Ｖ０Ｊ．３Ｏ Ｎ Ｄ．２ 冶金能源 Ｍａｒ．２０１ １ ＥＮＥＲＧＹ ＦＯＲ ＭＥＴＡｌＪＬＵＲＧＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳ ＲＹ ５９ 有色冶金烟气余热回收利用 张健敏 于海 （１．洛阳栾川钼业集团冶炼有限责任公司，２．东北大学材料与冶金学院） 摘要叙述了目前有色冶金行业的烟气余热现状和对其回收利用存在的问题，并提出Ｊ『对 烟气余热按质回收，温度对口的梯级利用原则。同时简要介绍了对于中低温烟气余热高效回 收利用的有机郎肯循环发电技术。 关键词有色冶金烟气余热梯级利用有机郎肯循环 Ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ ｒｅｕｓｅ ｏｆ ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ｆｌｕｅ ｇａｓ Ｚｈａｎｇ Ｊｉａｎｍｉｎ Ｙｕ Ｈａｉ （１．Ｃｈｉｎａ Ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ Ｓｍｅｌｔｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，２．Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｏｆ ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ ｍｅｔａｌｌ￣ｅＭ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｉｔｓ ｒｅ・ ｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ ｒｅｕｓｅ ｗａｓｔｅ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｇｒａｄｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｑｕａｌｉｔｙ ｗａｓｔｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｌｓｏ，ｆｏｒ ｍｉｄｄｌｅ—ａｎｄ ｌｏｗ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｏｆ ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｉｎ・ ｄｕｓｔｒｙ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｒｓｎｋｉｎｅ ｃｙｄｅ Ｗａｓ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ｆｌｕｅ ｇａｓ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｇｒａｄｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｏｒｇａｎｉｃ ｒａｎｋｉｎｅ ｃｙｃｌｅ ２００８年我国ｌ０种常用有色金属总产量高达 低于６００℃的低温烟气余热分别占总烟气余热的 ２５２０万ｔ，连续七年稳居世界第一。但是有色行 ２６％和２２％。表１［１１是部分有色冶金炉窑烟气的 业长期存在的高能耗问题仍然十分突出，单位产 温度和热效率。从表１可以看出，有色冶金炉窑 品能耗比国际先进水平高１０％左右。在有色冶 的烟气带走的热量在总热量中占相当大的比重， 金的能耗构成中，有效热只占了３２％，另有８％ 烟气的温度越高，带走的热量就越多，从而炉窑 的热量随着炉墙等散失掉，其余的６０％都是有 的热效率也越低。因而尽可能最大限度地回收烟 色金属冶炼过程中的余热量。而在这些余热量中 气余热是提高炉窑热效率的必要措施。 烟气余热占的比例高达８０％左右，由此可见， 另外，由于大多数有色金属冶炼所用的原材 回收有色冶金行业中的烟气余热对于降低有色冶 料都是硫化矿，炉窑产生的烟气中含ＳＯ 等腐蚀 金工业能耗有着重要意义。 性气体较多，并且大部分的烟气温度很高 因此烟 １ 烟气余热回收利用概况 气容易对换热设备造成高温或低温腐蚀。同时， 烟气中的含尘量大，有些炉窑产生的烟气量随工 １．１烟气余热 艺周期性变化，这些烟气的特点都在很大程度上 在有色冶金行业的烟气余热中，温度高于 影响着对有色冶金炉窑烟气余热的回收利用。 