淺談鎳鐵冶煉煙氣余熱回收的效益

張良辰

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

淺談鎳鐵冶煉煙氣余熱回收的效益

張良辰

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

針對某鎳鐵冶煉項目一期，介紹了冶煉煙氣余熱回收流程，回轉(zhuǎn)窯及電爐煙氣的回收過程以及余熱回收產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

煙氣； 余熱利用； 煤耗； 減排

0 前言

冶金企業(yè)屬于耗能型企業(yè)，其能耗占全國耗能的10%左右，占工業(yè)部門能耗的15.25%[1]。2012年5月鎳生鐵實物量為45.74萬t，居世界前列，但行業(yè)內(nèi)長期存在的高耗能問題依然十分突出，單位產(chǎn)品能耗比國際先進(jìn)水平高10%左右。在有色冶金的能耗結(jié)構(gòu)中，有效熱只占了32%，另有8%的熱量隨著爐體等散失掉，其余的60%都是有色冶金過程中的余熱量。而這些余熱量中煙氣余熱占的比例高達(dá)80%左右，由此可見回收有色冶金行業(yè)中的煙氣余熱對于降低有色冶金工業(yè)能耗有著重要意義[2]，同時國家發(fā)改委制定的“十二五”經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展指標(biāo)中各類主要污染物排放總量要在“十一五”時期制定的約束性指標(biāo)上再降低8%～10%[3]。因此，節(jié)能減排是冶金企業(yè)長期而艱巨的任務(wù)。余熱回收將提高自身能源效率，降低單位能耗，減少能源浪費和利用廢氣排放，充分發(fā)揮煙氣余熱再利用技術(shù)符合我國循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策。

1 項目鎳鐵冶煉系統(tǒng)簡介

某項目一期設(shè)計規(guī)模為年產(chǎn)1.2萬t金屬鎳(年產(chǎn)含鎳16.5%的精煉鎳合金72 727 t)，設(shè)有φ4.2×38 m回轉(zhuǎn)干燥窯2臺、φ4.8×110 m預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯2臺、36 000 kVA礦熱電爐2臺、精煉爐1臺。收塵部分包括干燥收塵、回轉(zhuǎn)窯收塵、電爐收塵、精煉收塵，采用余熱回收的爐窯為回轉(zhuǎn)窯及電爐。

2 回轉(zhuǎn)窯及電爐煙氣余熱回收利用

2.1 回轉(zhuǎn)窯及電爐余熱回收流程

回轉(zhuǎn)窯及電爐余熱回收流程如圖1。

圖中粗實線處為余熱利用部分圖1 回轉(zhuǎn)窯及電爐余熱回收流程

2.2 回轉(zhuǎn)窯煙氣余熱回收過程

回轉(zhuǎn)窯煙氣條件為：

送干燥窯煙氣含塵濃度：13.62 g/Nm3；

送干燥窯煙氣量：212 832 Nm3/h；

送干燥窯煙氣溫度：280 ℃；

送干燥窯煙氣成分：CO26.929%，SO20.030%，O26.681%，H2O 32.377%，N253.983%。

從上述流程及煙氣數(shù)據(jù)可以看出，回轉(zhuǎn)窯經(jīng)收塵后的煙氣溫度為280 ℃，可以直接加以利用?；剞D(zhuǎn)窯煙氣先由旋風(fēng)收塵器預(yù)收塵，再用收塵風(fēng)機(jī)通過DN1800的煙氣管道一對一的送往干燥窯，為了保證煙氣在輸送時熱量不會大量損失，煙氣管道及收塵設(shè)備全部進(jìn)行保溫處理，保溫層厚度為100 mm，使回轉(zhuǎn)窯的煙氣余熱能得到有效的利用，降低干燥窯工作時燃料消耗。

