余熱發電工藝在有色冶煉廠的應用

李騰飛，劉新國

（郴州金貴銀業股份有限公司，湖南郴州 423038）

余熱發電工藝在有色冶煉廠的應用

李騰飛，劉新國

（郴州金貴銀業股份有限公司，湖南郴州 423038）

介紹了將還原爐、煙化爐所產生的飽和蒸汽加熱至過熱蒸汽，并送至汽輪機，沖動轉子帶動發電機做功的工作原理，以及余熱發電的主要特點和結構組成。余熱發電不僅可以充分利用余熱能源，而且可以達到節能減排、改善環境的目的，通過余熱發電工藝在有色冶煉廠的實踐應用分析，說明了余熱發電的效益顯著。

飽和蒸汽；過熱蒸汽；余熱發電；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。湖南郴州市金貴銀業股份有限公司在余熱發電項目上邁出了成功的一步。

金貴銀業綜合回收廠還原爐和煙化爐的余熱鍋爐每小時產生的飽和蒸汽約20～30 t，其壓力為3.0～3.6 MPa，除了職工生活、洗澡以及食堂洗碗用少量蒸汽外，其余全部排空，不僅浪費了大量的余熱能源，而且有較嚴重的噪音污染和熱污染。為了響應國家對于環保的號召，降低生產成本、節約能源、改善環境，金貴銀業股份有限公司決定投資余熱發電項目，并于2014年1月開工建設，于2015年1月正式投產發電。該余熱發電項目選用青島捷能汽輪機集團股份有限公司的汽輪發電機組，該汽輪機型式為：中溫中壓、單缸、單軸、純凝汽沖動式汽輪機，總裝機容量6 000 kW，在供汽充足時（主蒸汽壓力達到2.3～2.4 MPa，主蒸汽溫度達到400～420℃），發電最高可以達到5 500～5 900 kW。

目前該機組已安全、穩定運行超900 d，發電量達到了4 700余萬kW·h。

1 金屬鉛、鋅冶煉中余熱發電的生產工藝簡介

1.1 蒸汽的收集、輸送及加熱

還原爐和煙化爐在熔煉過程中產生的大量的600～800℃的高溫煙氣，高溫煙氣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管道，煙氣與布置在爐膛里的蛇形管內的水進行強烈的輻射、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中壓低溫的飽和蒸汽后，進入余熱鍋爐收集。將飽和蒸汽通過蒸汽管道送入穩壓站蓄熱器，再由穩壓站的燃煤過熱器鍋爐將飽和蒸汽進一步加熱成中溫中壓，符合汽輪機進汽要求的過熱蒸汽，過熱蒸汽通過蒸汽管道進入汽輪機，具有中溫中壓的高速氣流從而沖動汽輪機轉子并帶動發電機做功［1，2］，如圖1、圖2、圖3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加熱后的合格蒸汽，先經電動主蒸汽閥到汽輪機自動主汽門，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，沖動轉子旋轉做功，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3 000 r／min，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。

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內，通過對各生產工藝參數、技術數據的采集、儲存以及系統分析，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，以使發電生產各流程處于最佳的生產狀態。

圖1 還原爐余熱鍋爐系統圖

圖2 煙化爐余熱鍋爐系統圖

圖3 穩壓站系統圖

2 余熱發電系統的組成結構以及主要特點

2.1 余熱鍋爐

余熱鍋爐是為回收高溫煙氣余熱而設計的鍋爐，流動方向隧道式布置的單煙道鍋爐。四川自貢東聯鍋爐有限公司制造的余熱鍋爐主要技術參數見表1。

表1 兩臺套余熱鍋爐主要技術參數

兩臺余熱鍋爐結構特點如下［3～6］：

1.鍋爐整體采用管箱式結構，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.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。

4.余熱鍋爐采用立式結構，煙氣自上而下，受熱面采用鰭片管強化傳熱。

5.鍋爐水循環方式為自然循環。

6.鍋爐布置形式采用立式結構，立式布置的優點：占地面積?。粺煔饬鲃泳鶆?，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。

