淺談余熱發電在“雙閃”銅冶煉中的應用

魏廣敬，辛庚嘉

（陽谷祥光銅業有限公司，山東聊城 252300）

0 引言

當前全球能源短缺問題日趨嚴重，各國已著眼于能源的回收和再利用問題。伴隨著工業生態環保產業鏈的快速發展，煙氣余熱正從工業污染向二次能源轉變。祥光銅業有限公司（以下簡稱“公司”）是我國首家采用‘雙閃’技術的銅冶煉企業，閃速熔煉爐和閃速吹煉爐排出大量高溫煙氣余熱，在均投料量220 t/h 的情況下，余熱鍋爐生產飽和蒸汽約60 t/h，其中閃速吹煉爐15 t/h，壓力5.4 MPa，溫度270 ℃。為降低生產成本節約能源，在生態環保的主工藝下，公司建廠之初就設置了高、中、低3 種蒸汽管線，并引進蒸汽干燥機、德國KKK 余熱發電機組，使得余熱鍋爐蒸汽得到循環使用。并在二期擴建中選用德萊賽蘭余熱發電機組，多級單抽，便于蒸汽入口流量和壓力調控，熱能利用率由此提升至95%，也使得企業的經濟、社會效益全面提升。

1 概述

閃速熔煉技術是現代發展起來的先進冶煉技術。閃速熔煉主要是將焙燒、熔煉和部分吹煉合成了一個工序，從而大大減少能量消耗。閃速熔煉氧化反應迅速，單位時間內氧化放熱多，不僅可以加快熔煉反應，并且通過控制入爐的氧氣量，能夠在較大范圍內控制熔煉過程中的脫硫率。

冰銅閃速吹煉工藝是在高富氧的條件下以高品位的干冰銅粉作為原料，有高SO2濃度、高生產率、低排放、低能耗等形成的特點，節能環保。閃速吹煉的單爐產能年產粗銅可達到55～60 萬噸，產生的SO2煙氣濃度在PS 轉爐的1 倍以上，煙氣產量減少至少40%，使硫酸的電單耗也降低了10%。其標煤單耗和雜質脫除率持平于PS 轉爐，相較PS 轉爐其SO2排放量減少了至少25%。

2 雙閃工藝下余熱飽和蒸汽管線布置及功用

在系統全面運行過程中，各個工藝環節的余熱鍋爐在保障生產的同時也產生了較多高溫高壓的飽和蒸汽。為便于進一步統籌分配，提升余熱飽和蒸汽利用率，廠區共設置5.4 MPa、2.5 MPa、0.8 MPa 三條飽和蒸汽管線。其中，高壓管線主要用于余熱發電高壓側透平機機組，中壓管線主要用于蒸汽干燥機組，低壓管線主要用于余熱發電低壓側透平機和精煉、廠區生產生活需求。

2.1 高壓蒸汽系統

2.1.1 工藝系統

高壓蒸汽由閃速熔煉爐和閃速吹煉爐余熱鍋爐產生，其額定壓力為5.4 MPa，并網后進入廠區高壓飽和蒸汽管線，用于余熱發電或減壓后供中壓和低壓蒸汽管網使用。目前熔吹煉余熱鍋爐實際產汽量遠低于其設計額定產汽量，產汽量：熔煉鍋爐1#汽包0～8 t/h，熔煉鍋爐2#汽包0～45 t/h，吹煉鍋爐0～15 t/h。

2.1.2 高壓蒸汽用戶

高壓蒸汽主要用于余熱發電或減壓后供中壓和低壓蒸汽管網使用。在優先補充中壓及低壓用戶的用汽缺口后，多余的蒸汽在能夠滿足余熱發電機組的運行要求的情況下用于發電。目前共配置余熱發電機組2 套，分別為德國KKK 和德萊賽蘭公司生產，位于動力中心。1#為德國KKK 公司（西門子蒸汽透平機械設備公司）生產。參數為：高壓端進汽壓力5.4 MPa，高壓端進汽溫度265 ℃，高壓端進汽流量30～57 t/h，發電機功率（Max）6621 kW。2#為德萊塞蘭公司生產，參數為：高壓端進汽壓力5.4 MPa，高壓端進汽溫度265 ℃，高壓端進汽流量10～65 t/h，發電機功率（Max）8620 kW。

2.2 中壓蒸汽系統

2.2.1 工藝系統

中壓蒸汽由硫酸和陽極爐余熱鍋爐產生，其額定壓力為2.5 MPa（通常2.0～2.2 MPa），目前產汽量：一期硫酸1#鍋爐0～5 t/h，2#鍋爐0～20 t/h；二期硫酸1#鍋爐0～5 t/h，2#鍋爐0～20 t/h；陽極爐1#鍋爐0～3 t/h，2#鍋爐0～3 t/h。

