铅锌冶炼厂炉窑的余热回收及利用

铅锌冶炼厂炉窑的余热回收及利用宋冬根南昌有色冶金设计研究院摘要侧重介绍了沸腾焙烧炉、烟化炉等炉窑的余热资源的回收及其利用系统。关键词余热资源余热利用、烟气露点1前言有色冶金炉窑种类繁多，用途各异，其中大多数为高温设备，余热资源非常丰富。例如，铅锌冶炼厂锌精矿沸腾焙烧炉，排烟温度一般在850～1050℃，烟化炉排烟温度可达l100℃以上。然而，有色冶金炉窑的余热有其自身的特点，一是烟气波动大，多数有色冶金炉窑呈周期性作业，加料熔化时，送风量大、烟气温高，烟气量大，含热量也大，反之，出料时，仅需保温，送风量小，烟气量也小，烟气温度也相应较低，含热量也自然随之减少。二是热源分散，如分散在烟气里，炉窑本身各冷却元件里，产品物料里等。三是余热载体较复杂，如烟气中的尘以及烟气中的不同气体成分如S02、CO、H2O、N2等。总之，有色冶金炉窑余热资源非常丰富，利用难度也较大，本文将侧重探讨某有色冶炼厂锌精矿沸腾焙烧炉、烟化炉等常用炉窑的余热回收及余热利用。2余热回收装置2．1锌精矿沸腾焙烧炉的余热回收装置锌主要以硫化物形态存在于自然界，约90％的锌是从硫化矿产出的。炼锌方法一般有火法和湿法两大类，无论那种冶炼方法，硫化锌精矿一般都要先经过脱硫，使硫化锌转变为氧化锌，以适应下一步冶炼工序的要求。硫化锌精矿的沸腾焙烧为自热熔炼，锌精矿中的硫化锌与鼓入炉内空气中的氧进行的氧化反应为强放热过程。硫化锌精矿在酸化沸腾焙烧时，沸腾层温度一般要求在850~900℃，排烟温度达900～950℃。烟气中并含有大量的烟尘和SO2，根据烟气后续处理工艺要求，烟气温度必须降至300~400℃后才能送至后续处理设备进行处理。余热回收装置的设置必须考虑烟尘的粘结和烟气的低温腐蚀，因此余热回收装置的结构设置必须考虑合理的清灰设施和控制每段冷却元件的烟气出口温度，同时余热回收装置生产蒸汽的压力也必须合理，防止受热面低温腐蚀。目前采用比较多的清灰设施是弹簧锤振打清灰，使用效果较好。装置的设计压力可根据烟气的成分和压力来考虑，一般饱和蒸汽压力对应的饱和蒸汽温度应高于烟气露点温度。生产的蒸汽（饱和或过热蒸汽）可用于发电和生产。2．2沸腾层的余热回收装置硫化锌精矿的酸化沸腾焙烧，沸腾层温度需维持在850～900℃，而硫化锌的氧化放热除能保证沸腾层的温度外，还约有19％的富余热量需要排出。最常用的方法是在锌焙砂沸腾层内设置汽化冷却埋管（换热装置），所产蒸汽并入烟气余热锅炉蒸汽系统。2．3烟化炉的余热回收装置铅鼓风炉渣常含有Zn、Pb，此外，还含有其他有价金属，应该尽量综合回收。尽管处理铅炉渣的方法很多，但大多数工厂都采用烟化法。烟化过程是典型的间歇作业，分加料期、吹炼期、放渣期等。吹炼100kg鼓风炉炉渣约产生240Nm3的烟气。排烟温度约1150℃，烟气含尘在70~100g／Nm3。烟化炉余热锅炉的开发运用不如沸腾炉余热锅炉出现得早。主要原因一是烟化炉没有沸腾焙烧炉应用广泛，数量远少于沸腾焙烧炉，只有大型冶炼厂才用烟化炉来处理鼓风炉渣；二是烟化炉为周期作业，烟量、烟温波动大，锅炉产汽量也呈周期性变化，汽量不稳定。余热锅炉仍由辐射室和对流室组成，辐射室出口烟气温度设置在600℃。清灰手段以吹灰和机械振打相结合。3．沸腾焙烧炉的余热利用某铅锌冶炼厂目前有多台沸腾焙烧炉余热锅炉先后投产，这些锅炉均产中温中压蒸汽，在余热利用之前，锅炉产生的蒸汽都是通过减温减压后供生产使用，这种简单原始的能源利用方法，对能源造成了极大的浪费。如果将这些蒸汽先发电后供热，实行热电联产，既充分利用了蒸汽的高品位能源，同时又保证了供热，使高品位的能源得到阶梯利用，提高了余热资源的利用率，产生了更好的经济效益和社会效益。3．1余热装置产汽量该冶炼厂余热利用装置生产中温中压蒸汽量见表1表1余热利用装置产蒸汽表热源名称产汽量（t/h）蒸汽参数备注压力（MPa）温度（℃）1、2#沸腾炉余热锅炉2x8.23.82450连续4#沸腾炉余热锅炉8.23.82450连续5#沸腾炉余热锅炉303.82450连续6#沸腾炉余热锅炉9.63.82450连续合计64.2该厂除上述余热装置生产中温中压蒸汽外，还有一台20t/h4#中温中压工业锅炉。