7.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。

8.鍋爐密封性能好。

9.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。

2.2 穩壓站燃煤過熱器鍋爐

燃煤過熱器型鍋爐為低壓中溫、爐膛煙道“∏”型布置、煤粉懸浮燃燒，固態排渣。

燃煤過熱器鍋爐的主要作用：將飽和蒸汽進一步加熱成中溫中壓，符合汽輪機進汽要求的過熱蒸汽。

鍋爐爐膛四面由高溫澆注料組成，在水平煙道布置高溫過熱器、低溫過熱器，尾部豎井煙道里布置了上下兩級省煤器。過熱器采用一次充分混合、一級噴水減溫來保證蒸汽溫度在規定值。爐膛布置有一定數量的火焰監視孔、檢修火孔及防爆門；過熱器區、省煤器域布置4組脈沖激波吹灰裝置，尾部布袋收塵轉置，“人”字管風冷系統與脫硫裝置相連。

上海工業鍋爐有限公司制造的燃煤過熱器鍋爐主要技術參數見表2。

表2 燃煤過熱器鍋爐技術參數

2.3 汽輪發電機組

2.3.1 汽輪機設備簡況以及主要技術參數

本汽輪機為青島捷能汽輪機集團股份有限公司生產，型式為：中溫中壓、單缸、單軸、純凝汽沖動式汽輪機，主要技術參數見表3。

表3 汽輪機主要技術參數

2.3.2 發電機設備簡況以及主要技術參數

本發電機為東方電氣集團東風電機有限公司生產，型式為空冷發電機，該發電機具有勵磁、自調節（電壓調節范圍為正負5%）、定子接法為Y、有刷等結構特點。發電機主要技術參數見表4。

表4 發電機主要技術參數

2.3.3 用于余熱發電的汽輪發電機組的特點

1.機組可以實現電壓保護、過流速斷保護、頻率保護、電壓、電流、有功無功功率、有功無功電量、功率因素的儲存與顯示，以及所有工藝參數、報警信息的儲存與顯示。

2.應用范圍廣、負荷變化大。由于采用了6組噴嘴調節閥，因而有很寬的負荷調節范圍以及較高的負荷效率，機組可適應15%～100%范圍的負荷變化，具有較高的調節精度。也比較適合金貴銀業綜合回收廠余熱蒸汽負荷變化范圍大的余熱鍋爐系統。

3.發電過程中會有蒸汽在能量轉換過程中冷凝成水，產生的冷凝水回收后進入余熱鍋爐給水系統循環利用。

4.本系列機組采用的是數字電－液調節系統（DEH）。主要由南京科遠數字式調節器SY8000、電液轉換器CPCII、液壓伺服機構、調節汽閥等組成。機組的保安系統采用冗余保護。除了傳統的機械一液壓式保安裝置外，增加了電調裝置（DEH）、儀表監測系統的電氣保護（TSI）、汽輪機緊急跳閘系統（ETS）。

5.結構簡單、啟停迅速。11級汽輪機結構簡單，占地面積小，一次性投資費用低，運行成本低。可以用最小的投入獲得最大的收益。汽輪機組操作簡單，從啟動至成功并網發電，順利的時候，只需3 h。而短期停機后重新啟機，如主蒸汽溫度和壓力保持在一定范圍以內，只需1 h。并網分為全自動并網和手動并網。汽輪發電機組啟停是非常方便的。

6.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。

7.良好的防水防腐蝕特性。采用高性能材質及殼體，并減少了蒸汽含濕度至設計值。

8.設備體積小，基礎簡單，容易安裝，需要加設的管道也少。

9.該機組已無故障運行2 a，設計使用壽命為30 a。

3 汽輪發電機組的運行實踐

機組于2014年1月正式開工建設，于2015年1月正式并網發電運行，在進行的72 h試車調試過程中，現場測量數據表明機組運行效果良好。該機組已無故障運行2 a，設計使用壽命為30 a。在這2 a的運行中，煙化爐、還原爐全開運行時，并且正常運行，平均每日往余熱發電站輸送蒸汽360～500 t，平均發電量為81 000～90 000 kW·h，最高發電功率為5 800 kW，機組持續、穩定、安全的運行2 a。詳細實測數據見表5。

