有色冶金行业烟气余热利用.docx

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1、有色冶金行业烟气余热利用目录刖舌1.烟气余热回收利用概况21.1. 1.烟气余热21.2. 回收现状21.3. 存在问题3.烟气余热回收的梯级利用 32 .中低温烟气余热的有机郎肯循环发电技术4.低品位余热利用螺杆膨胀机发电系统技术原理54. 1.前述54. 2,膨胀机与换热器是有机朗肯循环系统的核心部件64. 3.螺杆膨胀机发电系统在低品位余热发电中优势突出65.结语7刖三2018年，全国十种有色金属产量5688万吨，比上年增长6%,增速比上年提高3个百分 点。其中，铜产量903万吨，增长8%,提高0.3个百分点；电解铝产量3580万吨，增长 7.4%,提高5. 8个百分点；铅产量511万吨

2、，增长9. 8%,提高0.1个百分点；锌产量568万 吨，下降3. 2%,降幅比上年扩大2. 5个百分点。氧化铝产量7253万吨，增长9. 9%,增速比 上年提高2个百分点。有色金属工业持续快速开展，现在总产量已居世界第一，同时技术进步加快，产业结构 升级，在国际同业中的影响力及竞争力日益增强。但是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

3、降低有色冶金工业能耗有着重要意 义。第1页共7页1.1. 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1000C的高温烟余热占总烟气余热的52%,而 温度在6001000之间的中温烟气余热和温度低于600c的低温烟气余热分别占总烟气余热 的26%和22%。表1是局部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局部有色炉窑烟气的温度和热效率炉窑名称炉盘烟气平均温度/七州气带走热量/%炉窑

4、效率/%铜磨炼反射炉1450 -155012(X)-131045-55 。，一白银法炼铅炉1380-14001100-115040-453() 35炼桐闪速炉130() -1420125() -135050-6520 3()铜精炼反射炉1300 -152()1100-130052-6()15-25炼锡反射炉1200-135()1(X)0-115050-6515-3()熔铝反射炉105() 110()9(X1-100045-5025-30炉渣烟化炉1150/30()1050-120()40-4535-40氧化铝孰料回转窑14()0 -1500250 40012-2()55 7()氧化将燃烧回转窑

5、1(X)0 1250950-10()030-4050-60铅锌渣挥发窑1(X)0-115065(1 75()55*6015-25炼铜离析窑700 - 800300 4002() 3()5() 6()锌精矿酸化沸腾焙烧炉850 900820 87()45-60与烟气余热利用另外，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S02等 腐蚀性气体较多，并且大局部的烟气温度很高，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

6、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:第2页共7页(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

7、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. 存在问题目前大局部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

8、为L 3MPa的饱和蒸汽具有火用值 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 成火用值损失172kJ/kg,损失了约为原有火用值的17%。而闪速炉的余热锅炉蒸汽压力往往 在45MPa以上，如果同样直接减压用于低压用户的话，火用损失将更大。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 的高级能量火用值的损失。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

9、根据烟气余热资 源的数量、品质(温度)和用户要求，遵循能级匹配的原那么，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那么如下：(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。第3

10、页共7页(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 遵循了能级匹配原那么，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1300C以上，可将这局部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火用损失，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

11、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800900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。这局部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)就是一个很具有开展

12、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(Organic Rankine 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 好的研究内容和开展方向。图1为中低温烟气余热的有机郎肯循环发电技术。第4页共7页1一有机工质余热锅炉；2有机透平：3发电机；4 凝汽器；5加压泵；6储液罐;；工T砰手守隔可第1塔 图中低温烟气

13、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那么由冷却塔和冷却水泵等组成的冷却系统带走。由于有色，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

14、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。4 .低品位余热利用螺杆膨胀机发电系统技术原理4. 1.前述按低品位热源是否直接驱动螺杆膨胀机做功，可以将螺杆膨胀机发电系统分为常规循环 系统与有机朗肯循环系统。常规循环系统又称单循环系统，是将含热流体直接引入螺杆膨胀 机主机，由其推动主机膨胀作功，该类型系统较为简单，适用于高温高压流体的能量回收。 受膨胀能力限制，直接驱动螺杆膨胀动力机的热源应用范围

