浅谈余热发电在“双闪”铜冶炼中的应用

魏广敬，辛庚嘉

（阳谷祥光铜业有限公司，山东聊城 252300）

0 引言

当前全球能源短缺问题日趋严重，各国已着眼于能源的回收和再利用问题。伴随着工业生态环保产业链的快速发展，烟气余热正从工业污染向二次能源转变。祥光铜业有限公司（以下简称“公司”）是我国首家采用‘双闪’技术的铜冶炼企业，闪速熔炼炉和闪速吹炼炉排出大量高温烟气余热，在均投料量220 t/h 的情况下，余热锅炉生产饱和蒸汽约60 t/h，其中闪速吹炼炉15 t/h，压力5.4 MPa，温度270 ℃。为降低生产成本节约能源，在生态环保的主工艺下，公司建厂之初就设置了高、中、低3 种蒸汽管线，并引进蒸汽干燥机、德国KKK 余热发电机组，使得余热锅炉蒸汽得到循环使用。并在二期扩建中选用德莱赛兰余热发电机组，多级单抽，便于蒸汽入口流量和压力调控，热能利用率由此提升至95%，也使得企业的经济、社会效益全面提升。

1 概述

闪速熔炼技术是现代发展起来的先进冶炼技术。闪速熔炼主要是将焙烧、熔炼和部分吹炼合成了一个工序，从而大大减少能量消耗。闪速熔炼氧化反应迅速，单位时间内氧化放热多，不仅可以加快熔炼反应，并且通过控制入炉的氧气量，能够在较大范围内控制熔炼过程中的脱硫率。

冰铜闪速吹炼工艺是在高富氧的条件下以高品位的干冰铜粉作为原料，有高SO2浓度、高生产率、低排放、低能耗等形成的特点，节能环保。闪速吹炼的单炉产能年产粗铜可达到55～60 万吨，产生的SO2烟气浓度在PS 转炉的1 倍以上，烟气产量减少至少40%，使硫酸的电单耗也降低了10%。其标煤单耗和杂质脱除率持平于PS 转炉，相较PS 转炉其SO2排放量减少了至少25%。

2 双闪工艺下余热饱和蒸汽管线布置及功用

在系统全面运行过程中，各个工艺环节的余热锅炉在保障生产的同时也产生了较多高温高压的饱和蒸汽。为便于进一步统筹分配，提升余热饱和蒸汽利用率，厂区共设置5.4 MPa、2.5 MPa、0.8 MPa 三条饱和蒸汽管线。其中，高压管线主要用于余热发电高压侧透平机机组，中压管线主要用于蒸汽干燥机组，低压管线主要用于余热发电低压侧透平机和精炼、厂区生产生活需求。

2.1 高压蒸汽系统

2.1.1 工艺系统

高压蒸汽由闪速熔炼炉和闪速吹炼炉余热锅炉产生，其额定压力为5.4 MPa，并网后进入厂区高压饱和蒸汽管线，用于余热发电或减压后供中压和低压蒸汽管网使用。目前熔吹炼余热锅炉实际产汽量远低于其设计额定产汽量，产汽量：熔炼锅炉1#汽包0～8 t/h，熔炼锅炉2#汽包0～45 t/h，吹炼锅炉0～15 t/h。

2.1.2 高压蒸汽用户

高压蒸汽主要用于余热发电或减压后供中压和低压蒸汽管网使用。在优先补充中压及低压用户的用汽缺口后，多余的蒸汽在能够满足余热发电机组的运行要求的情况下用于发电。目前共配置余热发电机组2 套，分别为德国KKK 和德莱赛兰公司生产，位于动力中心。1#为德国KKK 公司（西门子蒸汽透平机械设备公司）生产。参数为：高压端进汽压力5.4 MPa，高压端进汽温度265 ℃，高压端进汽流量30～57 t/h，发电机功率（Max）6621 kW。2#为德莱塞兰公司生产，参数为：高压端进汽压力5.4 MPa，高压端进汽温度265 ℃，高压端进汽流量10～65 t/h，发电机功率（Max）8620 kW。

2.2 中压蒸汽系统

2.2.1 工艺系统

中压蒸汽由硫酸和阳极炉余热锅炉产生，其额定压力为2.5 MPa（通常2.0～2.2 MPa），目前产汽量：一期硫酸1#锅炉0～5 t/h，2#锅炉0～20 t/h；二期硫酸1#锅炉0～5 t/h，2#锅炉0～20 t/h；阳极炉1#锅炉0～3 t/h，2#锅炉0～3 t/h。

