銅冶煉陽極爐煙氣熱能回收方式評析

楊 平

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

目前銅冶煉主要分熔煉、吹煉和精煉3 個階段，每個階段的冶煉爐均有獨立的煙氣處理系統(tǒng)。其中，陽極爐為精煉階段的冶金爐，產(chǎn)出的高溫?zé)煔忭毥?jīng)降溫、除塵和脫硫等過程達(dá)標(biāo)后排放。隨著稀氧燃燒技術(shù)在陽極爐工藝中的應(yīng)用，冶煉爐產(chǎn)出的煙氣量大幅減少，最大時近5 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，下同)，但煙溫依然很高，必須降溫后才能進入后續(xù)工藝設(shè)備。 由于煙氣量很小，已有的余熱鍋爐已不再適用，改用噴霧冷卻器、兌冷風(fēng)加板式換熱器、小型余熱鍋爐等方式來進行降溫。 本文結(jié)合工程實例，對幾種常見替代設(shè)備方案分別進行介紹、分析與總結(jié)。

1 陽極爐煙氣特性

陽極爐精煉有3 個期，分別是氧化期、還原期、其它期（給料期或倒銅期）。每個期持續(xù)時間不同，單爐周期為18 h。冶煉爐每個期排出的煙氣量、煙氣溫度和成分各有不同，某項目陽極爐出口煙氣條件見表1。 表1 所示數(shù)據(jù)可以看出，陽極爐煙氣量小、煙溫高、含塵量大、氧化期含硫、煙氣總熱量小且波動大。

2 換熱器應(yīng)用的必要性和可靠性

陽極爐煙氣系統(tǒng)流程如下：陽極爐—爐罩—換熱器—布袋收塵—脫硫—煙囪。 陽極爐煙氣系統(tǒng)流程，受布袋使用條件限制，必須設(shè)置合適的換熱器吸收煙氣中的熱量，降低煙氣溫度，進入布袋的煙溫最好控制在200 ℃以下。在實際生產(chǎn)中，陽極爐出口與煙道入口處設(shè)有1 個爐罩，爐罩與出煙口有間隙，因此會有一定量的冷風(fēng)兌入，兌入冷風(fēng)后的煙氣進入換熱器。 該項目陽極爐煙氣兌入冷風(fēng)后的數(shù)據(jù)見表2 所示。

表1 陽極爐出口煙氣條件

表2 陽極爐煙氣兌入冷風(fēng)后的數(shù)據(jù)

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)計算，按還原期煙氣量14 872 m3/h，進口煙溫540 ℃，出口溫度按170 ℃計算，換熱器大約可以回收8 000 MJ/h 的熱量，時間2 h；氧化期煙氣中熱量稍微少于還原期，時長也是2 h，回收熱量約等同與還原期；其余14 h 其它期以煙氣量10 817 m3/h，進口煙溫230 ℃進行校核計算，得到出口煙溫約80 ℃左右，可以回收熱量約2 163 MJ/h。每爐1 個循環(huán)18 h，平均每小時回收熱量3 460 MJ，1 年可回收熱量為3×104GJ。 在整個工藝熱力系統(tǒng)設(shè)計時，可以合理、充分地利用這部分熱能，提高整個冶煉工藝的綜合經(jīng)濟效益。

換熱器設(shè)備是工藝流程中較易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，必須確保該設(shè)備長期安全穩(wěn)定運行。 因此，換熱器設(shè)計時必須結(jié)合煙氣特性：1）氧化期煙氣中含有少量的SO2，在一定的條件下，會造成設(shè)備低溫腐蝕危害，影響設(shè)備的使用壽命，因此應(yīng)將能否避免或減少低溫腐蝕作為換熱器設(shè)計的一個關(guān)鍵點。2）煙氣中含塵， 須考慮積灰對設(shè)備換熱效果的不利影響。 因此，設(shè)計換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)時，應(yīng)采用不易積灰或結(jié)灰易清除的結(jié)構(gòu)， 同時便于采用有效的清灰措施，防止積灰影響設(shè)備換熱效果，甚至堵塞煙氣通道，確保整個系統(tǒng)長期安全穩(wěn)定運行。 3）不同期煙氣量和煙氣溫度會有相應(yīng)的變化，設(shè)計時須考慮這個變化帶來的影響和并采取相應(yīng)的措施，盡量采用自動調(diào)節(jié)的方式，便于生產(chǎn)管理。