2.3 電爐煙氣的煙氣余熱回收過程

電爐煙氣條件(混風(fēng)室出口)為：

煙氣量38 934 Nm3/h·臺；

煙氣含塵：14.024 g/Nm3；

煙氣溫度：700 ℃；

煙氣成分：CO27.150%；SO20.006%；O216.040%；H2O 3.530%；N273.274%。

我國冶金企業(yè)使用的煙氣余熱回收利用設(shè)備主要有管式換熱器、片狀管換熱器、輻射式換熱器、熱管式換熱器、余熱鍋爐及汽輪機(jī)發(fā)電裝置。

由于此項目位于南方，電爐高溫?zé)煔饬枯^少，用余熱鍋爐回收余熱發(fā)電會受電爐系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的連續(xù)性及電力并網(wǎng)等條件限制，而且轉(zhuǎn)化率相對較低，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽在此區(qū)域應(yīng)用也非常有限，如在南方大部分地區(qū)常年氣溫較高，冬季無需采暖或采暖時間很短，蒸汽加熱生活用水的需求量也很少；此外建設(shè)余熱鍋爐的投資和生產(chǎn)運營的費用遠(yuǎn)高于回收余熱所產(chǎn)生的價值，因此不易采用。

對于熱管式空氣換熱器，中小型企業(yè)安裝使用的較多，回收的煙氣余熱90%用于生產(chǎn)。溫度效率超過45%，熱回收率一般在50%以上[1]。由于此設(shè)備及運行與余熱鍋爐相比簡單，投資及運行費用低于回收余熱產(chǎn)生的價值，因此較為適用該項目。換熱器從布置形式上一般分為立式和臥式，考慮到該項目位于沿海區(qū)域會受臺風(fēng)影響，因此采用臥式布局的空氣換熱器。電爐由于煙氣溫度過高，出爐煙氣約為1 000 ℃左右，熱管換熱器及煙氣管道很難適應(yīng)此溫度。因此先將出爐的高溫?zé)煔鈨度肜滹L(fēng)，使之降到700 ℃再進(jìn)入換熱器進(jìn)行預(yù)熱回收。

電爐煙氣進(jìn)入換熱器箱體，加熱換熱器熱管中的空氣。冷空氣由1臺185 kW的風(fēng)機(jī)送入換熱器，升溫到400 ℃后再經(jīng)過DN800的管道分別送往回轉(zhuǎn)窯作為二次風(fēng)及立式磨所需的熱空氣使用。同回轉(zhuǎn)窯煙氣余熱利用一樣，為了保證熱風(fēng)得到有效利用，管道也需要保溫，其保溫層厚度為100 mm。

電爐煙氣回收的熱效率：空氣換熱器將煙氣溫度從700 ℃降至200 ℃，同時將空氣溫度由30 ℃加熱到400 ℃。700 ℃時混合煙氣比熱為1.432 kJ/m3·℃，200 ℃時混合煙氣比熱為1.351 kJ/m3·℃，30 ℃時空氣比熱為1.323 kJ/m3·℃，400 ℃時空氣比熱為1.356 kJ/m3·℃?？諝鈸Q熱器將煙氣溫度由700 ℃降至200 ℃左右需散去的熱量為：

q=Q0[t1C1-(1+K)t2C2]+Q0Kt0C0=

38 934×[700×1.432-(1+0.05)×200×1.351]+

38 934×0.05×30×1.323=28 058 741 kJ/h

每千克標(biāo)煤的發(fā)熱值為29 306 kJ/kg，單臺電爐每小時節(jié)約標(biāo)煤量為957 kg。

3 余熱回收經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)干燥窯熱平衡計算，單臺干燥窯不利用回轉(zhuǎn)窯余熱時煤粉消耗量為2.73 t/h，當(dāng)利用回轉(zhuǎn)窯余熱時煤粉消耗量為1.6 t/h?；剞D(zhuǎn)窯有效工作時間7 200 h/a，每日3班，年作業(yè)率82.2%。每年節(jié)約標(biāo)煤為：(2.73-1.60)×7 200=8 136 tce/a。