2.2.2 中压蒸汽用户

中压蒸汽主要用于铜精矿的蒸汽干燥、制氧及贵金属，其余经减压后供低压蒸汽管网使用。熔炼一期蒸汽干燥机用汽量一般在0～15 t/h，连续运行；二期蒸汽干燥机用汽量一般在0～30 t/h，连续运行；其在制氧主要用于活化分子筛，每4 h 用1.5 h，用汽量约2～3 t/h；其在稀贵厂主要用于高压釜作业，间断使用、频次不定，用量在2 t/h 左右。

2.3 低压蒸汽系统

2.3.1 工艺系统

低压蒸汽额定压力为0.8 MPa，低压蒸汽由精炼余热锅炉、余热发电机组背压蒸汽、多余的高压和中压蒸汽减压产生。低压管线直供锅炉的实际产汽量：精炼1#锅炉0～1.5 t/h，2#锅炉0～1.5 t/h，燃气锅炉平时停运，生产用汽严重不足时临时补汽用0～10 t/h。在余热发电透平机高压侧经抽汽器抽出的蒸汽也是低压管线的主要组成部分：1#机组，抽汽压力0.85 MPa，抽汽温度175 ℃，抽汽流量13.81～45 t/h；2#机组，抽汽压力0.8 MPa，抽汽温度170.4 ℃，抽汽流量0～45 t/h。

2.3.2 低压蒸汽用户

低压蒸汽主要用于全厂的生产、生活、采暖与办公楼中央空调等。主要用汽区域有：熔炼区域阳极炉及熔炼尾气脱硫24 h 间断用汽0～10 t/h；一期电解换热器24 h 连续用汽0～18 t/h；一期净液真空蒸发器24 h 连续用汽0～8 t/h；二期电解换热器24 h 连续用汽0～8 t/h；电解机组白天约8 h 连续用汽0～3 t/h。由于冬季生活供暖及生产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，余热发电机组因蒸汽量不足，设备停运。

2.4 蒸汽管网系统间的补给

高压蒸汽在减压后首先供给中压和低压蒸汽管网使用。熔炼及吹炼余热锅炉产生的高压蒸汽汇总至蒸汽母管送到管网蒸汽调节阀组，并通过高中及高低调节阀减压后供中压和低压蒸汽管网使用。其余进入余热发电系统的高压透平机组。其次在中压蒸汽管线，优先满足中压蒸汽用户，若有富裕将减压后供低压蒸汽管网使用。若不足将从高压蒸汽管网减压补充。另外，低压蒸汽管网，主要满足于下线用户的需要，在余热发电机组开启的情况下也会进入发电机组低压侧透平机辅助做功，保证能源的充分利用。

3 余热发电的工作流程以及现场工况下的配置

3.1 余热发电工艺流程

闪速熔、吹炼的炉体外水套锅炉产生5.4 MPa 高压的饱和蒸汽，通过汽水分离器、蒸汽过滤器后，到达紧急切断阀与喷嘴组，随后进入了汽轮透平机高压侧，基于热膨胀，使得饱和蒸汽的热能在汽轮机处转换成动能，汽轮机的动能经过减速机进行变速后输出，从而转化为可满足同步发电机需求的动能输入，并驱动同步发电机进行发电做功。由此，经高压腔做功后，蒸汽经抽汽器压力降为0.65～0.8 MPa，与0.8 MPa 低压饱和蒸汽管网连接。低压蒸汽首先用于全厂生活以及电解铜等生产所需，其余部分进入低压侧透平机组二次利用，为发电机组提供辅助做功。做功后压力降为0.1 MPa，经凝汽器凝结为水后，由凝结水泵、除氧器进入余热锅炉给水系统循环利用。

高压透平和低压透平同轴前后布置，从高压透平与低压透平之间引出抽汽。应用载荷范围大，效率高相对发电量大。在汽轮机的高压侧，高压蒸汽由绝压值5.1 MPa 的干饱和蒸汽膨胀到绝压值0.9 MPa 排出压力；在低压侧透平机内，蒸汽膨胀到绝压45 kPa 排出。透平机所需最小蒸汽流量为22 t/h，抽气10 t/h，而针对于余热发电机组低压侧，尤其下游用户的蒸汽量需求量大时，保证发电机组的正常运行，用于KKK 发电机组低压透平机所需最小气量为10 t/h，用于低压侧透平机的叶轮冷却，每个工作点的压力允许误差为10%。

