火法鋅冶煉中的余熱發電工藝

顏建民,畢剛芝

(湖南錫礦山閃星銻業有限責任公司,湖南冷水江 417500)

火法鋅冶煉中的余熱發電工藝

顏建民,畢剛芝

(湖南錫礦山閃星銻業有限責任公司,湖南冷水江 417500)

文章介紹了某廠自主研發設計并投入使用的火法鋅冶煉廠余熱發電機組工程。將鋅冶煉廠生產所排放的高溫煙氣加以收集、利用,在鍋爐內產生符合標準的蒸汽,驅動汽輪機發電機組,所發電與廠內電并網。對該工程可行性、硬件選擇、工藝生產流程、技術條件及主要技術經濟指標進行充分的論述,并簡要分析了3 MW汽輪發電機組投產以來所取得的顯著經濟效益。

鋅冶煉;高溫煙氣;3MW汽輪發電機組

在工業飛速發展的今天,節能,已是全世界當務之急關注的焦點問題。節能減排主要表現在減少能源浪費和降低廢氣排放,充分發揮再利用技術。湖南錫礦山閃星銻業有限責任公司(以下簡稱閃星銻業)鋅冶煉廠在余熱發電項目上邁出了成功的第一步。目前該機組已安全、穩定、可靠地運行了1 600余天,發電量達9.1×107kWh。通過余熱產汽量的擴大,又著手開發建設第二臺發電機組的試運行。

閃星銻業有火法煉鋅生產線一條,生產能力為3～5萬t/a。在鋅冶煉生產過程中,高溫煙氣排放的能耗約占總能耗的40%。在高溫煙氣總能耗中,有近50%的熱能以高溫煙氣和鍋爐排出廢氣的顯熱形式排入大氣。由于高溫煙氣的溫度可達600～850℃,隨著近幾年來余熱回收技術突飛猛進,余熱發電技術的應用得到積極推廣,同時余熱回收效率大幅提高,凝汽式汽輪機發電機組在技術上獲得突破,為有色冶煉行業余熱回收創造了優越的條件。在這樣的形勢和技術條件下,閃星銻業迅速啟動各種余熱回收項目,不但完成了企業的節能降耗任務,同時也能為企業本身創造可觀的經濟效益。

通過回收鋅冶煉的高溫煙氣加熱余熱鍋爐來收集余熱能源,結合低溫余熱發電技術,用余熱鍋爐的過熱蒸汽來推動汽輪機、發電機組做功發電的最新成套技術,其與火力發電相比,不需要消耗一次能源;不產生額外的廢氣、廢渣、粉塵和其它有害氣體;回收高溫煙氣中有用金屬,如鋅、銦等。

1 鋅冶煉余熱利用的生產工藝流程

1.1 鍋爐余熱的收集

來自鋅冶煉焦結車間的高溫煙氣600～800℃經過減溫器到達余熱鍋爐,爐腔內穿過了數百根由高壓給水泵供水的蛇形水管,煙氣與布置在爐膛里的蛇形管內水進行強烈的輻射、對流換熱,將熱量傳給蛇形管內水和過熱器的蒸汽,高壓給水經熱交換后產生飽和蒸汽后,進入余熱鍋爐收集。煙氣經過熱交換后經金屬回收、除塵器除去煙氣中的飛塵,其中經過二次布袋室回收金屬粉塵鋅、銦等,再由引風機經煙囪高空排入大氣。鍋爐內的蒸汽升溫、升壓后達汽輪機組所需溫度375℃、壓力達2.35 MPa、流量達14 t/h。多臺鍋爐的合格蒸汽全部送到新蒸汽母管上,再送往汽輪機組發電做功(如圖1所示)。

1.2 汽輪發電機組發電

發電機組從新蒸汽母管上引取鍋爐產生了合格蒸汽,先經電動主蒸汽閥到達汽輪機自動主汽門,蒸汽按一定的方向進入汽輪機轉子上的葉片,葉片強迫汽流改變運行方向,產生蒸汽對葉片的作用力,推動轉子旋轉做功,將蒸汽的動能轉換成汽輪機轉子旋轉的機械能。使汽輪機達到額定的轉速5 660 r/min,經變速齒輪箱將高動能、低轉速的 2 880 r/min機械動能帶動發電機組,發電機再將機械能轉化成電能,調節機端電壓、相位、頻率、初相角與工廠電網并網(如圖2所示)。

1.3 余熱發電的系統控制

系統控制采用集散式控制,所有的現場實時監控數據都連接到中控室主控站內,通過對各生產工藝流程數據的采集與系統分析,再由中控室發出控制指令,對生產中各種參與連鎖的設備進行及時的調度與調整,達到生產中各流程處于最佳生產狀態(如圖3所示)。