3 實例分析

在稀氧燃燒技術(shù)之前，冶煉爐排出的高溫?zé)煔饬勘容^大，煙溫也在1 350 ℃左右，所以一般采用的是橫置上下鍋筒連接對流管束、低壓自然循環(huán)形式的余熱鍋爐，產(chǎn)出低壓飽和蒸汽，用于工藝生產(chǎn)。 該方案在當(dāng)時能夠滿足工藝需要，但其設(shè)備龐大，總投資大，隨著稀氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用，煙氣量減少到只有之前的三分之一左右，該設(shè)備已經(jīng)不再適用新的工藝條件。 目前，出現(xiàn)的替代設(shè)備方案有水冷換熱器、煙管式余熱鍋爐、中間介質(zhì)換熱器等。

3.1 水冷換熱器

1）水冷換熱器結(jié)構(gòu)。 水冷換熱器采用直通煙道式，外形呈長方形結(jié)構(gòu)，整體坐落在鋼架上。 由型鋼和密封鋼板組成殼體，內(nèi)襯耐火混凝土，外部采用硅酸鋁纖維保溫。 整個換熱器順著煙氣方向由3 組受熱面串聯(lián)布置，3 組受熱面采用并聯(lián)形式。 考慮到低溫腐蝕，受熱面蛇形管采用ND 鋼鍋爐管制作。 受熱面懸吊在頂部鋼梁上，進出水集箱分別布置在頂部。3 組換熱面進出水集箱通過連通管連接。 水冷換熱器結(jié)構(gòu)見圖1。

2）方案設(shè)計與應(yīng)用情況。煙氣入口煙溫為540 ℃（氧化期），經(jīng)換熱后出口煙溫170 ℃以下，換熱器進水溫度為30 ℃，出口水溫80 ℃?？偣艿郎显O(shè)有總給水調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)不同工況下供水量。每個支管上設(shè)置流量計和電動調(diào)節(jié)閥， 可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)開度大小，控制單組受熱面給水量。每組換熱面出口管道上均設(shè)有熱電偶，并與給水電動調(diào)節(jié)閥進行連鎖，如發(fā)生超溫，給水調(diào)節(jié)閥會自動增加給水量，確保換熱面安全運行。 該設(shè)備可根據(jù)工藝需要采用常壓或低壓運行，熱力系統(tǒng)簡單，可實現(xiàn)自動控制。 3 組受熱面中間設(shè)有旋轉(zhuǎn)吹灰器，利用壓縮空氣吹灰。 吹灰器可根據(jù)需要采用連續(xù)吹灰或間斷吹灰。設(shè)備下部設(shè)有3 個灰斗，收集管束上落灰，并由收塵設(shè)備收集排出。

3）設(shè)備特點及應(yīng)用評析。 該設(shè)備體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸僅約5 m×2 m×3 m，安裝、維修方便，只要布置在某層平臺附近的工藝煙道上即可，可以整體安裝，也可以現(xiàn)場組裝。 該方案不僅適合新建系統(tǒng)，也可以用于已有系統(tǒng)的改造。 2017 年，該設(shè)備申報了專利（實用新型已授權(quán)，換熱裝置和具有其的水冷冶煉爐，專利號CN207395499U）。

圖1 水冷換熱器結(jié)構(gòu)

目前，該方案已在某采用稀氧燃燒技術(shù)的項目中得到使用。 該設(shè)備投運1 年半，存在以下問題：1）壓縮空氣壓頭不足，吹灰器無法正常使用，導(dǎo)致積灰比較厚；2）煙塵中含水較多；3）受熱面特別是彎頭處有腐蝕。針對該設(shè)備存在的低溫腐蝕、清灰效果不理想等問題，建議受熱面改用耐酸腐蝕的不銹鋼鍋爐管制作，清灰設(shè)備改用機械振打清灰裝置或爆破清灰裝置。

3.2 煙管式余熱鍋爐

1）煙管式換熱器方案。煙管式換熱器方案，如圖2 所示。

圖2 煙管式換熱器方案示意

2）方案設(shè)計與應(yīng)用情況。 某冶煉廠陽極爐煙氣系統(tǒng)上在用的是1 臺低壓煙管式余熱鍋爐，產(chǎn)出低壓飽和蒸汽用于生產(chǎn)： 該廠陽極爐氧化期鍋爐入口煙氣量7 500 m3/h， 進口煙溫800 ℃， 出口煙溫300℃，額度壓力1.25 MPa，蒸發(fā)量2.65 t/h。高溫?zé)煔庥蛇M煙口進入前煙箱， 再進入煙管與煙管外的水換熱， 冷卻后的煙氣進入后煙箱再排出進入后部煙道。筒體上設(shè)有壓力表、水位計和安全閥等所有符合鍋爐規(guī)范要求的閥門儀表。 在前后煙箱下部設(shè)有放灰口。鍋爐上無法設(shè)置清灰裝置，因此無法實現(xiàn)在線清灰。

