銅冶煉多點位余熱高效梯級利用技術應用

馬曉輝

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南長沙410011）

目前，我國能源生產的增長速度還難以適應國民經濟發展的要求，能源價格仍呈上升趨勢，能源費用占企業生產總成本的30%以上，銅冶煉企業面臨著不小的挑戰。開發利用好銅冶煉過程產生的大量余熱，將是保障銅冶煉企業健康發展的有力手段。隨著銅冶煉技術的快速發展，銅生產工藝在節能技術水平上有了較大的提升。然而，受銅冶煉技術的約束，大量的煙氣余熱和中低品位的余熱資源得不到充分利用，造成了嚴重的能源浪費。如果采取有效的技術手段對這些余熱進行回收與再利用，不僅可以節約資源，也能在一定程度上緩解企業能源供應不足的矛盾，提高企業的經濟效益，實現企業的可持續發展。因此，研究銅冶煉企業全流程余熱回收和利用具有重要意義。

銅冶煉企業的余熱資源主要集中在銅冶煉系統的熔煉和吹煉工序、制酸系統的轉化和干吸工序。目前熔吹煉工序的余熱鍋爐所產中壓飽和蒸汽，用于飽和汽輪機發電。制酸系統余熱資源較豐富，既有轉化一段工序的高品位余熱資源（600 ℃左右），又有預轉化工序的中低品位余熱資源（400 ℃左右），還有干吸工序的低品位余熱資源（200 ℃）。目前制酸干吸工序均按常規設置熱管低壓鍋爐，產出0.8 MPa的低壓飽和蒸汽，供生產和生活使用，其余余熱資源均未得到有效利用。

為了充分利用制酸系統的余熱資源，國內的科研機構和設計院對銅冶煉硫酸工序余熱利用進行了研究[1-4]。目前國內僅有易門銅業在轉化一段出口設置了過熱器，代替傳統的冷卻器，將熔/吹煉爐余熱鍋爐產出的中壓飽和蒸汽過熱為中壓過熱蒸汽，既降低了轉化一段出口煙氣的溫度，又提升了蒸汽的品質，增加了發電量[5]，且該項投資相對于飽和蒸汽發電節省了約30%。近五年的運行證明，該系統穩定可靠，經濟效益顯著。

目前銅冶煉企業在余熱利用方面存在的主要問題是：未全流程、系統性地對制酸系統的余熱資源進行考慮，致使高品位的余熱資源得不到充分利用，低品位的余熱資源沒有得到完全有效利用。針對該情況，結合生產實際，積極探索多點余熱高效利用很有必要。

1 銅冶煉和制酸工藝

1.1 銅冶煉工藝

銅冶煉項目常規的工藝路線是先通過熔煉產出55%～60%的冰銅，然后經過造渣和造銅兩個過程將冰銅吹煉成粗銅。由于大部分冰銅吹煉工藝在一個吹煉空間中分階段進行，而這些工藝存在生產不連續、效率低、爐壽命短等問題，含硫煙氣無組織排放難以收集、處理費用高等問題（如PS轉爐吹煉工藝），或存在粗銅含硫高、雜質含量高、吹煉渣含銅高、直收率低、冶煉成本高等缺點（三菱法連續吹煉）。

內蒙古自治區某新建400 kt/a陰極銅大型銅冶煉廠采用“側吹+頂吹”的二連爐專利技術，即新型側吹熔煉和多槍頂吹連續吹煉爐冶煉工藝，具有以下技術優勢：

1）熔煉工序設計選用新型側吹熔煉工藝，不但具備當前銅冶煉企業側吹熔煉爐的優點，還具有熱穩定性強、燃料率更低（小于1.5%）、操作更穩定、爐體大修期更長（3年以上）等優點。同時，該爐型可在年平均熔煉渣w(Cu)不超過2.5%的情況下產出品位75%左右的白冰銅，并能為提高下道連續吹煉工序的粗銅質量和直收率創造有利條件。

2）吹煉工序設計選用多槍頂吹連續吹煉工藝，可以連續吹煉熔融態白冰銅，從根本上解決轉爐吹煉的低空污染問題，具有生產連續穩定、易控制好操作、產出粗銅硫含量低[w(S)＜0.03%]、雜質含量低、可以消化同期粗銅產量25%～30%的高品位冷料[w(Cu)＞95%]、鼓風壓力低、綜合能耗低、余熱利用效果好、爐體壽命長等諸多優點。