電爐為連續(xù)生產(chǎn)，有效工作時間7 200 h/a，每日3班，年作業(yè)率82.2%。則年節(jié)約能量折合標(biāo)準(zhǔn)煤：7 200×957=6 890 tce/a。

按2012年標(biāo)煤加權(quán)平均到廠綜合價格901元/tce計算[4]，單臺回轉(zhuǎn)窯每年回收熱量產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為733萬元；單臺電爐每年回收熱量產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為621萬元。此項目一期余熱回收共產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為：(733+621)×2=2 708萬元。

考慮換熱器的運營成本(表1)，不考慮設(shè)備投資，則每年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益凈值為2 708-117.2×2=2 473.6萬元。

表1 單臺換熱器年運行成本(有效運行時間7 200 h/a)

4 余熱回收環(huán)保效益

以燃燒煤炭的火力發(fā)電為參考，計算節(jié)電的減排效益。根據(jù)統(tǒng)計，每節(jié)約1 kW·h電，就相應(yīng)節(jié)約了0.4 kgce，同時減少污染物排放CO20.997 kg、SO20.03 kg、NOx0.015 kg。因此折合每千克標(biāo)煤減少CO22.492 5 kg、SO20.075 0 kg及NOx0.037 5 kg。根據(jù)上述數(shù)據(jù)估算出此項目的節(jié)能減排量見表2。

表2 項目節(jié)能減排表 單位：tce/a·臺

5 結(jié)束語

通過上述分析可以看出，對冶煉系統(tǒng)的煙氣余熱加以利用，不考慮設(shè)備成本，此項目僅一期每年節(jié)能收益可達(dá)2 473.6萬元，減排CO274 904 t/a；SO22 254 t/a，NOx1 126 t/a。設(shè)置煙氣余熱利用系統(tǒng)，可提高全廠熱效率，降低燃料消耗及大氣污染物排放，同時可帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益，符合“十二五”規(guī)劃發(fā)展要求。

但是余熱回收在實際生產(chǎn)中是有一定限制的，電爐的煙氣量及煙氣溫度會產(chǎn)生波動，換熱器所需兌入的冷風(fēng)量也要隨之調(diào)節(jié)，否則當(dāng)煙氣溫度低于煙氣露點時會對換熱器及后續(xù)收塵設(shè)備造成腐蝕。反之當(dāng)電爐煙氣溫度過高時不提高兌入換熱器的冷風(fēng)量時，過熱電爐煙氣會使后續(xù)的收塵設(shè)備因溫度過高而損壞，影響正常生產(chǎn)，這一點在實際工作中應(yīng)引起注意。當(dāng)用熱風(fēng)干燥煤粉時，應(yīng)控制進(jìn)入立式磨的熱風(fēng)含O2量低于12%。

[1] 福莉. 我國冶金企業(yè)廢氣余熱利用的現(xiàn)狀[J]. 冶金能源,2000，19，3.

[2] 張健敏,于海. 有色冶金煙氣余熱回收利用[J]. 冶金能源,2011，30，2.

[3] 國家發(fā)改委.“十二五”時期經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展主要指標(biāo).

[4] 2012年鄭州市標(biāo)煤加權(quán)平均價格.

Discussion on Benefits of Waste Heat Recovery in Ferronickel Smelting

ZHANG Liang-chen

For a ferronickel smelting project 1, this paper introduces flow chart of waste heat recovery from ferronickel smelting, flue gas recovery of rotary kiln and electric furnace, and economic and environmental benefits which are generated in waste heat recovery.

flue off-gas; waste heat recovery; coal consumption; emission reduction

2014-12-04

張良辰(1979—)，男，北京人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事有色冶煉煙氣凈化工藝設(shè)計。

TF805.3

A

1008-5122(2015)02-0045-03