圖1 余熱鍋爐系統圖

圖2 汽輪發電機主流流程

圖3 余熱發電系統控制

2 余熱發電系統設施

2.1 余熱鍋爐

鍋爐是為回收焦結爐高溫煙氣余熱而設計的余熱鍋爐,流動方向隧道式布置的單煙道鍋爐。余熱鍋爐的技術參數列于表1,鍋爐結構特點如下:

1.鍋爐整體采用管箱式結構,自上而下有過熱器管箱、蒸發器管箱、省煤器管箱和凝結水加熱器管箱。這四只管箱通過型鋼將自身重量傳遞到鋼架的橫梁上。采用管箱式結構可將鍋爐漏風降至最低,減少鍋爐漏風熱損失,提高鍋爐效率。

2.鍋爐采用箱體外保溫結構。在外保溫外面裝設外護板,對保溫材料加以保護,散熱損失不超過2%。

3.余熱鍋爐采用立式結構,煙氣自上而下通過過熱器、蒸發器、省煤器、凝結水加熱器,針對煙氣品位低,受熱面采用鰭片管強化傳熱。

4.鍋爐布置形式采用立式結構,立式布置的優點:占地面積小;煙氣流動均勻,可避免出現煙氣走廊而導致傳熱效率降低和局部過速磨損。

5.鍋爐水循環方式為自然循環。

6.受熱面采用具有高擴展受熱面的螺旋鰭片管來獲得最佳的傳熱效果和最低的煙氣阻力,使得鍋爐結構變得非常緊湊,體積小,重量輕,節省鍋爐投資。

7.鍋爐管子水平布置,煙塵不易積在翅片上;鍋爐采用的小管徑受熱面,在同樣煙氣流速下,阻力較小;采用翅片管的鰭片節距大(t≥6.25),有利于清灰。

8.鍋爐密封性能好。

9.除氧器、低壓蒸發器以及低壓鍋筒一體化,節省投資和占地。

10.過熱器管受熱面省煤器全疏水設計。

11.凝結水加熱器采用雙集箱、螺旋翅片管受熱面結構,采用錯列布置。

12.在蒸發管束和過熱器、蒸發管束和省煤器之間均留有檢修間隙,并裝有人孔便于觀察和停爐時清灰。

13.考慮到煙氣中含塵量,過熱器上部、蒸發管束中部及省煤器上部都預留吹灰孔,吹灰方式采用人工與爆破清灰相結合;鍋爐下部設置排灰、排污水裝置。

表1 余熱鍋爐(型號:QC31/750-10-245/400兩臺套)

2.2 汽輪發電機組

表2為青島捷能汽輪機廠產品主要技術參數,表3為四川東風電機廠有限公司產品主要技術參數。

表2 汽輪機組(青島捷能汽輪機廠型號:N3-2.35 -3)

表3 發電機組(四川東風電機廠有限公司型號: QFB1-3-2A)

1.用于余熱利用的汽輪發電機的特點:因煙氣參數不穩定特性,選擇了進汽參數范圍大的機組,以汽定電,出力帶負荷的能力可在較大范圍內波動,發電機組能超過設計發電量的12%左右。

2.汽輪機帶有前壓調節裝置,當機組在正常運行時,以汽輪機的進口壓力作為主要控制參數,來調節機組輸出功率以保證壓力基本穩定,這種方式非常適應煙氣余熱參數的變化,使整個系統有較高的適應性和可靠性。

3.汽輪機調節為電液調節:電調和液調,電調主要靠電信號(模擬量轉換)來實現調節功能,液調一般是通過液壓油(控制油路的通斷)來實現調節功能。

4.循環冷卻水在冷凝器對蒸汽做功后產生的尾汽冷凝成水,60℃的冷凝水通過熱井桶回收后打入余熱鍋爐給水系統后經濟再循環利用,尾汽用于全廠生活、生產取暖所需。

2.3 系統控制

1.余熱鍋爐。汽輪機控制采用了浙江中控的J P-300XP集散控制系統。通過各種功能卡件和機柜搭建了一個完整的機組控制平臺。通過系統組態,將余熱鍋爐系統、汽輪機系統、油水風系統以及機組保安系統進行全方位的監控、實時操作、保安聯鎖。組態結構清晰,界面操作方便,有大容量、高吞吐量的實時數據庫和兩級分層的數據結構,提供了基于API接口的多種數據訪問接口,同時連接多達32個操作站、工程師站或多功能站。保證了系統安全、可靠、穩定運行。

2.發電機組。廠區配電站管理采用了長沙華能自控集團的MTC4.5綜合自動化系統。主要對發電機運行數據、配電站進行監控與操作。引入清華紫光的DMP300聯切保護系統,能實現發電機組對廠供電的弧網運行。電站管理系統分為各個硬件配電柜單元、數據采集與通訊單元、中心分析與管理、后臺監控與操作。