在該二連爐煉銅工藝設計中，熔煉爐余熱鍋爐和吹煉爐余熱鍋爐共用1個汽包，保證了余熱鍋爐的穩定運行，為后續余熱綜合利用創造了良好條件。

1.2 制酸工藝

煙氣制酸系統選用絕熱蒸發稀酸動力波洗滌的煙氣凈化技術，凈化工序出口的冶煉煙氣中φ(SO2)超過19%。若采用常規的SO2轉化技術，需將φ(SO2)稀釋至12%～13%，才能控制轉化器一段催化劑床層出口的溫度不超過630 ℃。如果通過加入大量的稀釋風降溫，則會導致后續設備規模增大，不僅會增加設備的設計制造難度，也會增加裝置投資和運行費用。近年來，隨著富氧熔煉工藝的發展，銅冶煉配套的制酸系統采用高濃度SO2制酸工藝的優勢也日益明顯：不僅可以減少制酸電耗，還可以提高熱回收率，進而降低制酸成本，提高硫酸生產的經濟效益。因此，該項目采用更為經濟的高濃度SO2復合轉化技術。高濃度SO2復合轉化技術適用于SO2濃度在較大范圍內波動的工藝煙氣，總轉化率可達99.96%，排放尾氣的ρ(SO2)低于200 mg/m3。該流程不需要引進國外工藝和設備，具有工藝適應性好、操作彈性大、余熱利用合理等優點。

該項目采用部分煙氣稀釋后預轉化工藝與“3+1”二轉二吸制酸工藝相結合的流程，將干燥后的高濃度SO2工藝煙氣分成兩路，其中一部分（大約50%）與干燥的稀釋空氣混合，控制φ(SO2)在11%左右進入預轉化系統，經過預轉化后的SO3煙氣再與風機出口的其余50%的SO2煙氣混合，進入“3+1”主轉化系統。

2 多點位余熱高效梯級利用技術

冶煉系統由2套獨立生產系統組成，單套系統各配置了1臺熔煉爐、1臺多噴槍頂吹連續吹煉爐、2臺陽極精煉爐，其中熔煉爐和吹煉爐高溫煙氣具有大量的可回收余熱；而制酸轉化系統中煙氣的SO2轉化為SO3的過程中，也放出大量的可回收熱量。

2.1 熔煉爐煙氣余熱回收

單套生產系統的余熱鍋爐配置的設備參數見表1，入口煙氣條件見表2。

表1 熔煉爐余熱鍋爐設備參數

表2 熔煉爐余熱鍋爐入口煙氣條件

2.2 吹煉爐煙氣余熱回收

單套生產系統連續吹煉爐配置的設備參數見表3，余熱鍋爐入口煙氣條件見表4。

表3 吹煉爐余熱鍋爐設備參數

表4 吹煉爐入口煙氣條件

2.3 制酸系統干吸工序余熱回收

干吸工序一次吸收設置HRS低溫位熱回收系統，產出0.8 MPa的低壓飽和蒸汽。高溫吸收塔分為兩段，用帶通氣孔的隔板隔開，各自設有填料層。高溫吸收塔下段噴淋約200 ℃、w(H2SO4)99%的濃硫酸吸收煙氣中的SO3，吸收SO3后的硫酸質量分數升高至約99.7%，溫度升高約20 ℃，從塔底流入高溫吸收塔循環槽，由高溫循環泵送入蒸汽發生器。高溫濃硫酸在蒸汽發生器內與鍋爐給水換熱，產生低壓蒸汽。蒸汽發生器出口的濃硫酸分為兩部分，其中大部分硫酸在混合器內加水調節質量分數至約99%后進入高溫吸收塔循環使用，小部分硫酸依次經鍋爐給水加熱器和脫鹽水加熱器進一步回收熱量后串入二吸塔循環槽。

干吸工序二次吸收的酸冷卻器設置循環水和熱水的雙冷卻系統，在夏季使用循環水冷卻酸，冬季使用供暖熱水冷卻酸，產出的熱水供附近生產生活區域采暖使用，整個系統熱利用率高。使用閥門控制主轉化和預轉化的煙氣流量和壓力，整個裝置的壓力降只略高于傳統的“3+1”二轉二吸裝置，運行成本較低。

