铜冶炼及制酸系统过热蒸汽发电技术实践

铜冶炼及制酸系统过热蒸汽发电技术实践

文_阮云松 云南铜业股份有限公司西南铜业分公司

本文对云南某铜冶炼厂“铜冶炼及制酸生产系统”中余热资源分布和利用现状进行研究，首次在国内铜冶炼行摘要：业中采用纯过热蒸汽发电技术建成了一套余热发电系统。该系统投产以来设备运行稳定、技术指标达标、经济效益良好。冶炼烟气；余热利用；汽轮机组；技术推广关键词：Practice of Superheated Steam Power Generation Technology in Copper Smelting

and Acid Making System

Ruan Yun-song

[ Abstract ] The distribution of waste heat resources and the status quo of waste heat utilization in \"copper smelting and acid making production system\" of a copper smelter in Yunnan Province are deeply studied. For the first time, a set of waste heat power generation system is built by using pure superheated steam power generation technology in domestic copper smelting industry. Since the system has been put into operation for one year, the equipment has been running stably, the technical indexes have reached the standard and the economic benefits have been good.

[ Key words ] smelting flue gas; waste heat utilization; steam turbine unit; technology promotion

1 余热资源利用背景

云南某铜冶炼厂余热资源主要分布在“铜冶炼生产系统”和“冶炼烟气制酸生产系统”中，如何实现生产系统余热资源统筹规划，对蒸汽合理分级、综合利用，是企业实现资源综合利用应深入研究的课题。

1.2.2 硫酸转化工序采用了“3+1”，Ⅲ、Ⅰ-Ⅵ、Ⅱ转化换热流程

依据可行性研究报告，硫酸转化工序一段出口烟气量约为81000Nm3/h、烟气温度为580～610℃，可利用温度范围为70～100℃，该位置含尘量小、含水少、烟气热值高（表1），其烟气参数稳定、余热资源丰富，余热利用价值较高。

项目

体积分数（%）流量（m3/h）入口热焓量（kJ/h）出口热焓（ kJ/h）

SO22.6027.4523.44

SO36.0739.0132.96

O28.5118.3215.74

N271.2917.5015.07

H2O0020.9517.93

CO211.9296.0026.2522.32

1.1 铜冶炼工艺

主要工艺流程为：铜精矿 冰铜 粗铜。底吹炉熔炼系统配置了1台中压余热锅炉回收高温冶炼烟气余热，产出额定蒸发量Q1=15t/h，额定压力P=4.2MPa的饱和蒸汽。日常生产中，余热锅炉因受热面结渣严重，需要定期停炉安排清渣作业。余热锅炉所产蒸汽除15%左右用于锅炉除氧器和生活供汽外，其余85%蒸汽因前期项目投资规划暂未有效利用，造成余热资源浪费和经济损失。

PS转炉吹炼系统配置常压式水冷烟道，高温烟气中的热量通过换热被循环冷却水带出系统，余热资源未得到有效利用。根据企业未来发展规划，将在转炉吹炼系统及配套中压余热锅炉高效回收高温烟气中的余热资源。

2094.094886.216852.9057427.70

理论计算，转化一段出口烟气温度由580℃降至503℃，入口烟气热焓约为72400000kJ/h，出口热焓约为62000000kJ/h，可利用余热量约为10350000kJ/h。

1.2 冶炼烟气制酸工艺铜冶炼制酸工艺流程：采用“烟气净化洗涤”、“二转二吸”

的常压接触法制酸工艺。

1.2.1 净化工序采用板式换热器通过循环冷却水换热移走系统热量

干吸工序采用管壳式阳极保护冷却器通过冷却循环水换热

移走系统热量。以上两个工序均为老系统，实施余热利用升级改造难度较大、投资较高，暂不具备实施改造条件。

1.3 确定余热利用方案

根据生产系统余热资源利用现状和余热综合利用可行性研究结果，结合投资测算、经济效益方面对“方案一采用饱和蒸汽发电方案”和“方案二采用过热蒸汽发电方案”进行对比。其中，方案一采用饱和蒸汽发电技术涉及主系统改造内容相对较多、投资相较大。方案二采用过热蒸汽汽轮发电机组，虽然未在铜冶炼系统中运用过存在一定的风险，但从理论上来说过热蒸汽汽轮发电机组已有成熟的设计、制造及运行经验，在正常进汽参数条件下可靠性较高；蒸汽输送过程中蒸汽损失量相对较小。

经综合分析，过热发电技术在底吹炉铜冶炼生产系统中具有设备成熟、可靠性高、投资省、余热利用率高等优点。根据铜冶炼生产系统工况和余热资源分布作为余热综合综合利用首选方案。

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652 余热利用概况

2.1 工艺流程

在硫酸系统转化工序一段烟气出口新增一套过热器，利用硫酸系统转化工序烟气余热过热底吹炉余热锅炉所产4.2MPa、2℃饱和蒸汽转化为3.82MPa、450℃过热蒸汽，供到6MW汽轮发电机组用于发电。高温烟气经过热器换热后温度降低至503℃左右。过热蒸汽进入汽轮发电机组做功发电，蒸汽做功后转化为冷凝水返回锅炉系统除氧器再次利用。余热锅炉定期清焦期间因没有蒸汽产出，为了适应热负荷的变化可根据蓄热器具有缓和系统高峰负荷和平衡连续不均匀负荷的功能，选择最简易的办法装设蓄热器。为减少汽轮机组停机次数，配置了1台蓄热量满足2h内汽轮机低负荷运行的蓄热器，可确保机组负荷维持在350kW左右运行。

