铜精炼阳极炉高温烟气余热回收和利用

1、54冶金 能 源22 卷 2 期 200313铜精炼阳极炉高温烟气余热回收和利用刘春洋 时章明 陈有(中南大学能源与动力工程学院)摘要 针对铜精炼阳极炉烟气以及二次燃烧室的特点 , 建议采用余热锅炉与热管空气换热器对烟气进行余热回收和利用。生产实践表明 , 该系统节能效果显著。关键词 阳极炉 高温烟气 余热锅炉 空气换热器 热管RECYCL E AND UTIL IZATION OF WASTEHEAT FROM HIGH TEMPERATURE FL UE GASOF ANODE FURNACE IN COPPER REFININGLiu ChunyangShi ZhangmingChen

2、Yiyou( School of Energy and Power Engineering of Central sout h University)Abstract According to t he characteristics of flue gas and secondary combustion chamber of anode fur2 nace in copper refining , t he paper gives t he suggestions t hat we shoud adopt t he waste heat boiler and heat pipe excha

3、nger to utilize t he waste heat of gas. Experiences show it have an obvious effect in t he aspect of energy saving.Keywords anode furnace high temperature flue gas waste heat boiler air heating exchanger heat pipe1 铜精炼阳极炉及其烟气特点铜精炼阳极炉是近代普遍采用的铜精炼设备 , 广泛应用于国内外大型铜冶炼厂 , 它具有容量大、机械化自动化程度高、操作灵活、散热损失较小、密封性好等

4、优点。铜精炼阳极炉作业一般分为加料、氧化、还原和浇铸 4 个阶段。在加料阶段 , 加入的是热料 , 之后需加热提温 , 然后进入氧化作业。氧化阶段产生的烟气温度在 1200 1300 左右 , 且烟气含尘量大 , 并带有半熔融状态的颗粒。在还原阶段 , 需要向液态铜中鼓入大量的收稿日期: 2002 - 11 - 15刘春洋(1978) , 硕士研究生; 410083湖南省长沙市。还原剂进行还原。还原剂的利用率不高 , 尤其是用重油作还原剂 , 利用率还不到 30 % , 其余的随烟气流失 , 不仅污染环境 , 而且造成能源的浪费。该阶段产生的烟气温度高达 1400 左右。在浇铸阶段 , 炉子需

5、要保温 , 烟气量相对较小。通过以上介绍可知铜精炼阳极炉的烟气特点是: 温度高 , 烟气量有波动 , 烟气中夹带有一定半熔融状态的颗粒 , 还原阶段烟气中含有大量未燃烧的碳黑。在铜精炼阳极炉的还原期 , 还原剂的利用率很低 , 大部分还原剂成为碳黑进入烟道 , 形成黑烟。这部分黑烟只有在 1000 以上有氧的情况下才能充分燃烧。普通的烟道不具备这种燃烧条件 , 为此要设置二次燃烧室。烟气通22 卷 2 期 200313冶 金 能 源55过二次燃烧室并鼓入适当的热风 , 使碳黑在此燃烧。容积热强度是二次燃烧室的主要热工参1数 , 设计时应充分考虑。该参数的范围一般为 ( 11051126) 10

6、6 kJ / ( m3 h) 。根据铜精炼阳极炉生产实践 , 其二次燃烧室的容积热强度宜取中值。二次燃烧室必须具有足够的容积和充足的助燃风才能保证碳黑充分燃烧 , 从而消除黑烟 , 为进一步回收和利用余热创造条件。2 余热回收利用的目的和方案铜精炼阳极炉余热回收和利用的目的有 3种:(1)提高理论燃烧温度根据铜精炼阳极炉生产经验 , 助燃空气经预热后 , 温度每升高 100 , 可将理论燃烧温度提高 50 。这对炉温的提高有直接作用。(2)利用余热来预热空气可改善燃烧助燃空气经预热后可加速燃烧过程 , 这一点对燃油尤其有重要意义。由于空气的预热 , 雾化油滴加速气化 , 从而改善油的着火条件

7、, 提高燃烧反应速度 , 取得缩短火焰并在较小的空气系数下完全燃烧的效果。(3)节约燃料利用余热来预热炉料、空气和回收蒸汽、热水 , 均能收到节约燃料的效果。助燃空气的预热温度每提高 100 , 可节约燃料 4 % 5 %。在设计具体的余热回收和利用方案时 , 应着重考虑烟气的温度水平。高温烟气经过二次燃烧室后 , 若直接利用空气换热器来回收其余热 , 则必须慎重处理壁温过高的问题。但如果烟气从二次燃烧室出来后首先进入余热锅炉 ,则不仅可以回收大量的余热 , 而且可沉降大部分烟尘 , 使半熔融的颗粒固化。降温后的烟气再进入空气换热器 , 可以进一步回收余热 , 同时换热器的材质问题也容易解决。