2.4 制酸系統轉化工序余熱回收

根據制酸工藝要求，同時結合全廠余熱利用的需要，主轉化一段設置1臺過熱器，過熱熔吹爐余熱鍋爐產出的中壓飽和蒸汽；在主轉化三段設置1臺過熱器，過熱干吸工序余熱回收裝置產出的低壓飽和蒸汽。主轉化四段出口的二次轉化煙氣的余熱，用于加熱干吸工序低溫位熱回收系統蒸汽發生器的熱水。過熱器入口的煙氣條件見表5，轉化工序余熱回收裝置的設備參數見表6。

表5 過熱器入口煙氣條件

表6 轉化工序余熱回收裝置設備參數

2.5 蒸汽余熱利用

兩條冶煉生產線的蒸汽生產情況見表7。

表7 蒸汽生產情況

由于蒸汽產量大，可以考慮設置汽輪發電機組進行發電，也可以考慮直接采用汽輪機拖動大型設備。該項目中的大型設備有1臺18 000 kW深冷空氣壓縮機、2臺3 030 kW制酸系統SO2風機、2臺1 500 kW空氣風機，因此考慮采用中壓過熱蒸汽拖動上述5臺大型設備。過熱蒸汽用于設備驅動更符合能源利用的發展趨勢，蒸汽利用效率更高，故設計采用蒸汽與電力雙驅動，保證大型設備運行的可靠性。低壓過熱蒸汽用于汽輪發電機組發電，低壓飽和蒸汽用于生產和生活用汽。全廠蒸汽平衡見表8。

表8 全廠蒸汽平衡

熔煉爐余熱鍋爐、吹煉爐余熱鍋爐產出的4.0 MPa中壓飽和蒸汽經過硫酸主轉化一段的過熱器過熱至450 ℃、3.82 MPa，用于制氧站空氣壓縮機和制酸系統SO2風機、空氣風機驅動。當驅動汽輪機故障時，多余的中壓過熱蒸汽通過減溫減壓器回收冷凝水。

干吸工序低溫位熱回收裝置產出的0.8 MPa低壓飽和蒸汽，經過主轉化三段的過熱器過熱至320 ℃、0.7 MPa，送入廠區低壓過熱蒸汽管網全用于冷凝發電。當低壓飽和蒸汽不夠用時，部分低壓過熱蒸汽經減溫減壓器進入低壓管網供生產和生活使用。當低壓過熱蒸汽汽輪機組故障時，低壓過熱蒸汽經旁路減溫減壓器后通過冷凝器回收冷凝水。

蒸汽利用流程見圖1。

圖1 蒸汽利用流程

3 余熱回收系統試運行情況

該銅冶煉項目投產運行一年以來，余熱回收系統運行穩定。生產實踐證明，該余熱利用方案實現了多點位余熱高效梯級利用的構想，每小時可節電39 000 kWh，扣除自用電，節電約2.52億kWh/a，減少二氧化碳排放200 kt/a，節能減排效益顯著。該余熱回收系統主要具有以下優勢：

1）在制酸系統轉化工序設置中壓過熱器和低壓過熱器是可行的，在運行實踐過程中并未發生明顯的腐蝕現象。

2）低溫位熱回收裝置的設備材料采用不銹鋼材質可以避免酸腐蝕。

3）二吸塔的余熱回收裝置在冬季時產出供暖用熱水給廠區，一方面大大減少了硫酸循環水的用量，節約了冷卻塔能耗；另一方面用余熱采暖節約了燃氣消耗，節省了采暖成本。

4）系統運行穩定，未發生因換熱器故障引發的系統停機問題。

5）大型設備采用蒸汽和電力雙驅動，蒸汽利用效率高，保證了設備運行的可靠性。

4 結語

該銅冶煉企業開發的新型銅冶煉余熱利用技術，將熔煉工序和吹煉工序余熱鍋爐所產4.0 MPa中壓飽和蒸汽利用制酸系統轉化一段的過熱器過熱至450 ℃、3.82 MPa，用于工業設備拖動；制酸系統干吸工序產生的0.8 MPa低壓飽和蒸汽，部分在預轉化工序的過熱器過熱至320 ℃，其余用作生產和生活用汽；干吸工序的酸冷卻器產生的余熱用于加熱熔煉工序余熱鍋爐給水和干吸工序余熱鍋爐給水，還可用于冬季廠區供暖。該技術綜合能源利用效率較高，真正實現多點位余熱高效梯級利用，經濟效益顯著，值得進一步推廣。