3）設(shè)備特點及應(yīng)用評析。 從以上數(shù)據(jù)可以看出，該設(shè)備只能將煙溫降到300 ℃，不能滿足后續(xù)收塵設(shè)備直接采用布袋收塵的工藝需要， 需在余熱鍋爐出口設(shè)置板式空氣冷卻器，以滿足工藝需要。采用煙管式余熱鍋爐，可以避免低溫腐蝕，但煙管內(nèi)積灰無法在線清除，只能停爐后清灰，一旦煙管堵塞，必將影響生產(chǎn)，停爐清灰也不是最佳選擇。如果能實現(xiàn)在線清灰，解決降溫不足的問題，該方案值得推廣。另外，該方案投資和占地面積均稍大于水冷換熱器。安裝、管理須按特種設(shè)備進行。

3.3 中間介質(zhì)換熱器

1）中間介質(zhì)換熱器方案。 中間介質(zhì)換熱器方案見圖3。

圖3 中間介質(zhì)換熱器方案示意

從圖3 可以看出，該設(shè)備采用了中間介質(zhì)換熱方式，即煙氣從左端進入，右端出，與水平布置的蛇形管進行對流換熱。下降管從換熱器引水至蛇形管，熱水經(jīng)回水引出管引入換熱器， 換熱器與受熱面有足夠的高度差，可以實現(xiàn)自然循環(huán)，蛇形管內(nèi)介質(zhì)為中間介質(zhì)；中間介質(zhì)進入換熱器，再與換熱器管程內(nèi)冷水換熱，熱水進入工藝熱力系統(tǒng)。

2）應(yīng)用情況評析。此方案在某冶煉廠已有實施，只是應(yīng)用不久就出現(xiàn)了問題：由于，該項目實際煙氣量和煙溫遠(yuǎn)大于設(shè)計煙氣條件，造成中間介質(zhì)超溫汽化，導(dǎo)致?lián)Q熱器筒體上的防爆膜頻繁起爆，無法正常使用。 后取消了換熱器，直接供冷卻水，實現(xiàn)降低煙溫，勉強繼續(xù)使用，維持生產(chǎn)工藝需要。 該方案換熱器內(nèi)進行的是水—水換熱，很好地平衡了由于煙氣量和煙溫的波動造成的熱量產(chǎn)出的波動， 從這方面看，該方案有其獨特之處。但該方案也有其致命的缺點，煙氣通道內(nèi)蛇形管布置得太密集，設(shè)備廠家為了在有限的空間內(nèi)增加受熱面，采用了螺旋翅片換熱管。 而該設(shè)備原本設(shè)置了爆破清灰，但無法使用（原因不明），導(dǎo)致積灰難以清除，存在煙氣通道堵塞的風(fēng)險。為了滿足收塵布袋設(shè)備的使用，煙氣溫度降低到200 ℃以下，同樣存在低溫腐蝕問題。

筆者認(rèn)為，該方案如果加以改進，還是值得推廣的，比如：1）蛇形管節(jié)距加大；2）恢復(fù)使用爆破清灰裝置；3）準(zhǔn)確地依據(jù)煙氣條件計算所需換熱面面積，使中間介質(zhì)不至于汽化；4）換熱器防爆膜改成合適壓力的微啟式安全閥等。

4 結(jié)語

綜上所述，以上3 種采用不同形式的換熱器進行余熱回收的工程實例，均存在一些問題，需要進一步改進和完善，或者另尋更好的方案。 例如，為了避免低溫腐蝕，可采用二次兌入冷風(fēng)的方式，即減少陽極爐出口一次兌入的冷風(fēng)量，提高換熱器的入口煙溫，經(jīng)過低壓換熱器換熱后，不能滿足布袋收塵要求，可以再次兌入適量冷風(fēng)。 如此可避免換熱器的低溫腐蝕，也可以控制系統(tǒng)總風(fēng)量。

陽極爐煙氣處理是一個系統(tǒng)工程， 設(shè)備設(shè)計人員應(yīng)充分地掌握工藝需求，與工藝設(shè)計人員加強溝通和配合，綜合考量整個系統(tǒng)設(shè)計的合理性。選擇設(shè)備時，首先要滿足工藝要求，同時考慮合理地應(yīng)用從煙氣中回收的這部分熱能，盡量減少水資源損失，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。