3 投資與效益分析

3.1 經濟效益

鋅冶煉廠余熱發電總投資1 200萬元。

1.項目工程經濟分析和評價的基礎數據與參數選擇:(1)設計3 000 kW的發電站,按每小時輸出功率2 800 kW計算(扣除自身用電損失7%);(2)年發電工作日:按8 000 h計(正常運行11個月,留1個月搞檢修維護);(3)每度電價按現行平均工業使用電價:0.55元/kWh計;(4)發電站年運行管理費,按計劃38人,每人每年3.5萬元計,共133萬元;(5)發電站機組設備折舊、維護維修、材料消耗,每年按總額的10%計,共120萬元;(6)工業凈循環水按1.3元/t,全年需補充新水145 000 t,合計費用18.8萬元;(7)軟水按6元/t計算,每小時需補充0.8 t,每年需產生費用3.8萬元。

2.項目工程年收益及投資回收期:

年純收益=電價(0.55元/kWh)年收入-所有成本費用,即:

初期投資回收期:1年零6個月。

3.余熱鍋爐及布袋室回收金屬中有鋅、銦、金、銀等,經二次提煉后同樣產生很高的經濟效益。

3.2 社會效益及環境效益

從能源利用角度,原來生產線24%左右的熱能隨廢氣排放到大氣中,不僅造成能源的浪費,同時產生溫室效應,利用煙氣加熱鍋爐余熱發電,部分代替來自電網的以化石燃料為能源的供電量,從而起到減少溫室氣體排放效果,降低鋅冶煉能耗,促進資源節約;降低產品單位價格,使企業更具競爭優勢,有利于企業可持續發展目標的實現,減少由常規火電廠帶來的SO2、CO2、粉塵之類的大氣污染物,有助于改善當地的能源結構,提高能源安全。

建設余熱發電項目后,不僅節約能源而且減少排放。全年按8 000 h運行,全年發電2 083萬kWh計算,自身電力供應可高達62%甚至更高(發電2 800 kWh,廠內總電網為4 500 kWh),發電量相當節約標準煤7 498 t(目前每度電折0.36 kg標準煤),同時也減少SO2排放164 t(SO2排放量約22 kg/t標煤),減少CO2排放量5 023 t(每噸標煤排放量0.67 t CO2)。

4 結 論

1.利用鋅冶煉廢氣余熱進行發電,發電后產生的尾氣用于取暖、烘蒸等生產及生活所需。冷凝水也達到循環利用,最大程度地提高余熱綜合利用率。

2.整個發電工藝過程不需要任何燃料,對大氣環境不增加任何污染物的排放,而且還可以降低排汽溫度,減輕溫室效應和降低熱污染,是節約能源、資源、降低企業成本極為有效的途徑,對保護生態環境有促進作用,環保效益與節能效益顯著。

3.利用煙氣余熱進行發電,在廠區直接并網利用,不僅可減緩電力供應緊張的局面,而且是較低成本電力的補充,減少了對外部供電的依賴性,可為企業創造顯著的經濟效益。

[1] 胡蔭平.電站鍋爐手冊(精)[M].北京:中國電力出版社, 2005.

[2] 火力發電廠汽輪機使用百科全書編委會.火力發電廠汽輪機使用百科全書[M].北京:中國知識出版社,2008.

[3] 胡念蘇.超臨界火力發電機組叢書-汽輪機設備與運行[M].北京:中國電力出版社,2008.

[4] 程逢科,王毅剛,候清.中小型火力發電廠生產設備及運行[M].北京:中國電力出版社,2006.

[5] 涂光瑜.汽輪發電機及電氣設備/300MW發電機組叢書[M].北京:中國電力出版社,2007.

Discussion on Cogeneration Technology in Zinc Smelting

YAN Jian-min,BI Gang-zhi
(Hunan Hiskwangshan Twinking Star Co.,Ltd,Lengshuijiang417500,China)

The article introduces the zinc smelter waste heat generating unit project,which is exclusively innovated and designed by Hunan Hiskwangsha Twinking Star Co.,Ltd,and has already been put into use.Its essential function is:collecting and making use of the high-temperature fumes discharged by the production of zinc smelting,then creating the designated-standard steam in the boiler to drive the steam turbine generator sets.At last,it can make sure that the powered electricity could be interlinked with the grid power plant.In this article,its feasibility,the selection of the hardware components,the processof the whole technological production,technical conditions and the main technical and economic indicators about thisproject have been fully discussed.In addition,it has briefly analyzed the significant economic benefits that brought by the operation of 3MW turbine-generator unit.

zinc smelting;high-temperature fume;3MW turbine-generator unit

TF111.1

A

1003-5540(2011)01-0020-04

顏建民(1963-),男,工程師,主要從事電氣自動化專業工作。

2010-08-25