2.2.2 中壓蒸汽用戶

中壓蒸汽主要用于銅精礦的蒸汽干燥、制氧及貴金屬，其余經減壓后供低壓蒸汽管網使用。熔煉一期蒸汽干燥機用汽量一般在0～15 t/h，連續運行；二期蒸汽干燥機用汽量一般在0～30 t/h，連續運行；其在制氧主要用于活化分子篩，每4 h 用1.5 h，用汽量約2～3 t/h；其在稀貴廠主要用于高壓釜作業，間斷使用、頻次不定，用量在2 t/h 左右。

2.3 低壓蒸汽系統

2.3.1 工藝系統

低壓蒸汽額定壓力為0.8 MPa，低壓蒸汽由精煉余熱鍋爐、余熱發電機組背壓蒸汽、多余的高壓和中壓蒸汽減壓產生。低壓管線直供鍋爐的實際產汽量：精煉1#鍋爐0～1.5 t/h，2#鍋爐0～1.5 t/h，燃氣鍋爐平時停運，生產用汽嚴重不足時臨時補汽用0～10 t/h。在余熱發電透平機高壓側經抽汽器抽出的蒸汽也是低壓管線的主要組成部分：1#機組，抽汽壓力0.85 MPa，抽汽溫度175 ℃，抽汽流量13.81～45 t/h；2#機組，抽汽壓力0.8 MPa，抽汽溫度170.4 ℃，抽汽流量0～45 t/h。

2.3.2 低壓蒸汽用戶

低壓蒸汽主要用于全廠的生產、生活、采暖與辦公樓中央空調等。主要用汽區域有：熔煉區域陽極爐及熔煉尾氣脫硫24 h 間斷用汽0～10 t/h；一期電解換熱器24 h 連續用汽0～18 t/h；一期凈液真空蒸發器24 h 連續用汽0～8 t/h；二期電解換熱器24 h 連續用汽0～8 t/h；電解機組白天約8 h 連續用汽0～3 t/h。由于冬季生活供暖及生產用的蒸汽量比夏季增加很多，一般每年11 月底到次年2 月底，余熱發電機組因蒸汽量不足，設備停運。

2.4 蒸汽管網系統間的補給

高壓蒸汽在減壓后首先供給中壓和低壓蒸汽管網使用。熔煉及吹煉余熱鍋爐產生的高壓蒸汽匯總至蒸汽母管送到管網蒸汽調節閥組，并通過高中及高低調節閥減壓后供中壓和低壓蒸汽管網使用。其余進入余熱發電系統的高壓透平機組。其次在中壓蒸汽管線，優先滿足中壓蒸汽用戶，若有富裕將減壓后供低壓蒸汽管網使用。若不足將從高壓蒸汽管網減壓補充。另外，低壓蒸汽管網，主要滿足于下線用戶的需要，在余熱發電機組開啟的情況下也會進入發電機組低壓側透平機輔助做功，保證能源的充分利用。

3 余熱發電的工作流程以及現場工況下的配置

3.1 余熱發電工藝流程

閃速熔、吹煉的爐體外水套鍋爐產生5.4 MPa 高壓的飽和蒸汽，通過汽水分離器、蒸汽過濾器后，到達緊急切斷閥與噴嘴組，隨后進入了汽輪透平機高壓側，基于熱膨脹，使得飽和蒸汽的熱能在汽輪機處轉換成動能，汽輪機的動能經過減速機進行變速后輸出，從而轉化為可滿足同步發電機需求的動能輸入，并驅動同步發電機進行發電做功。由此，經高壓腔做功后，蒸汽經抽汽器壓力降為0.65～0.8 MPa，與0.8 MPa 低壓飽和蒸汽管網連接。低壓蒸汽首先用于全廠生活以及電解銅等生產所需，其余部分進入低壓側透平機組二次利用，為發電機組提供輔助做功。做功后壓力降為0.1 MPa，經凝汽器凝結為水后，由凝結水泵、除氧器進入余熱鍋爐給水系統循環利用。

