利用石油焦煅燒煙氣余熱烘干硅鈣渣的可行性分析

閆學良 安愛文

(內(nèi)蒙古大唐國際再生資源開發(fā)有限公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010216)

環(huán)保與綜合利用

利用石油焦煅燒煙氣余熱烘干硅鈣渣的可行性分析

閆學良 安愛文

(內(nèi)蒙古大唐國際再生資源開發(fā)有限公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010216)

本文在研究炭素陽極生產(chǎn)線中煅燒石油焦煙氣利用現(xiàn)狀及性質(zhì)的基礎上，重點對利用煅燒煙氣余熱烘干硅鈣渣進行了技術經(jīng)濟分析。結(jié)果表明，利用煅燒煙氣余熱烘干硅鈣渣技術可行，投資適中，經(jīng)濟效益顯著，既可減少煅燒煙氣排放過程中的熱污染和二氧化硫污染, 又可以解決硅鈣渣利用過程中烘干成本高的問題，具有明顯的環(huán)保和經(jīng)濟效益。

余熱利用； 硅鈣渣烘干； 石油焦； 煅燒煙氣

1 煅燒石油焦煙氣余熱利用現(xiàn)狀

在炭素陽極生產(chǎn)過程中，石油焦需煅燒生產(chǎn)煅后焦。在煅燒石油焦過程中會產(chǎn)生大量的高溫煙氣(900～1 100 ℃)，為回收該部分煙氣的余熱，同時也便于煙氣的排放，常規(guī)炭素廠在煅燒爐尾部設置有機熱載體余熱爐、余熱鍋爐、余熱發(fā)電等吸收煙氣余熱[1-3]。有機熱載體余熱爐將導熱油的熱量供給炭素工藝生產(chǎn)加熱使用，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽或熱水可用于洗浴供暖等使用，余熱發(fā)電產(chǎn)生的電量用于炭素陽極生產(chǎn)。

1.1 有機熱載體余熱爐

用煅燒高溫煙氣為熱源, 加熱生陽極制備及瀝青熔化工序?qū)嵊拖到y(tǒng), 代替原有的天燃氣熱載體加熱爐為生產(chǎn)提供熱源，近年來被大多數(shù)的炭素陽極廠所采用。內(nèi)蒙古大唐國際再生資源開發(fā)有限公司年產(chǎn)6萬t炭素陽極，采用2臺28罐9層火道煅燒爐，煅燒爐排煙溫度為900～1 000 ℃，使用2臺有機熱載體余熱爐，并配套2組蒸發(fā)器，蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽用于氧化鋁生產(chǎn)，經(jīng)過余熱利用后的煙氣溫度為300～400 ℃，通過煙囪直接排放[1]。

1.2 余熱蒸汽鍋爐

余熱蒸汽鍋爐也是目前廣泛采用的一種進行煙氣余熱回收利用的設備。青海橋頭鋁電有限公司炭素分公司配置的余熱蒸汽鍋爐處理煙氣量57 000 Nm3/h，額定蒸汽壓力2.5 MPa，蒸汽量22 t/h，排煙溫度200～300 ℃。蒸汽用于其炭素分公司和電解分公司的正常生產(chǎn)、冬季供暖及后勤熱水的供應, 但仍有部分蒸汽過剩的現(xiàn)象, 尤其在夏季或煅燒窯滿負荷生產(chǎn)的情況下, 過剩的蒸汽量近10 t/h[2]。

1.3 余熱蒸汽發(fā)電

利用余熱鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽進行發(fā)電也在多家炭素廠得到實踐, 如蘭州鋁業(yè)、寧夏青銅峽鋁廠,均取得了較好的效果, 每年可創(chuàng)造幾百萬元的經(jīng)濟效益。以一個年產(chǎn)20萬t的罐式爐石油焦生產(chǎn)廠為例，建設余熱鍋爐發(fā)電系統(tǒng)進行余熱發(fā)電，發(fā)電機功率可達到3 000 kW，所發(fā)電量完全可以滿足炭素廠用電要求[3]。

2 煅燒煙氣余熱性質(zhì)

