效热只占了32%,另有8%的热量随着炉墙等散失掉,其余的60%都是有色金属冶炼过程中的余热量。而在这些余热量中烟气余热占的比例高达80%左右,由此可见,回收有色冶金行业中的烟气余热对于降低有色冶金工业能耗有着重要意义。

1、烟气余热回收利用概况

1.1 烟气余热

在有色冶金行业的烟气余热中,温度高于1000℃的高温烟余热占总烟气余热的52%,而温度在600~1000℃之间的中温烟气余热和温度低于600℃的低温烟气余热分别占总烟气余热的26%和22%。表1是部分有色冶金炉窑烟气的温度和热效率。从表1可以看出,有色冶金炉窑的烟气带走的热量在总热量中占相当大的比重,烟气的温度越高,带走的热量就越多,从而炉窑的热效率也越低。因而尽可能最大限度地回收烟气余热是提高炉窑热效率的必要措施。

表1部分有色炉窑烟气的温度和热效率

另外,由于大多数有色金属冶炼所用的原材料都是硫化矿,炉窑产生的烟气中含SO2 等腐蚀性气体较多,并且大部分的烟气温度很高,因此烟气容易对换热设备造成高温或低温腐蚀。同时,烟气中的含尘量大,有些炉窑产生的烟气量随工艺周期性变化,这些烟气的特点都在很大程度上影响着对有色冶金炉窑烟气余热的回收利用。

1.2 回收现状目前较为普遍的对有色炉窑的烟气余热进行回收利用的方法有:

(1)在烟道安装余热锅炉生产蒸汽;

(2)利用余热发电;

(3)利用烟气余热预热空气或物料;

(4)安装汽化水套生产低压蒸汽或安装冷却水套产生热水等。

随着人们对有色炉窑的工艺和烟气特点的不断研究,很多企业已经设计并应用了能适应炉窑烟气特性、充分回收烟气余热的余热设备。

例如:

(1)锌精矿沸腾焙烧炉余热锅炉采用辐射大空腔结构,起到沉灰和减小磨损的作用,并使烟尘迅速冷却到650℃以下,解决了烟气中含较多低熔点金属烟尘微粒高温下极易粘结的问题;

(2)烟化炉与余热锅炉的一体化设计把烟化炉和余热锅炉有机地结合在一起,既改善了烟化炉的吹炼状况和余热锅炉技术操作条件,又解决了在间断生产条件下实现连续供汽的技术难题,并实现烟化炉余热的全面回收。

除以上两例子之外,目前还有很多有色冶金炉窑烟气余热回收设备的改进技术,这些都为回收有色炉窑的烟气余热起到了重要作用。

1.3 存在问题

目前大部分对有色炉窑的烟气余热回收都是针对高温烟气而言的,而由于技术和经济性的原因,对于同样占总烟气余热一半的中低温烟气余热利用甚少。为此,对有色行业中的中低温烟气余热回收利用的研究与应用需引起高度重视。另外,更值得一提的是在现有的高温烟气余热的回收利用上,很多都只是简单的从能量守恒的数量关系上考虑,而没有考虑热能的质量变化,即没有考虑能级的匹配问题。例如,压力为1.3MPa的饱和蒸汽具有㶲值1005kJ/ kg,如果将余热锅炉产生的此蒸汽降压到0.3MPa来供热用户采暖使用,就会白白造成㶲值损失172kJ / kg,损失了约为原有㶲值的17%。而闪速炉的余热锅炉蒸汽压力往往在4~5MPa以上,如果同样直接减压用于低压用户的话,㶲损失将更大。这样一来虽然实现了对烟气余热的回收利用,但却将高品位的热能降低成了低品位的热能来使用,造成了大量的高级能量㶲值的损失。由此可见,对于烟气余热回收问题不能仅从热效率来考察其优劣,必须同样重视能量的质量贬值问题。

2、烟气余热回收的梯级利用

由上面的论述不难得知,要充分合理地利用有色炉窑的烟气余热,就要根据烟气余热资源的数量、品质(温度)和用户要求,遵循能级匹配的原则,实现对其进行按质回收,温度对口的梯级利用。一般情况下具体的梯级利用原则如下。