初步测算，达到设计要求后余热发电站汽轮机汽耗率可达到4.80kg/kWh，比同规模饱和蒸汽发电机组汽耗率6.88kg/kWh余热利用系统综合效率高。实现铜冶炼及制酸系统余热资源综合回收利用，使铜冶炼生产系统综合能耗大幅降低。2.2 主要设备配置2.2.1 过热器

硫酸转化过热器是过热发电技术核心设备，硫酸过热系统的过热器分为高温段和低温段，高低温段之间设有喷水减温调节装置。过热器采用立式结构，总高度约3082mm，烟气进出口尺寸与现有硫酸转换一段出口烟管尺寸一致。

过热器采用苏州海陆重工股份有限公司产品，进出口集箱、蛇形管采用07Cr19Ni11Ti，翅片、外壳采用06Cr19Ni10，其余材质选用符合国家相关规程规范要求，满足过热器安全运行及相关介质要求。2.2.2 蓄热器

考虑底吹熔炼炉在清理锅炉上升烟道结焦存在周期性停炉的特点，设计1台压力4.2MPa，设计温度260℃，有效容积为160m3的蓄热器，以满足汽轮机最低进汽负荷要求，确保汽轮发电机组和过热器安全运行。

2.2.3 汽轮发电机组

综合考虑公司未来5年内发展规划，初步设计时装机容量按照未来铜冶炼产能规模留有一定余量，满足今后生产需要。2.3 项目节能概况

该余热综合利用项目建设投产后，达产后年余热发电系统发电量可实现300MWh，年外供电量36570MWh，根据云南省平均供电煤耗0.33kgce/kWh，按等价值计算年节约标准煤12068t。同时，回收凝结水每年可以节标准煤200.5t，除自用水（自用水46.8万t/a，折标准煤40.1t）外，项目年总节约标准煤12228t,节能减排效果明显。

和硫酸系统余热资源综合高效回收利用，是一个铜冶炼行业余热利用经典示范项目。

3.2 发电指标情况

该余热发电系统设计规模按照企业未来发展规划留有一定余量，从投产一年以来的生产统计数据来看，发电系统实际运行指标与设计指标存在一定差异，但仍优于同类型饱和蒸汽发电系统。3.3 存在的问题及解决措施

问题一：投产初期真空度低影响发电效率。因射水抽汽系统水池容积小和流动性差，运行过程中水温逐渐升高导致抽真空系统真空度降低，影响汽轮机效率。该问题已通过对抽汽系统中蓄水池和冷却循环水系统改造已有效解决。

问题二：试生产期间过热器发生泄漏影响硫酸制酸系统正常生产，以致发电系统被迫停机检修。主要原因是过热器设计时未充分考虑铜冶炼生产系统工况变化特殊性和内部换热管束自由膨胀余量。生产系统开停炉升压太快或升压期间压力波动较大，使高温段和低温段换热管束及受压元件温差瞬间超过50℃甚至更高，换热管束在温度大幅波动的情况下膨胀受阻产生交变应力超过材料的屈服极限造成变形和管束破裂。通过重新优化设计、合理布置、优化操作控制后泄漏隐患问题已有效解决。

问题三：受制酸系统转化率和操作不规范影响，硫酸过热器进口烟气温度存在一定波动，给硫酸转化整体温度控制带来影响，需要两个生产工序主控人员及时沟通调整温度参数。3.4 下一步规划

在生产系统实施升级改造后，将转炉余热锅炉蒸汽并入饱和蒸汽管道用于发电，进汽量增加可有效提高汽轮机组效率。合理规划新建硫酸预转化系统过热器。根据预转化一层出口烟气热值，合理配置过热器，可有效提高蒸汽利用率和发电量。

年度停炉检修，有计划性地对硫酸转化系统触媒进行筛分和更新，可提高硫酸转化率和转化温度稳定性。解决制酸系统烟气温度、过热蒸汽温度波动大等问题。

开展余热锅炉受热面清渣技术攻关和提高铜冶炼生产系统生产作业率，提升蒸汽供应稳定性，可有效提高汽轮机发电效率。

4 结语

实践证明，铜冶炼生产系统余热利用项目采用过热发电技术是切实可行的，一方面提高了铜冶炼生产系统余热资源综合利用效率；另一方面降低了冶炼制酸生产系统能耗、生产成本，在铜冶炼行业中具有较好的推广意义。

参考文献

[1]北京有色冶金设计研究总院,余热锅炉设计与运行[M].北京:冶金工业出版社.1982.

3 余热利用系统运行情况

3.1 系统试生产情况

通过一年生产运行实践证明，过热蒸汽发电系统运行稳定、安全可靠、操作简便、各项技术指标达标，实现了铜冶炼系统

作者简介

阮云松（1983-），男，傣族，云南临沧人，本科，工程师，主要从事铜冶炼行业热能与动力工程专业技术管理、特种设备管理。