而烟化炉余热锅炉，生产低压饱和蒸汽，由于该部分蒸汽压力和温度比较低，无法分阶段利用，因此蒸汽直接送生产使用。3．2余热利用系统3．2．1一期余热利用系统（1）蒸汽的平衡该冶炼厂2001年把余热利用项目列入改造计划，在2001年年底编制完余热利用可行性研究报告。此时生产中温中压蒸汽的余热回收装置只有4#~6#沸腾炉余热锅炉和4#工业锅炉，锅炉总产汽量为67.8t/h，而该厂生产和生活用汽量为：夏季35~45t/h，冬季74~78t/h，用汽压力＜0.4MPa。从锅炉的产汽和生产的用汽来平衡，在夏季不开4#工业锅炉的情况下，基本能产销平衡。但在冬季，即使投运4#工业锅炉也不能满足生产用汽需求。解决的办法一是增加现有炉窑的余热回收装置，二是投运现有的低压锅炉。在当时经费不足的情况下，采用了第二种方法。（2）余热发电系统由于冬、夏季有稳定的热负荷，设计选择了一套背压汽轮发电机组。热力系统：余热锅炉（包括4#工业锅炉）产生的蒸汽分2路进入发电车间的分汽缸，汇总后一路送背压汽轮机发电，发电后背压蒸汽送生产使用，另一路经减温减压后送生产使用，见下面的附图1。由于受余热锅炉操作条件的限制（运行时波动很大），该机组选用了一套进口德国的单级背压汽轮发电机组，机组参数如下：进汽参数：Q=46~65t/h，P1=2.9~3.4MPa，t1=395~420℃排汽参数：P2=0.5~0.7MPa(ata)，t2=226℃发电机功率：5000~6000kW该改造项目于2002年12月一次投产成功，一年来运行很好。3．2．2二期余热发电系统蒸汽平衡余热发电一期运行一年后，反映出比较集中的是蒸汽的平衡问题。在2003年中，由于现有的低压锅炉运行时维修费用很高，因此，该厂增加了2台炉窑的余热回收装置，即1#、2#沸腾炉余热锅炉，2台锅炉产汽均为8.2t/h。投运后，在冬季低压锅炉停运，利用新增余热锅炉解决冬季用汽问题，但在夏季即使停运4#工业锅炉，也还有多余的蒸汽无法得到利用，长时间放空，一是造成能源的浪费，二是造成环境的污染。从产出平衡以及工厂实际操作可知，在夏季有20~30t/h的蒸汽放空，放空时间每年为170~180天。为解决夏季蒸汽放空问题，2003年12月该厂委托我院编制了余热利用二期可行性研究报告，由于尝到了一期余热利用的甜头，该项目很快得到了厂里的支持，并开始实施。（2）余热发电系统由于一期背压蒸汽在夏季有部分富裕，且没有去路，设计选择了凝汽发电机组，利用多余的蒸汽发电，并回收凝结水。主要热力系统（一、二期）见附图1：凝汽发电机组选用进口德国单级凝汽机组，冷凝设备为国产设备，汽机与冷凝系统由设计院成套设计。整个机组单层布置，汽机与冷凝器布置在同一平面上，占地少，整套机组占地仅有12x4.5m，其中冷凝设备全部布置在一个机架上。凝汽发电机组主要参数如下：进汽参数：Q=20~30t/h，P1=0.45MPa（A），t1=180~220℃排气参数：P2=0.025MPa(ata)，t2=65℃发电功率：2370kW冷凝器：F=220m23．2．3余热发电机组特点进口发电机组与国产机组具有以下特点：①采用喷嘴组调节，因而有很高的低负荷效率及很宽的负荷调节范围（15%~100%）；②无须预热可直接在满负荷条件下启动，从冷态到热态投运仅需30秒，可适应频繁启动和停车操作；③独特的单级悬臂式转子设计，维护费用低；④独特的蒸汽密封结构，泄漏量小，无须对泄漏的蒸汽设置冷凝水回收装置，提高了效率；⑤机组结构紧奏，单层布置，占地小，基础简单，土建费用低；⑥具有前压调节性能，自动化程度高；⑦操作简单，几乎可实现无人操作。3．3主要技术经济指标一期余热发电系统运行后主要技术经济指标：总投资：1050万元；年供电量：2003年：2006x104kW·h；2004年：2002x104kW·h；年平均上网电价：0.4元/kW·h；年发电收入：701.4万元。根据2003年、2004年的发电量，一期工程已在2004年全部收回投资。二期改造在2005年5月投产，主要经济指标：总投资：750万元；年供电量：864x104kW·h；年平均上