大唐內(nèi)蒙古鄂爾多斯硅鋁科技有限公司設計年產(chǎn)18萬t炭素陽極，配置4臺新型40罐8層火道煅燒爐，石油焦煅燒前后原料成分如表1所示。

表1 石油焦煅燒前后原料成分表 單位：%

每臺40罐8層火道煅燒爐凈排料量4 000 kg/h，石油焦煅燒實收率為77.76%，按此進行物料平衡計算和熱量平衡計算。表2給出了單臺煅燒爐的物料平衡表，從表中可以看出，每臺煅燒爐產(chǎn)生煙氣流量為16 483 kg/h。表3給出了單臺煅燒爐的熱量平衡表，從表中可以看出，煅燒爐的熱量主要來自于石油焦揮發(fā)分產(chǎn)生的燃燒熱及炭質(zhì)燒損化學熱，這些熱量除由產(chǎn)品及循環(huán)冷卻水帶走外，72%的熱量通過煅燒煙氣進行排放。

表2 物料平衡計算

表4、表5給出了煅燒煙氣的相關成分及性質(zhì)，可以看出，單臺煅燒爐煙氣質(zhì)量流量為16 483 kg/h，工況流量為65 490 m3/h，煙氣溫度為1 056 ℃(折比標方13 434 Nm3/h)，攜帶熱量為22 627 990 kJ。

表3 單臺煅燒爐熱量平衡計算

3 煅燒煙氣余熱利用方案

從表2～表5可知，大唐內(nèi)蒙古鄂爾多斯硅鋁科技有限公司炭素陽極生產(chǎn)線4臺40罐8層火道煅燒爐可產(chǎn)生1 056 ℃高溫煙氣261 960 m3/h，含有熱量90 511 960 kJ/h，煙氣溫度高、熱量大，有較高的利用價值。

大唐內(nèi)蒙古鄂爾多斯硅鋁科技有限公司擁有粉煤灰提取氧化鋁生產(chǎn)線、電解鋁生產(chǎn)線、炭素陽極生產(chǎn)線、鋁深加工生產(chǎn)線及自備電廠，是國內(nèi)外首個完整的煤電灰鋁一體化循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈，因此，炭素陽極生產(chǎn)線中的余熱利用必須借助一體化產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈中熱量、能量的循環(huán)利用。

表4 煅燒煙氣相關成分

表5 煅燒煙氣性質(zhì)

按照煤電灰鋁一體化產(chǎn)業(yè)鏈的工藝需求，需要熱量的車間有炭素陽極生產(chǎn)線生陽極車間、瀝青熔化車間，粉煤灰提取氧化鋁生產(chǎn)線蒸汽系統(tǒng)、硅鈣渣烘干、活性硅酸鈣烘干等，因此，按照先滿足炭素陽極工藝需求，再考慮氧化鋁生產(chǎn)線蒸汽或烘干需求的原則，對炭素煙氣余熱進行利用。

3.1 建設有機熱載體余熱爐滿足炭素陽極工藝需求

表6給出了炭素陽極生產(chǎn)工藝中生陽極車間、瀝青熔化車間和管路保溫等用熱媒油作為加熱介質(zhì)的生產(chǎn)要求及熱負荷，按照熱負荷擬在2臺煅燒爐尾部煙氣出口設置2臺套余熱有機載體加熱爐，每臺罐式爐對應一臺余熱有機熱載體加熱爐，單臺參數(shù)為：額定負荷Q=2.4 MW，P=1.0 MPa，余熱熱媒鍋爐出口的排煙溫度為435 ℃。

表6 炭素分廠瀝青熔化與生陽極制備工序的熱負荷

因此經(jīng)過2臺套余熱有機載體加熱爐換熱后，煅燒煙氣分為兩種，其中兩臺罐式煅燒爐產(chǎn)生煙氣26 868 Nm3/h，溫度1 056 ℃，另兩臺罐式煅燒爐產(chǎn)生煙氣26 868 Nm3/h，溫度435 ℃(經(jīng)過有機熱載體余熱鍋爐換熱)。