8、对于低温烟气 , 经过二次燃烧室充分燃烧后 , 可直接进入空气换热器。3 余热回收设备的配置311余热锅炉根据阳极炉烟气的特点 , 并吸收国内外近年来积累的经验 , 在选择余热锅炉时应考虑:(1)余热锅炉的结构型式基本上分为两种 : 一种是水平直通式烟道结构 , 烟气在锅炉内呈直流式流动; 另一种是多通道式烟道结构 , 烟气在锅炉内呈多回程式流动。前者可减轻烟气流与飞灰分布的不均匀性 , 从而防止飞灰的局部堆积和磨损; 后者管屏间节距较大 ,灰粒不易搭桥 , 且烟气自下而上急转弯 , 可分离部分粗灰粒 , 降低烟尘浓度。比较而言 , 烟尘浓度越大 , 越宜采用第一种型式。(2)余热锅炉前半部应

9、采用大空腔辐射室并布置大量辐射受热面 , 以保证烟气在辐射室中冷却到软化点以下 , 比结渣温度低 100 150 , 使半熔融烟尘变成固体小颗粒沉降下来。锅炉后半部应采用对流受热面 , 烟气流经多排管束时以对流方式传热。(3)取消下锅筒 , 上锅筒宜设在锅炉外 ,这样方便受热面管束的布置。(4) 余热锅炉炉膛水冷壁应采用膜式水冷壁结构 , 管径大、管子中心距小 , 以提高辐射传热效果 , 保证炉膛结构的密封性并利于清灰。(5) 由于阳极炉烟气量和烟气温度随冶炼周期的变化而大幅度波动 , 为防止余热锅炉在低负荷下发生水循环故障 , 宜采用强制循环方式。强制循环方式还有利于负荷波动时锅炉部件的自由

10、伸缩 , 以防止锅炉局部过热或热应力过大 , 同时受热面的布置也相对自由。(6)阳极炉烟气中灰分的硬度高 , 为减小磨损 , 对流受热面应采用顺列管束膜式受热面 , 烟气流速取较低值 ( 34m3 / s) , 这样也利于减少积灰。(7) 烟气中 SO2 含量较高 , 转化为 SO3后 , 与烟气中水蒸气结合生成硫酸。为防止硫56冶金 能 源22 卷 2 期 200313酸低温结露腐蚀 , 必须保持受热面壁温高于烟气露点温度。在设计上 , 选择的锅炉压力应使相应的工质饱和温度高于烟气露点 510 。(8) 当余热锅炉受热面的壁温高于硫酸露点、烟气温度在 500 以上时 , 会发生高温腐蚀。因此

11、要控制受热面壁温低于此温度 , 一般不设过热器。(9) 阳极炉余热锅炉受热面的积灰较为严重。清除积灰的方法一般有两种: 机械振打清灰和吹灰器清灰。通常在辐射室和对流受热面分别布置吹灰器和弹簧振打锤 , 按预先设定的程序自动运行。312空气换热器在种类繁多的换热器中 , 热管换热器因其在余热回收和利用中的突出优点而日益受到人们的青睐。热管换热器形式多样 , 利用烟气余热加热空气的热管空气预热器就是其中典型的一种。该换热器由热管、箱体和中间隔板组成。隔板将箱体分为两部分 , 一侧走烟气 , 另一侧走空气。外有翅片的热管横穿隔板 , 其两端分别与冷热流体接触 , 以达到换热目的。隔板可保证两侧流体互

12、不混淆。在传统的换热器中 , 热量都是从管内侧传至管外侧或由管外侧传到管内侧。热管换热器则不同 , 它把管子内外侧之间的传热转化为两个外部传热过程。这一转化使得热管换热器具有传统换热器无法比拟的优点 , 具体叙述如下 :在气 - 气换热的情况下 , 由于一般气体的给热系数都比较小 , 所以在一定温差下为了强化传热往往采用安装翅片的办法。传统换热器外侧可以较容易地翅片化 , 而管内侧则因加工困难和管内流动阻力等因素无法翅片化 , 所以总传热效率受到限制难以提高。而热管换热器则可以很方便地在两端装上翅片 , 使冷热两端的给热同时得到强化 , 从而大大提高总传热效率。因此 , 热管换热器特别适用于中温气 - 气换热的场合。313节能效果采用上述方案对 100t 铜精炼阳极炉高温烟气余热进行回收利用 , 余热锅炉产汽量为 515t/ h 。从节能效果上看 , 余热锅炉和空气换热器年工作日按 310 天计算 , 则年产蒸汽量为 40920t , 折合标准煤约为 4090t , 空气换热器预热空气 20000m3 / h , 预热温度为 350 , 则节约标准煤约为 2540t , 两项每年共节约标准煤 6630t , 给该铜冶炼厂经济上带来较大的收益。4 结语回收和利用铜精炼阳极炉烟气余热无疑是铜冶