銅冶煉及制酸系統過熱蒸汽發電技術實踐

文_阮云松 云南銅業股份有限公司西南銅業分公司

1 余熱資源利用背景

云南某銅冶煉廠余熱資源主要分布在“銅冶煉生產系統”和“冶煉煙氣制酸生產系統”中，如何實現生產系統余熱資源統籌規劃，對蒸汽合理分級、綜合利用，是企業實現資源綜合利用應深入研究的課題。

1.1 銅冶煉工藝

PS 轉爐吹煉系統配置常壓式水冷煙道，高溫煙氣中的熱量通過換熱被循環冷卻水帶出系統，余熱資源未得到有效利用。根據企業未來發展規劃，將在轉爐吹煉系統及配套中壓余熱鍋爐高效回收高溫煙氣中的余熱資源。

1.2 冶煉煙氣制酸工藝

銅冶煉制酸工藝流程：采用“煙氣凈化洗滌”、“二轉二吸”的常壓接觸法制酸工藝。

1.2.1 凈化工序采用板式換熱器通過循環冷卻水換熱移走系統熱量

干吸工序采用管殼式陽極保護冷卻器通過冷卻循環水換熱移走系統熱量。以上兩個工序均為老系統，實施余熱利用升級改造難度較大、投資較高，暫不具備實施改造條件。

1.2.2 硫酸轉化工序采用了“3+1”，Ⅲ、Ⅰ-Ⅵ、Ⅱ轉化換熱流程

依據可行性研究報告，硫酸轉化工序一段出口煙氣量約為81000Nm3/h、煙氣溫度為580 ～610℃，可利用溫度范圍為70 ～100℃，該位置含塵量小、含水少、煙氣熱值高（表1），其煙氣參數穩定、余熱資源豐富，余熱利用價值較高。

表1 硫酸轉化一段出口煙氣參數

理論計算，轉化一段出口煙氣溫度由580℃降至503℃，入口煙氣熱焓約為72400000kJ/h，出口熱焓約為62000000kJ/h，可利用余熱量約為10350000kJ/h。

1.3 確定余熱利用方案

根據生產系統余熱資源利用現狀和余熱綜合利用可行性研究結果，結合投資測算、經濟效益方面對“方案一采用飽和蒸汽發電方案”和“方案二采用過熱蒸汽發電方案”進行對比。其中，方案一采用飽和蒸汽發電技術涉及主系統改造內容相對較多、投資相較大。方案二采用過熱蒸汽汽輪發電機組，雖然未在銅冶煉系統中運用過存在一定的風險，但從理論上來說過熱蒸汽汽輪發電機組已有成熟的設計、制造及運行經驗，在正常進汽參數條件下可靠性較高；蒸汽輸送過程中蒸汽損失量相對較小。

經綜合分析，過熱發電技術在底吹爐銅冶煉生產系統中具有設備成熟、可靠性高、投資省、余熱利用率高等優點。根據銅冶煉生產系統工況和余熱資源分布作為余熱綜合綜合利用首選方案。

2 余熱利用概況

2.1 工藝流程

在硫酸系統轉化工序一段煙氣出口新增一套過熱器，利用硫酸系統轉化工序煙氣余熱過熱底吹爐余熱鍋爐所產4.2MPa、254℃飽和蒸汽轉化為3.82MPa、450℃過熱蒸汽，供到6MW 汽輪發電機組用于發電。高溫煙氣經過熱器換熱后溫度降低至503℃左右。過熱蒸汽進入汽輪發電機組做功發電，蒸汽做功后轉化為冷凝水返回鍋爐系統除氧器再次利用。余熱鍋爐定期清焦期間因沒有蒸汽產出，為了適應熱負荷的變化可根據蓄熱器具有緩和系統高峰負荷和平衡連續不均勻負荷的功能，選擇最簡易的辦法裝設蓄熱器。為減少汽輪機組停機次數，配置了1 臺蓄熱量滿足2h 內汽輪機低負荷運行的蓄熱器，可確保機組負荷維持在350kW 左右運行。

初步測算，達到設計要求后余熱發電站汽輪機汽耗率可達到4.80kg/kWh，比同規模飽和蒸汽發電機組汽耗率6.88kg/kWh 余熱利用系統綜合效率高。實現銅冶煉及制酸系統余熱資源綜合回收利用，使銅冶煉生產系統綜合能耗大幅降低。