表5 實測運行數據

4 效益分析

4.1 經濟效益分析

在2016年的生產規模下（2016年還原爐年生產56 000 t粗鉛，煙化爐年生產6 000 t氧化鋅），平均用于發電的飽和蒸汽為20 t／h，2016年全年發電量為22 465 560 kW·h，發電機組年運行6 696.5 h，平均發電量為3 354 kW·h，每度電的市場價格為0.61元／kW·h，發電成本為0.3元／kW·h，2016年大修費用為70萬元人民幣。

年度發電利潤＝年度發電量×電價－年度發電量×發電成本－2016年大修費用。

即：年度發電利潤為：

22 465 560×0.61－22 465 560×0.3－700 000＝6 260 000（元）

4.2 社會效益及環境效益分析

建設余熱發電項目后，不僅節約能源而且減少排放。余熱發電裝機容量為6 000 kW，如果機組運行正常，假設全年按7 000 h運行，全年發電2 300萬kW·h計算，年創造效益1 300余萬，并且實現了年節能量折合標準煤16 000余t，相當于每年向大氣中減排CO26.5萬余t、減排SO243 t、減排粉塵煙塵65.5 t。

余熱發電項目的投入和實施，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。

5 結 語

利用純凝汽沖動式發電機組進行冶煉廢氣余熱發電，是節約能源、節約資源的有效途徑。利用煙氣余熱進行發電，可以在廠區直接并網利用，不僅可緩解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，為企業創造了顯著的經濟效益，同時也改善了金貴銀業綜合回收廠中蒸汽熱力系統配置不合理、浪費嚴重的狀況，提高了熱能利用效率，為企業創造了較好的經濟效益和環境效益。該工藝不僅先進可靠，而且見效非?？?，投資回收期短，值得在有色冶煉行業中大力推廣應用。

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［2］ 宋冬根.鉛鋅冶煉廠爐窯的余熱回收及利用［J］.有色冶金設計與研究，2005，（3）：1－4.

［3］ 程逢科，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.

［4］ 顏建民，畢剛芝.火法鋅冶煉中的余熱發電工藝［J］.湖南有色金屬，2011，27（1）：20－23＋80.

［5］ 張榮.煙化爐在鉛鋅熔煉循環系統中的應用［A］.賓萬達，黃其興，王建鉻，等.中國首屆熔池熔煉技術及裝備專題研討會論文集［C］.北京：中國有色金屬學會重冶學委會，2007.

［6］ 徐毅，王釗炎，張樂如.煙化爐－余熱鍋爐一體化研制［J］.有色冶金節能，2001，（4）：18－20.

The App lication of the Technology of Power Generation from Residual Heat in M etal Smelters

LITeng-fei，LIU Xin-guo
（Chenzhou Jingui Silver Industry Co.，Ltd.，Chenzhou 423038，China）

The working principle is introduced in this study that heating the saturated steam produced by the reducing furnace and fuming furnace to superheated steam，and then sending to the impulse rotor of steam turbin can drive the generator work.Additionally，we briefed themain characteristics and structure of power generation from residual heat which not only can take full advantage of heat energy，but also can be energy saving and emission reduction and environmental-friendly.By analyzing the practical application of the technology of power generation from residual heat in metal smelters，we found that power generation from residual heat improved the efficiency prominently.

saturated steam；superheated steam；power generation from residual heat；generating set

TM611.1

A

1003－5540（2017）04－0028－05

2017－07－02

李騰飛（1991－），男，助理工程師，主要從事余熱發電技術管理工作。