铜冶炼阳极炉烟气热能回收方式评析

杨 平

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

目前铜冶炼主要分熔炼、吹炼和精炼3 个阶段，每个阶段的冶炼炉均有独立的烟气处理系统。其中，阳极炉为精炼阶段的冶金炉，产出的高温烟气须经降温、除尘和脱硫等过程达标后排放。随着稀氧燃烧技术在阳极炉工艺中的应用，冶炼炉产出的烟气量大幅减少，最大时近5 000 m3/h(标准状态下的数据，下同)，但烟温依然很高，必须降温后才能进入后续工艺设备。 由于烟气量很小，已有的余热锅炉已不再适用，改用喷雾冷却器、兑冷风加板式换热器、小型余热锅炉等方式来进行降温。 本文结合工程实例，对几种常见替代设备方案分别进行介绍、分析与总结。

1 阳极炉烟气特性

阳极炉精炼有3 个期，分别是氧化期、还原期、其它期（给料期或倒铜期）。每个期持续时间不同，单炉周期为18 h。冶炼炉每个期排出的烟气量、烟气温度和成分各有不同，某项目阳极炉出口烟气条件见表1。 表1 所示数据可以看出，阳极炉烟气量小、烟温高、含尘量大、氧化期含硫、烟气总热量小且波动大。

2 换热器应用的必要性和可靠性

阳极炉烟气系统流程如下：阳极炉—炉罩—换热器—布袋收尘—脱硫—烟囱。 阳极炉烟气系统流程，受布袋使用条件限制，必须设置合适的换热器吸收烟气中的热量，降低烟气温度，进入布袋的烟温最好控制在200 ℃以下。在实际生产中，阳极炉出口与烟道入口处设有1 个炉罩，炉罩与出烟口有间隙，因此会有一定量的冷风兑入，兑入冷风后的烟气进入换热器。 该项目阳极炉烟气兑入冷风后的数据见表2 所示。

表1 阳极炉出口烟气条件

表2 阳极炉烟气兑入冷风后的数据

根据表2 数据计算，按还原期烟气量14 872 m3/h，进口烟温540 ℃，出口温度按170 ℃计算，换热器大约可以回收8 000 MJ/h 的热量，时间2 h；氧化期烟气中热量稍微少于还原期，时长也是2 h，回收热量约等同与还原期；其余14 h 其它期以烟气量10 817 m3/h，进口烟温230 ℃进行校核计算，得到出口烟温约80 ℃左右，可以回收热量约2 163 MJ/h。每炉1 个循环18 h，平均每小时回收热量3 460 MJ，1 年可回收热量为3×104GJ。 在整个工艺热力系统设计时，可以合理、充分地利用这部分热能，提高整个冶炼工艺的综合经济效益。

换热器设备是工艺流程中较易出现问题的环节，必须确保该设备长期安全稳定运行。 因此，换热器设计时必须结合烟气特性：1）氧化期烟气中含有少量的SO2，在一定的条件下，会造成设备低温腐蚀危害，影响设备的使用寿命，因此应将能否避免或减少低温腐蚀作为换热器设计的一个关键点。2）烟气中含尘， 须考虑积灰对设备换热效果的不利影响。 因此，设计换热设备结构时，应采用不易积灰或结灰易清除的结构， 同时便于采用有效的清灰措施，防止积灰影响设备换热效果，甚至堵塞烟气通道，确保整个系统长期安全稳定运行。 3）不同期烟气量和烟气温度会有相应的变化，设计时须考虑这个变化带来的影响和并采取相应的措施，尽量采用自动调节的方式，便于生产管理。

3 实例分析

在稀氧燃烧技术之前，冶炼炉排出的高温烟气量比较大，烟温也在1 350 ℃左右，所以一般采用的是横置上下锅筒连接对流管束、低压自然循环形式的余热锅炉，产出低压饱和蒸汽，用于工艺生产。 该方案在当时能够满足工艺需要，但其设备庞大，总投资大，随着稀氧燃烧技术的应用，烟气量减少到只有之前的三分之一左右，该设备已经不再适用新的工艺条件。 目前，出现的替代设备方案有水冷换热器、烟管式余热锅炉、中间介质换热器等。

3.1 水冷换热器

1）水冷换热器结构。 水冷换热器采用直通烟道式，外形呈长方形结构，整体坐落在钢架上。 由型钢和密封钢板组成壳体，内衬耐火混凝土，外部采用硅酸铝纤维保温。 整个换热器顺着烟气方向由3 组受热面串联布置，3 组受热面采用并联形式。 考虑到低温腐蚀，受热面蛇形管采用ND 钢锅炉管制作。 受热面悬吊在顶部钢梁上，进出水集箱分别布置在顶部。3 组换热面进出水集箱通过连通管连接。 水冷换热器结构见图1。

2）方案设计与应用情况。烟气入口烟温为540 ℃（氧化期），经换热后出口烟温170 ℃以下，换热器进水温度为30 ℃，出口水温80 ℃。总管道上设有总给水调节阀，用于调节不同工况下供水量。每个支管上设置流量计和电动调节阀， 可以根据需要调节开度大小，控制单组受热面给水量。每组换热面出口管道上均设有热电偶，并与给水电动调节阀进行连锁，如发生超温，给水调节阀会自动增加给水量，确保换热面安全运行。 该设备可根据工艺需要采用常压或低压运行，热力系统简单，可实现自动控制。 3 组受热面中间设有旋转吹灰器，利用压缩空气吹灰。 吹灰器可根据需要采用连续吹灰或间断吹灰。设备下部设有3 个灰斗，收集管束上落灰，并由收尘设备收集排出。