3.2 剩余煅燒煙氣余熱進行硅鈣渣烘干

按照氧化鋁生產(chǎn)線需求，剩余煅燒煙氣可使用余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽供應氧化鋁生產(chǎn)，但是由于項目建有自備電廠，自備電廠產(chǎn)生的蒸汽品質(zhì)較高，蒸汽凝結(jié)水需返回到自備電廠，但余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽品質(zhì)達不到自備電廠凝結(jié)水要求，因此，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽就難以匯總到蒸汽管網(wǎng)中。為此，主要考慮剩余煅燒煙氣用于硅鈣渣或活性硅酸鈣烘干，由于活性硅酸鈣烘干對煙氣中含塵量有較高要求，不能直接進行烘干，因此，本文只考慮煙氣烘干硅鈣渣。

使用煅燒煙氣進行硅鈣渣烘干，由于煙氣溫度高，故使用三筒烘干機等成熟設備及工藝。同時硅鈣渣中的鈣和堿還可吸收煙氣中的二氧化硫，烘干煙氣排出溫度低，無需加裝噴水降溫裝置，有利于煙氣的進一步脫硫排放。

3.2.1 煙氣計算

罐式煅燒爐經(jīng)過余熱有機載體加熱爐換熱后產(chǎn)生兩種高溫氣體：其中兩臺罐式煅燒爐產(chǎn)生煙氣26 868 Nm3/h，溫度1 056 ℃；另兩臺罐式煅燒爐產(chǎn)生煙氣26 868 Nm3/h，溫度435 ℃。兩種熱煙氣經(jīng)過煙氣混合室充分混合，由于兩種煙氣的成分相同，標況煙氣量相同，根據(jù)熱平衡方程式：

Vg(Cpgtgl-Cphth)/22.4=Va(Cphth-Cpata)/22.4

(1)

得到混合后的高溫煙氣溫度750 ℃左右，考慮到管道、混合煙等熱量散失，實際煙氣溫度按700 ℃計，煙氣量為53 736 Nm3/h。

3.2.2 主要設計參數(shù)的確定及熱平衡計算

3.2.2.1 主要設計參數(shù)的確定

物料(硅鈣渣)濕基水分W1按35%設計；物料(硅鈣渣)終水分W2按小于10%設計；進烘干機煙氣溫度t1按700 ℃計；出烘干機煙氣溫度t2按100 ℃計；進烘干機物料平均溫度t3=40 ℃；出烘干機物料平均溫度t4=60 ℃；外筒體表面平均溫度tf=40 ℃；大氣溫度tα=20 ℃；水比熱Cw=1 kcal/Nm3·℃。

3.2.2.2 熱平衡計算

設蒸發(fā)1 kg水需要的熱氣體量為L，則：

（2）地質(zhì)鉆探深度的充分程度未到達要求標準，在施工過程中，無法發(fā)現(xiàn)墓穴、廢棄河道，因此，在工程施工中沒有采取相應的措施，對這些可能會對工程質(zhì)量造成影響的進行處理。

(1)熱收入。煙氣帶入熱量：

q1=LC1t1=L×1.453×700=1 017 L(kJ/kg-水)

物料帶入熱量：

q2=(100-35)/(35-10)×[0.84×0.9+
4.186 8×0.1]×40+ 4.186 8×20=206 kJ/kg-水

(2)熱支出。物料帶走熱量：

q3=(100-35)/(35-10)×[0.84×0.9+

4.186 8×0.1]×60=183.3 kJ/kg-水

蒸發(fā)水分及水汽帶走的熱量:

q4=2 490+1.878×100=2 678 kJ/kg-水

出烘干機廢氣帶走的熱量:

烘干機筒體散熱損失:

q6=80 kJ/kg-水

(3)根據(jù)熱量平衡，計算出L=3.105 Nm3/kg水。

3.2.2.3 系統(tǒng)能力的確定

(1)熱源最大蒸發(fā)量W=53 736/3.105=17 300 kg-水。

(2)烘干機水分的最大蒸發(fā)量為W=1 000G(W1-W2)/(100-W1)。

圖1 煅燒煙氣余熱烘干硅鈣渣系統(tǒng)布置圖

綜合(1)、(2)，烘干機最大生產(chǎn)能力(干基)G=44.98 t/h，根據(jù)實際相似案例來看，單臺烘干機不具備如此大的生產(chǎn)能力，因此選用兩臺Ф3.8×11 m烘干機，每臺生產(chǎn)能力為23 t/h。