ＩＯ００￣Ｃ的高温烟余热占总烟气余热的５２％，而 １．２回收现状 温度在６０Ｏ一１０００℃之间的中温烟气余热和温度 目前较为普遍的对有色炉窑的烟气余热进行 回收利用的方法有：（１）在烟道安装余热锅炉 收稿１３期：２０１０—１０—１１ 生产蒸汽；（２）利用余热发电；（３）利用烟气 张建敏（１９６５一 ），高级经济师；４７１５００河南省洛阳市。 余热预热空气或物料；（４）安装汽化水套生产 冶 金能源 Ｖ０１．３Ｏ Ｎｏ．２ ６０ ＥＮＥＲＧＹ ＦＯＲ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹ Ｍａｒ．２Ｏｌｌ 低压蒸汽或安装冷却水套产生热水等。随着人们 余热锅炉蒸汽压力往往在４—５ＭＰａ以上，如果 对有色炉窑的工艺和烟气特点的不断研究，很多 同样直接减压用于低压用户的话，炯损失将更 企业已经设计并应用了能适应炉窑烟气特性、充 大…。这样一来虽然实现了对烟气余热的回收 分回收烟气余热的余热设备。例如：（１）锌精 利用，但却将高品位的热能降低成了低品位的热 矿沸腾焙烧炉余热锅炉采用辐射大空腔结构，起 能来使用，造成了大量的高级能量烟值的损失。 到沉灰和减小磨损的作用，并使烟尘迅速冷却到 由此可见，对于烟气余热回收问题不能仅从热效 ６５０℃以下，解决了烟气中含较多低熔点金属烟 率来考察其优劣，必须同样重视能量的质量贬值 尘微粒高温下极易粘结的问题 ；（２）烟化炉 问题。 与余热锅炉的一体化设计把烟化炉和余热锅炉有 机地结合在一起，既改善了烟化炉的吹炼状况和 ２烟气余热回收的梯级利用 余热锅炉技术操作条件，又解决了在间断生产条 由上面的论述不难得知，要充分合理地利用 件下实现连续供汽的技术难题，并实现烟化炉余 有色炉窑的烟气余热，就要根据烟气余热资源的 热的全面回收 。除以上两例子之外，目前还 数量、品质（温度）和用户要求，遵循能级匹配的 有很多有色冶金炉窑烟气余热回收设备的改进技 原则，实现对其进行按质回收，温度对口的梯级利 术，这些都为回收有色炉窑的烟气余热起到了重 用 】。一般情况下具体的梯级利用原则如下。 要作用。 （１）如果在生产工艺中有合适的热用户， Ｉ．３存在问题 应优先考虑将烟气的余热回收利用于生产工艺过 目前大部分对有色炉窑的烟气余热回收都是 程本身。这样，将烟气中的余热直接带回生产工 针对高温烟气而言的，而由于技术和经济性的原 艺过程中，直接降低了生产工艺过程的能耗，比 因，对于同样占总烟气余热一半的中低温烟气余 通过转换装置来回收烟温的余热更为经济和有 热利用甚少。为此，对有色行业中的中低温烟气 效。例如，在氧化铝生产中的氢氧化铝流化态焙 余热回收利用的研究与应用需引起高度重视。另 烧工艺中，流态化焙烧炉产生的烟气温度在 外，更值得一提的是在现有的高温烟气余热的回 １０００℃左右。为充分利用余热，让热烟气与氢氧 收利用上，很多都只是简单的从能量守恒的数量 化铝物料逆向流动，利用热烟气余热干燥氢氧化 关系上考虑，而没有考虑热能的质量变化，即没 铝并进行预焙烧，从而充分回收了高温烟气余 有考虑能级的匹配问题 】。例如，压力为 热，大大降低焙烧的能耗。 １．３ＭＰａ的饱和蒸汽具有炯值１００５ｋＪ／ｋｇ，如果 （２）对于高温烟气的余热应优先用于动力 将余热锅炉产生的此蒸汽降压到０．３ＭＰａ来供热 回收，利用常规水蒸气郎肯循环进行发电，将高 用户采暖使用，就会白白造成炯值损失１７２ｋＪ／ 温烟气的中级能热能转换成高级能电能。这不仅 ｋｇ，损失了约为原有炯值的１７％。而闪速炉的 完成了对高温烟气余热的有效回收利用，也遵循 Ｖｏ１．３Ｏ Ｎｏ．２ ＭａＬ ２０１１ 冶金能源 ６１ ＥＮＥＲＧＹ ＦＯＲ ＭＥ１－ＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹ 了能级匹配原则，实现了高品质热能的高品质利 用。例如，在铜冶炼过程中的闪速炉熔炼工艺 中，闪速炉的烟气温度可达１３００ｏＣ以上，可将 高压力的蒸汽来推动汽轮机发电 Ｊ。由于低沸 点工质在较低温度下就能产生高压蒸汽，为此该 技术主要用于低温余热的回收利用上。对于目前 没有得到很好利用的有色冶金烟气余热中的中低 温烟气余热来说，ＯＲＣ技术是一个很好的研究 这部分烟气的余热利用余热锅炉生产出中压饱和 蒸汽送至蒸汽过热炉，将蒸汽加热成过热蒸汽， 产生的过热蒸汽用来推动汽轮机发电。这与把于 余热锅炉产生的蒸汽直接减压供给低用户使用相 比减少了大量炯损失，从而对烟气余热能的回 收利用更具合理性。 （３）在中温烟气和低温烟气余热的利用上， 对于温度较高的中高温烟气仍然应优先应用于动 力回收发电。如，锌精矿酸化沸腾焙烧炉的烟气 温度在８００—９００＇Ｕ之间，可将其烟气的余热利用 余热锅炉生产蒸汽发电。而对于温度较低的中低 温烟气而言，利用常规水蒸气郎肯循环发电回收 内容和发展方向。图１为中低温烟气余热的有机 郎肯循环发电技术。 此过程为经加压泵加压的低沸点有机工质， 在有机工质余热锅炉中被中低温烟气加热，所产 生的较高压力的蒸汽经透平发电，发电后的低压 有机工质蒸汽在凝汽器中冷凝成液态有机工质， 经加压泵加压送回有机工质余热锅炉，行成一个 闭合循环回路。而低压有机工质蒸汽在凝汽器冷 烟气余热的热效率极低，不具合理性。这部分的 烟气余热最好直接应用于生产工艺本身，如加热 物料、预热助燃空气等。如得不到以上利用时再 考虑应用其冬季采暖，夏季制冷等其他利用方式。 在如今有色冶金行业烟气的余热回收中，对 于中低温烟气余热的回收利用一直是一个薄弱环 节。为此，进一步研究对中低温烟气余热的回收 利用就显得极其重要和必要，而有色冶金中低温 凝放出的热量则由冷却塔和冷却水泵等组成的冷 却系统带走。 由于有色冶金行业的烟气中含有大量ＳＯ：等 腐蚀性气体，从而使烟气的酸露点温度低。而低 温有机郎肯循环系统中的有机工质在运行工况下 的温度很低，导致受热面的温度也很低，通常会 低于烟气的露点温度。因而，对于利用有色冶金 中低温烟气余热的有机郎肯循环技术来说，受热 面的低温露点腐蚀是一个有待解决的重要问题。 另外，不同有机工质的选择和环境温度也都影响 着有机郎肯循环的性能。总之，对于利用有色冶 金中低温烟气余热的有机郎肯技术还有待于更深 一烟气余热的高效有机郎肯循环发电技术（ＯＲＣ） 就是一个很具有发展潜质的研究方向。 ３ 中低温烟气余热的有机郎肯循环发电技术 有机郎肯循环（Ｑｒｇａｎｉｃ Ｒａｎｌｅｉｎｅ Ｃｙｃｌｅ）发 电技术是用低沸点有机物代替常规水蒸气郎肯循 环中的水作为工质， 步的研究，如果此技术得到成熟的应用，必将 成为有色行业节能降耗的一个新的里程碑。 ４结语 余热资源占总余热 ｌ——有机工质余热锅炉；２——有机透平；３一发电机；４－一—凝汽器；５——加压泵；６－—哺液罐；７——冷却泵；８——冷却塔 图１ 申低温烟气余热的有机郎肯循环发电技术 （下转第６４页） 冶金能源 Ｖｏ１．３Ｏ Ｎｏ．２ ＥＮＥＲＧＹ ＦＯＲ ＭＥＴＡＩ工ＩＵＲＧＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹ Ｍａｒ．２０１１ ２．２ ６号烧结环冷机一、二段测试数据热 【计 算（见表５） 表５ ６号烧结环冷机实测数据和热工计算表 ３结论 目前二台环冷机的废气余热利用率较低，仅 收集了环冷机一段和二段的一部分废气用于加热 热水，一部分用来作为烧结机燃烧煤气的助燃空 气，大量的高温废气则直接排向大气。另外，现 环冷机体保温较差，表面温度较高，由于机体表 面积较大，致使散热量相当大。 综合上述测试、计算结果，从５号和６号二 台环冷机可收回的余热量为２６２３２７ＭＪ／ｈ，具体 数据见表６。 表６ ５号、６号烧结环冷机可回收的余热量 冷却烧结矿的废气直接排掉，废气中的热量 全部浪费，年价值损失超过百亿元，同时造成粉 尘污染和热污染。 万雷编辑 （上接第６１页） ［Ｊ］．世界有色金属，１９９５，（１２）：２９—３３． 资源的８０％左右，回收这部分余热对于有色行 ［２】肖建新．锌精矿沸腾焙烧余热锅炉特点及选择 业节能降耗有着重要意义。而在烟气余热回收利 ［Ｊ］．有色冶金节能，２００４，２０（６）：３６—３８． 用上，应避免目前的烟气余热回收存在的问题， ［３］徐毅，王钊炎，张乐如．烟化炉一余热锅炉一体 按照能级匹配原则，对其进行按质回收，温度对 化研制［Ｊ］．有色冶金节能，２００１，（４）：ｌ８—２０． 口的梯级利用。对于当前没有被很好利用的中低 ［４］蔡九菊，杜涛，陈春霞等．钢铁企业余热资源的 回收利用及关键技术研究［ｃ］／／２００７中国钢铁年 温烟气余热，要着力开发低温有机郎肯循环发电 会论文集．成都：中国金属学会，２００７：４０８－４１６． 技术，实现对有色烟气中低温烟气余热的更进一 ［５］蔡九菊，王建军，陈春霞等．钢铁企业余热资源的 步的高效利用。 回收与利用［Ｊ］．钢铁，２Ｏ０ｒ７，４２（６）：１－７． 参考文献 ［６］张红．用低沸点工质的郎肯循环（ｏｔｔｏ）方法回收 低位工业余热［Ｊ］．节能，２００４，（１１）：２２—２４．’ ［１］王淑兰．有色冶金炉窑烟气余热利用的现状与分析 万霄编辑