3.2 电能并网的应用

在目前公司采用的KKK 余热发电机组和德莱赛兰余热发电机组中，均采用多级单抽的余热发电架构，配备有自励磁、自调节、无刷的凸极式同步发电机，保证了输出频率均为50 Hz，并带有充分相互联接的减震条，以应对暂态特性、平稳的并列运行、负载波动、负荷不平衡等。从而保证了经机组发电机输出的10 500 V±5%的稳定发电电压，在通过并压柜后，直接与厂区的10 kV 供电线路相并，经由变压器和能耗电路为公司所有电耗设备供能。

4 双闪冶炼与熔炼PS 转炉的技术对比

双闪由单闪发展而来，连续作业将熔炼与吹炼在生产时间上和空间上进行了完全的分开，彼此不干扰，其作业率明显的优于其他工艺3%以上。其闪速吹炼工艺相较于常用的PS 转炉吹炼工艺，主要有以下特点：闪速吹炼是选取高冰铜品位、高富氧浓度、高效反应、高生产率与高SO2浓度。首先FCF 工艺的冰铜品位普遍高于PSCF 工艺冰铜品位10%～15%，氧浓相差3 倍，闪速反应2～3 s 完成，闪速吹炼炉内不存在冰铜层，其结果是高生产率和高产能。其次流程短、工装配置紧凑，厂房面积减少，从而减少热损耗，降低热辐射。另外，采用“双闪”工艺SO2固化率可达99.7%，FCF 工艺比PSCF 工艺SO2总排放量减少25%以上。烟气SO2的体积浓度是PSCF 的3～4 倍，稳定且能耗低，有利于制酸工序的进行。无论是从设计的角度还是从生产实践的角度均说明，双闪铜冶炼工艺并没有因为浪费了冰铜的显热而致粗铜能耗增加，同时还能大幅降低制酸的能耗。

在余热蒸汽的产能和使用率上亦是如此，目前现有的铜冶炼的工艺，PS 转炉会产生大量的富裕蒸汽，但在后方，因开停风等因素致使负荷波动很大，相当一部分的的蒸汽量都是对外排放，不仅污染环境，还造成大量的能源浪费。而双闪冶炼中，通过低能耗的主工艺高产能，减少外排烟气，将更高比例的高温烟气转化余热蒸汽，供给厂区管线和余热发电系统。使的能源得到了多重的利用，且所产饱和蒸汽在并网之后，蒸汽压力较为稳定，蒸汽产量较为平稳。另外，工艺自身的连续性、长周期和高作业率，也为余热发电的长期、高效、平稳运行奠定了基础。

5 余热发电系统运行中的问题及应对措施

目前在双闪冶炼以及系统全套并行生产中正逐步趋于正常，但随着低压区用户的消耗波动以及，在闪速炉每小时投料量的调整下，锅炉产出的饱和蒸汽量也存在变化，造成余热能源的分配上的偏差，也由此造成了余热的损失。尤其在冬季，下线用户需求的增加，致使蒸汽的产出和消耗存在不对等，相较于目前的产汽能力下，还有进一步优化的可能。另外，鉴于余热发电机组在饱和蒸汽高压低于4.0 MPa 后无法正常开启，在公司蒸汽管网全面调度，统一分配的前提下，在蒸汽管网中实验性增加蒸汽蓄热器，以调节供汽量和耗汽量间的不平衡，从而减少不必要的放空，保障余热蒸汽的最大利用率。

6 结语

生态环保、高产能、低能耗是双闪铜冶炼的工艺优势，余热蒸汽的采集和应用是发展所需，更是企业提升自身经济效益的重要环节。双闪铜冶炼，首先创造了热扩散小、氧化产能高等便于余热收集的条件，为余热发电提供了所必需的高压、稳定的饱和蒸汽，而高压蒸汽经高压透平汽轮机、抽汽器后，也与低压蒸汽管网用户进行着蒸汽互补，从而使得铜冶炼工艺余热得到了全面利用，大大提高了全厂的热效率。