3.2.3 硅鈣渣烘干系統(tǒng)主要設備

硅鈣渣烘干系統(tǒng)選用Ф3.8×11 m組合式三筒烘干機可滿足系統(tǒng)要求，具體分為硅鈣渣上料系統(tǒng)、三筒烘干機、除塵及引風系統(tǒng)，主要設備見表7。

表7 硅鈣渣烘干系統(tǒng)主要設備

3.2.4 設備占地及布置

圖1給出了煙氣余熱硅鈣渣烘干系統(tǒng)配置及平面圖，圖中從左至右依次為混風室、烘干機、旋風除塵器、布袋除塵器，占地面積為13×37 m。

3.2.5 設備投資

表8給出了硅鈣渣烘干系統(tǒng)主要設備報價，設備總價為773.8萬元，綜合土建、設備安裝費用，設計估算為1 350萬元。

3.2.6 成本及效益測算

表9給出了煅燒煙氣余熱烘干硅鈣渣方案所需的原料、動力，現(xiàn)就硅鈣渣烘干成本進行測算，硅鈣渣出售價格假定為50元/t，表10給出了每噸硅鈣渣成本表。

表8 三筒滾筒干燥系統(tǒng)設備報價 單位：萬元

表9 煅燒煙氣余熱利用及烘干方案物料用量

注：*人員工資，福利費為60%。

表10 每噸硅鈣渣烘干成本測算

從表10中可以看出，生產(chǎn)每噸硅鈣渣產(chǎn)品的完全成本為13.5元(含稅)，年均凈利潤786.33萬元，內(nèi)部收益率50.45%，動態(tài)投資回收期0.6年(考慮資本金為20%)。

4 結(jié)束語

炭素陽極生產(chǎn)中煅燒煙氣余熱含有大量熱能，具有較高的利用價值，除可滿足炭素生產(chǎn)工藝自身熱量需求外，還可進一步利用。

對煅燒煙氣烘干硅鈣渣方案進行技術經(jīng)濟論證，結(jié)果表明，利用煅燒煙氣余熱烘干硅鈣渣技術可行，投資適中，經(jīng)濟效益顯著，既可以減少煅燒煙氣排放過程中的熱污染和二氧化硫污染, 又可以解決硅鈣渣利用過程中烘干成本高的問題，具有顯著的環(huán)保和經(jīng)濟效益，是典型的“以廢治廢、變廢為寶、綜合利用”循環(huán)經(jīng)濟方案。

[1] 張志超.淺談炭素煅燒回轉(zhuǎn)窯煙氣余熱的利用[J].輕金屬,2010(9):52-54.

[2] 李秀莉.利用罐式煅燒爐煙氣進行余熱發(fā)電的可行性研究[J].應用能源技術,2010(1):36-39.

Feasibility Analysis of Applying Petroleum Coke Calcining Flue Gas Waste Heat to Dry Calcium Silicate Slag

YAN Xue-liang, AN Ai-wen

Based on the study of calcining petroleum coke flue gas utilization situation and its feature in carbon anode production line, this paper focuses on the technical and economic analysis of calcining flue gas waste heat drying calcium silicate slag. The results show that the technology of calcining flue gas waste heat drying calcium silicate slag is feasible, the investment is moderate, and the economic benefit is obvious, it not only can reduce thermal pollution and sulfur dioxide pollution in the emission of calcining flue gas, but also can solve the problem of high drying cost during calcium silicon slag utilization. Environmental protection and economic benefit are remarkable.

waste heat utilization； calcium silicate slag drying； petroleum coke； calcining flue gas

2015-06-09

863計劃“硅鐵煙塵與高鋁粉煤灰硅鈣資源協(xié)同利用關鍵技術及示范”課題(2012AA06A118)

閆學良(1982—)，男，甘肅晉寧人，碩士，高級工程師，內(nèi)蒙古大唐國際再生資源開發(fā)有限公司生產(chǎn)管理部副主任。

TK227; TK11+5

A

1008-5122(2015)06-0042-05