(1)如果在生产工艺中有合适的热用户,应优先考虑将烟气的余热回收利用于生产工艺过程本身。这样,将烟气中的余热直接带回生产工艺过程中,直接降低了生产工艺过程的能耗,比通过转换装置来回收烟温的余热更为经济和有效。例如,在氧化铝生产中的氢氧化铝流化态焙烧工艺中,流态化焙烧炉产生的烟气温度在1000℃左右。为充分利用余热,让热烟气与氢氧化铝物料逆向流动,利用热烟气余热干燥氢氧化铝并进行预焙烧,从而充分回收了高温烟气余热,大大降低焙烧的能耗。

(2)对于高温烟气的余热应优先用于动力回收,利用常规水蒸气郎肯循环进行发电,将高温烟气的中级能热能转换成高级能电能。这不仅完成了对高温烟气余热的有效回收利用,也遵循了能级匹配原则,实现了高品质热能的高品质利用。例如,在铜冶炼过程中的闪速炉熔炼工艺中,闪速炉的烟气温度可达1300℃以上,可将这部分烟气的余热利用余热锅炉生产出中压饱和蒸汽送至蒸汽过热炉,将蒸汽加热成过热蒸汽,产生的过热蒸汽用来推动汽轮机发电。这与把于余热锅炉产生的蒸汽直接减压供给低用户使用相比减少了大量㶲损失,从而对烟气余热能的回收利用更具合理性。

(3)在中温烟气和低温烟气余热的利用上,对于温度较高的中高温烟气仍然应优先应用于动力回收发电。如,锌精矿酸化沸腾焙烧炉的烟气温度在800~900℃之间,可将其烟气的余热利用余热锅炉生产蒸汽发电。而对于温度较低的中低温烟气而言,利用常规水蒸气郎肯循环发电回收烟气余热的热效率极低,不具合理性。这部分的烟气余热最好直接应用于生产工艺本身,如加热物料、预热助燃空气等。如得不到以上利用时再考虑应用其冬季采暖,夏季制冷等其他利用方式。

在如今有色冶金行业烟气的余热回收中,对于中低温烟气余热的回收利用一直是一个薄弱环节。为此,进一步研究对中低温烟气余热的回收利用就显得极其重要和必要,而有色冶金中低温烟气余热的高效有机郎肯循环发电技术(ORC)就是一个很具有发展潜质的研究方向。

3、中低温烟气余热的有机郎肯循环发电技术

有机郎肯循环(Qrganic  Ranleine  Cycle)发电技术是用低沸点有机物代替常规水蒸气郎肯循环中的水作为工质,利用外热源将其加热产生较高压力的蒸汽来推动汽轮机发电。由于低沸点工质在较低温度下就能产生高压蒸汽,为此该技术主要用于低温余热的回收利用上。对于目前没有得到很好利用的有色冶金烟气余热中的中低温烟气余热来说,ORC技术是一个很好的研究内容和发展方向。图1为中低温烟气余热的有机郎肯循环发电技术。

图 1中低温烟气余热的有机郎肯循环发电技术

此过程为经加压泵加压的低沸点有机工质,在有机工质余热锅炉中被中低温烟气加热,所产生的较高压力的蒸汽经透平发电,发电后的低压有机工质蒸汽在凝汽器中冷凝成液态有机工质,经加压泵加压送回有机工质余热锅炉,行成一个闭合循环回路。而低压有机工质蒸汽在凝汽器冷凝放出的热量则由冷却塔和冷却水泵等组成的冷却系统带走。

由于有色冶金行业的烟气中含有大量SO2等腐蚀性气体,从而使烟气的酸露点温度低。而低温有机郎肯循环系统中的有机工质在运行工况下的温度很低,导致受热面的温度也很低,通常会低于烟气的露点温度。因而,对于利用有色冶金中低温烟气余热的有机郎肯循环技术来说,受热面的低温露点腐蚀是一个有待解决的重要问题。另外,不同有机工质的选择和环境温度也都影响着有机郎肯循环的性能。总之,对于利用有色冶金中低温烟气余热的有机郎肯技术还有待于更深一步的研究,如果此技术得到成熟的应用,必将成为有色行业节能降耗的一个新的里程碑。

图2 ORC有机郎肯发电机组

4、结语

我国有色冶金行业的烟气余热资源占总余热资源的80%左右,回收这部分余热对于有色行业节能降耗有着重要意义。而在烟气余热回收利用上,应避免目前的烟气余热回收存在的问题,按照能级匹配原则,对其进行按质回收,温度对口的梯级利用。对于当前没有被很好利用的中低温烟气余热,要着力开发低温有机郎肯循环发电技术,实现对有色烟气中低温烟气余热的更进一步的高效利用。

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