3）设备特点及应用评析。 该设备体积小，结构紧凑，外形尺寸仅约5 m×2 m×3 m，安装、维修方便，只要布置在某层平台附近的工艺烟道上即可，可以整体安装，也可以现场组装。 该方案不仅适合新建系统，也可以用于已有系统的改造。 2017 年，该设备申报了专利（实用新型已授权，换热装置和具有其的水冷冶炼炉，专利号CN207395499U）。

图1 水冷换热器结构

目前，该方案已在某采用稀氧燃烧技术的项目中得到使用。 该设备投运1 年半，存在以下问题：1）压缩空气压头不足，吹灰器无法正常使用，导致积灰比较厚；2）烟尘中含水较多；3）受热面特别是弯头处有腐蚀。针对该设备存在的低温腐蚀、清灰效果不理想等问题，建议受热面改用耐酸腐蚀的不锈钢锅炉管制作，清灰设备改用机械振打清灰装置或爆破清灰装置。

3.2 烟管式余热锅炉

1）烟管式换热器方案。烟管式换热器方案，如图2 所示。

图2 烟管式换热器方案示意

2）方案设计与应用情况。 某冶炼厂阳极炉烟气系统上在用的是1 台低压烟管式余热锅炉，产出低压饱和蒸汽用于生产： 该厂阳极炉氧化期锅炉入口烟气量7 500 m3/h， 进口烟温800 ℃， 出口烟温300℃，额度压力1.25 MPa，蒸发量2.65 t/h。高温烟气由进烟口进入前烟箱， 再进入烟管与烟管外的水换热， 冷却后的烟气进入后烟箱再排出进入后部烟道。筒体上设有压力表、水位计和安全阀等所有符合锅炉规范要求的阀门仪表。 在前后烟箱下部设有放灰口。锅炉上无法设置清灰装置，因此无法实现在线清灰。

3）设备特点及应用评析。 从以上数据可以看出，该设备只能将烟温降到300 ℃，不能满足后续收尘设备直接采用布袋收尘的工艺需要， 需在余热锅炉出口设置板式空气冷却器，以满足工艺需要。采用烟管式余热锅炉，可以避免低温腐蚀，但烟管内积灰无法在线清除，只能停炉后清灰，一旦烟管堵塞，必将影响生产，停炉清灰也不是最佳选择。如果能实现在线清灰，解决降温不足的问题，该方案值得推广。另外，该方案投资和占地面积均稍大于水冷换热器。安装、管理须按特种设备进行。

3.3 中间介质换热器

1）中间介质换热器方案。 中间介质换热器方案见图3。

图3 中间介质换热器方案示意

从图3 可以看出，该设备采用了中间介质换热方式，即烟气从左端进入，右端出，与水平布置的蛇形管进行对流换热。下降管从换热器引水至蛇形管，热水经回水引出管引入换热器， 换热器与受热面有足够的高度差，可以实现自然循环，蛇形管内介质为中间介质；中间介质进入换热器，再与换热器管程内冷水换热，热水进入工艺热力系统。

2）应用情况评析。此方案在某冶炼厂已有实施，只是应用不久就出现了问题：由于，该项目实际烟气量和烟温远大于设计烟气条件，造成中间介质超温汽化，导致换热器筒体上的防爆膜频繁起爆，无法正常使用。 后取消了换热器，直接供冷却水，实现降低烟温，勉强继续使用，维持生产工艺需要。 该方案换热器内进行的是水—水换热，很好地平衡了由于烟气量和烟温的波动造成的热量产出的波动， 从这方面看，该方案有其独特之处。但该方案也有其致命的缺点，烟气通道内蛇形管布置得太密集，设备厂家为了在有限的空间内增加受热面，采用了螺旋翅片换热管。 而该设备原本设置了爆破清灰，但无法使用（原因不明），导致积灰难以清除，存在烟气通道堵塞的风险。为了满足收尘布袋设备的使用，烟气温度降低到200 ℃以下，同样存在低温腐蚀问题。

笔者认为，该方案如果加以改进，还是值得推广的，比如：1）蛇形管节距加大；2）恢复使用爆破清灰装置；3）准确地依据烟气条件计算所需换热面面积，使中间介质不至于汽化；4）换热器防爆膜改成合适压力的微启式安全阀等。

4 结语

综上所述，以上3 种采用不同形式的换热器进行余热回收的工程实例，均存在一些问题，需要进一步改进和完善，或者另寻更好的方案。 例如，为了避免低温腐蚀，可采用二次兑入冷风的方式，即减少阳极炉出口一次兑入的冷风量，提高换热器的入口烟温，经过低压换热器换热后，不能满足布袋收尘要求，可以再次兑入适量冷风。 如此可避免换热器的低温腐蚀，也可以控制系统总风量。

阳极炉烟气处理是一个系统工程， 设备设计人员应充分地掌握工艺需求，与工艺设计人员加强沟通和配合，综合考量整个系统设计的合理性。选择设备时，首先要满足工艺要求，同时考虑合理地应用从烟气中回收的这部分热能，尽量减少水资源损失，实现节能减排的目的。