高壓透平和低壓透平同軸前后布置，從高壓透平與低壓透平之間引出抽汽。應用載荷范圍大，效率高相對發電量大。在汽輪機的高壓側，高壓蒸汽由絕壓值5.1 MPa 的干飽和蒸汽膨脹到絕壓值0.9 MPa 排出壓力；在低壓側透平機內，蒸汽膨脹到絕壓45 kPa 排出。透平機所需最小蒸汽流量為22 t/h，抽氣10 t/h，而針對于余熱發電機組低壓側，尤其下游用戶的蒸汽量需求量大時，保證發電機組的正常運行，用于KKK 發電機組低壓透平機所需最小氣量為10 t/h，用于低壓側透平機的葉輪冷卻，每個工作點的壓力允許誤差為10%。

3.2 電能并網的應用

在目前公司采用的KKK 余熱發電機組和德萊賽蘭余熱發電機組中，均采用多級單抽的余熱發電架構，配備有自勵磁、自調節、無刷的凸極式同步發電機，保證了輸出頻率均為50 Hz，并帶有充分相互聯接的減震條，以應對暫態特性、平穩的并列運行、負載波動、負荷不平衡等。從而保證了經機組發電機輸出的10 500 V±5%的穩定發電電壓，在通過并壓柜后，直接與廠區的10 kV 供電線路相并，經由變壓器和能耗電路為公司所有電耗設備供能。

4 雙閃冶煉與熔煉PS 轉爐的技術對比

雙閃由單閃發展而來，連續作業將熔煉與吹煉在生產時間上和空間上進行了完全的分開，彼此不干擾，其作業率明顯的優于其他工藝3%以上。其閃速吹煉工藝相較于常用的PS 轉爐吹煉工藝，主要有以下特點：閃速吹煉是選取高冰銅品位、高富氧濃度、高效反應、高生產率與高SO2濃度。首先FCF 工藝的冰銅品位普遍高于PSCF 工藝冰銅品位10%～15%，氧濃相差3 倍，閃速反應2～3 s 完成，閃速吹煉爐內不存在冰銅層，其結果是高生產率和高產能。其次流程短、工裝配置緊湊，廠房面積減少，從而減少熱損耗，降低熱輻射。另外，采用“雙閃”工藝SO2固化率可達99.7%，FCF 工藝比PSCF 工藝SO2總排放量減少25%以上。煙氣SO2的體積濃度是PSCF 的3～4 倍，穩定且能耗低，有利于制酸工序的進行。無論是從設計的角度還是從生產實踐的角度均說明，雙閃銅冶煉工藝并沒有因為浪費了冰銅的顯熱而致粗銅能耗增加，同時還能大幅降低制酸的能耗。

在余熱蒸汽的產能和使用率上亦是如此，目前現有的銅冶煉的工藝，PS 轉爐會產生大量的富裕蒸汽，但在后方，因開停風等因素致使負荷波動很大，相當一部分的的蒸汽量都是對外排放，不僅污染環境，還造成大量的能源浪費。而雙閃冶煉中，通過低能耗的主工藝高產能，減少外排煙氣，將更高比例的高溫煙氣轉化余熱蒸汽，供給廠區管線和余熱發電系統。使的能源得到了多重的利用，且所產飽和蒸汽在并網之后，蒸汽壓力較為穩定，蒸汽產量較為平穩。另外，工藝自身的連續性、長周期和高作業率，也為余熱發電的長期、高效、平穩運行奠定了基礎。

5 余熱發電系統運行中的問題及應對措施

目前在雙閃冶煉以及系統全套并行生產中正逐步趨于正常，但隨著低壓區用戶的消耗波動以及，在閃速爐每小時投料量的調整下，鍋爐產出的飽和蒸汽量也存在變化，造成余熱能源的分配上的偏差，也由此造成了余熱的損失。尤其在冬季，下線用戶需求的增加，致使蒸汽的產出和消耗存在不對等，相較于目前的產汽能力下，還有進一步優化的可能。另外，鑒于余熱發電機組在飽和蒸汽高壓低于4.0 MPa 后無法正常開啟，在公司蒸汽管網全面調度，統一分配的前提下，在蒸汽管網中實驗性增加蒸汽蓄熱器，以調節供汽量和耗汽量間的不平衡，從而減少不必要的放空，保障余熱蒸汽的最大利用率。

6 結語

生態環保、高產能、低能耗是雙閃銅冶煉的工藝優勢，余熱蒸汽的采集和應用是發展所需，更是企業提升自身經濟效益的重要環節。雙閃銅冶煉，首先創造了熱擴散小、氧化產能高等便于余熱收集的條件，為余熱發電提供了所必需的高壓、穩定的飽和蒸汽，而高壓蒸汽經高壓透平汽輪機、抽汽器后，也與低壓蒸汽管網用戶進行著蒸汽互補，從而使得銅冶煉工藝余熱得到了全面利用，大大提高了全廠的熱效率。