15、为低于300c的053QMPa的 蒸汽或压力0.8MPa以上、高于170C的热水等。有机朗肯循环系统又称双循环系统，是将工质与含热流体进行热交换之后，将气态的工 质引入螺杆膨胀机主机，推动主机膨胀作功。对小于的O.IMPa的蒸汽或压力0.8MPa以下、第5页共7页 高于85c的热水可以采用二次循环有机工质螺杆膨胀机系统进行余热回收。而对200度以上 的烟气可采用配余热锅炉的螺杆膨胀机组进行余热回收。烟气、热水等高温高低品位余热压气体有机朗肯循环系统具有余热回收效率高，系统简单，不需要出口端真空维持系统等配套 设备，密度大、膨胀机体积较小等优点。但是有机工质价格较高，一般一台100kW的机型，

16、所需通用环保制冷剂1吨左右，价格约为10万元，约占系统价格的10%o4. 2.膨胀机与换热器是有机朗肯循环系统的核心部件位热源换热的蒸发器与热功转换装备螺杆膨胀机。低压液态有机工质经过工质泵增压后 进入蒸发器，吸收热量转变为高温高压蒸气之后，高温高压有机工质蒸气推动膨胀机做功， 产生能量输出，膨胀机出口的低压蒸气进入冷凝器，向低温热源放热并冷凝为液态，如此往 复循环。4. 3.螺杆膨胀机发电系统在低品位余热发电中优势突出目前国内余热回收系统以余热锅炉+汽轮机所组成的低温汽轮机发电系统为主。低温汽轮 机发电可利用的余热资源主要是大于300的中高温烟气，如玻璃、水泥等建材行业炉窑烟 气或经一次利用

17、后降温到400600的烟气，单机功率在几兆瓦到几十兆瓦。此外通过余热锅炉或换热器从工艺流程中回收大量蒸汽，其中低压饱和蒸汽（IMPa左 右）、热水占有很大比例，除用于生产生活，还有大量剩余常被放散。利用螺杆膨胀发电机组 可以有效回收这局部低品质余热。该技术具有以下优点：可用多种热源工质作为动力源，适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽液两相混合物，也适用 于烟气、含污热水、热液体等，可以回收不同种类的工业余热；当余热热源不稳定，参数变 化时，机组效率表现稳定。螺杆膨胀机允许热源压力、流量在大范围内波动（从10%至120% 的范围），对机组效率影响不大；机内流速低，除泄露损失外，其他能量损失少，效率高；螺

18、第6页共7页 杆膨胀机还适用于高盐份的强碱流体，能除垢自洁，因而对余热流体品质要求不高，扩大了 应用范围；螺杆膨胀机的零部件少。螺杆转子坚固，大修周期长，小修简单，运行维护费用 很低，运行不用盘车、不暖机、不会飞车，可以直接冲转启动，操作简单，可实现无人职 守，维修容易，不需要专门的专业技术人员，很适合工矿企业使用；可调速，作为动力机使 用，如拖动给水泵或灰浆水泵，拖动风机，压缩机可以根据要求灵活变速，使用方便。螺杆膨胀机发电系统利用300度以下低温余热发电效率约8%-18%螺杆膨胀机属于容积式 膨胀机，受膨胀能力限制，螺杆膨胀动力机单机功率受限，多数在1000kW以下，主要用于 300度以下

19、，余热规模较小的场合。一般将系统对外输出机械能与低温热源所含热能的比例 称为系统的热功转化效率，热功转化效率与热源质量、换热器换热效率、膨胀机内效率、泵 及管路损耗等密切相关，一般热源温度越高，流量压力等越稳定，热功转化效率越高。对 200左右的热源，螺杆膨胀机发电系统热功转化效率可达15%左右，如果品质更低一点，热 功转化效率差不多8%13%o5.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，回收这局部余热对于有色 行业节能降耗有着重要意义。而在烟气余热回收利用上，应防止目前的烟气余热回收存在的 问题，按照能级匹配原那么，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。第7页共7页