2.2 主要設備配置

2.2.1 過熱器

硫酸轉化過熱器是過熱發電技術核心設備，硫酸過熱系統的過熱器分為高溫段和低溫段，高低溫段之間設有噴水減溫調節裝置。過熱器采用立式結構，總高度約3082mm，煙氣進出口尺寸與現有硫酸轉換一段出口煙管尺寸一致。

過熱器采用蘇州海陸重工股份有限公司產品，進出口集箱、蛇形管采用07Cr19Ni11Ti，翅片、外殼采用06Cr19Ni10，其余材質選用符合國家相關規程規范要求，滿足過熱器安全運行及相關介質要求。

2.2.2 蓄熱器

考慮底吹熔煉爐在清理鍋爐上升煙道結焦存在周期性停爐的特點，設計1 臺壓力4.2MPa，設計溫度260℃，有效容積為160m3的蓄熱器，以滿足汽輪機最低進汽負荷要求，確保汽輪發電機組和過熱器安全運行。

2.2.3 汽輪發電機組

綜合考慮公司未來5 年內發展規劃，初步設計時裝機容量按照未來銅冶煉產能規模留有一定余量，滿足今后生產需要。

2.3 項目節能概況

該余熱綜合利用項目建設投產后，達產后年余熱發電系統發電量可實現38900MWh，年外供電量36570MWh，根據云南省平均供電煤耗0.33kgce/kWh，按等價值計算年節約標準煤12068t。同時，回收凝結水每年可以節標準煤200.5t，除自用水（自用水46.8 萬t/a，折標準煤40.1t）外，項目年總節約標準煤12228t，節能減排效果明顯。

3 余熱利用系統運行情況

3.1 系統試生產情況

通過一年生產運行實踐證明，過熱蒸汽發電系統運行穩定、安全可靠、操作簡便、各項技術指標達標，實現了銅冶煉系統和硫酸系統余熱資源綜合高效回收利用，是一個銅冶煉行業余熱利用經典示范項目。

3.2 發電指標情況

該余熱發電系統設計規模按照企業未來發展規劃留有一定余量，從投產一年以來的生產統計數據來看，發電系統實際運行指標與設計指標存在一定差異，但仍優于同類型飽和蒸汽發電系統。

3.3 存在的問題及解決措施

問題一：投產初期真空度低影響發電效率。因射水抽汽系統水池容積小和流動性差，運行過程中水溫逐漸升高導致抽真空系統真空度降低，影響汽輪機效率。該問題已通過對抽汽系統中蓄水池和冷卻循環水系統改造已有效解決。

問題二：試生產期間過熱器發生泄漏影響硫酸制酸系統正常生產，以致發電系統被迫停機檢修。主要原因是過熱器設計時未充分考慮銅冶煉生產系統工況變化特殊性和內部換熱管束自由膨脹余量。生產系統開停爐升壓太快或升壓期間壓力波動較大，使高溫段和低溫段換熱管束及受壓元件溫差瞬間超過50℃甚至更高，換熱管束在溫度大幅波動的情況下膨脹受阻產生交變應力超過材料的屈服極限造成變形和管束破裂。通過重新優化設計、合理布置、優化操作控制后泄漏隱患問題已有效解決。

問題三：受制酸系統轉化率和操作不規范影響，硫酸過熱器進口煙氣溫度存在一定波動，給硫酸轉化整體溫度控制帶來影響，需要兩個生產工序主控人員及時溝通調整溫度參數。

3.4 下一步規劃

在生產系統實施升級改造后，將轉爐余熱鍋爐蒸汽并入飽和蒸汽管道用于發電，進汽量增加可有效提高汽輪機組效率。合理規劃新建硫酸預轉化系統過熱器。根據預轉化一層出口煙氣熱值，合理配置過熱器，可有效提高蒸汽利用率和發電量。

年度停爐檢修，有計劃性地對硫酸轉化系統觸媒進行篩分和更新，可提高硫酸轉化率和轉化溫度穩定性。解決制酸系統煙氣溫度、過熱蒸汽溫度波動大等問題。

開展余熱鍋爐受熱面清渣技術攻關和提高銅冶煉生產系統生產作業率，提升蒸汽供應穩定性，可有效提高汽輪機發電效率。

4 結語

實踐證明，銅冶煉生產系統余熱利用項目采用過熱發電技術是切實可行的，一方面提高了銅冶煉生產系統余熱資源綜合利用效率；另一方面降低了冶煉制酸生產系統能耗、生產成本，在銅冶煉行業中具有較好的推廣意義。