利用冶煉中高溫煙氣進行余熱發電

□文/劉穎 姚文力

沈陽有色冶金設計研究院

利用冶煉中高溫煙氣進行余熱發電

Waste Heat Power Generating by Using High-Temperature Gas During the Process of Smelting

□文/劉穎 姚文力

沈陽有色冶金設計研究院

本文介紹了二次利用冶煉生產中高溫煙氣，通過余熱鍋爐產生蒸汽帶動抽汽凝汽式飽和蒸汽透平汽輪發電組，進行余熱發電的過程。該項目的模式使能源得到充分利用，符合國家要求低碳環保節能減排方針。進一步提高企業社會效益和經濟效益。

余熱是在一定經濟技術條件下，在能源利用設備中沒有被利用的能源，也就是多余、廢棄的能源。它包括高溫廢氣余熱、冷卻介質余熱、廢汽廢水余熱、高溫產品和爐渣余熱、化學反應余熱、可燃廢氣廢液和廢料余熱以及高壓流體余壓等七種。根據調查，各行業的余熱總資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的60%。赤峰富邦銅業有限責任公司建成的銅冶煉廠余熱發電機組工程項目，銅冶煉廠生產過程中對所排放的高溫煙氣加以收集、利用，使余熱鍋爐產生的蒸汽，驅動汽輪機發電機組，所發的電與廠內電并網。本文對該工程可行性、硬件選擇、工藝生產流程及技術條件進行充分的論述。

一、余熱回收系統

赤峰富邦銅業有限責任公司年產10萬噸銅冶煉廠。側吹爐煙氣帶動一臺產汽18t/h余熱式蒸汽鍋爐，二臺轉爐產生煙氣各帶動一臺產汽9t/h余熱式蒸汽鍋爐，蒸汽總量36t/h。

余熱蒸汽鍋爐參數:

(1) 蒸汽壓力: 4.2 MPa；(2) 蒸汽溫度: 255 ℃。

二、余熱利用

針對余熱蒸汽鍋爐參數選擇抽汽凝汽式飽和蒸汽透平汽輪發電機組。透平發機組具有高效率、高穩定性和高可靠性等顯著特點。透平殼體采用水平剖分設計，方便機內轉子、軸承等部件的安裝和維護。轉子采用多極葉片設計，提高效率，減少水蝕，增加穩定性和使用壽命。軸承間設計，顯著提高轉子運轉穩定性，并可適應重載工況。獨立齒輪箱設計，確保系統高載荷穩定、安全和高效率運行。

入口電液多閥控制，適應較大的蒸汽波動，透平發電機組蒸汽波動適應量并網運行可達到入口流量的5%～7%。

機組應用蒸汽參數:

(1) 入口蒸汽壓力: 4.2 MPa( a) ;

(2) 入口蒸汽流量: 36t/h;

(3) 入口蒸汽溫度: 飽和溫度;

(4) 抽汽壓力: 0.6 MPa(a) ;

(5) 抽汽流量: 正常－14.46t/h，最小－0t/h。

余熱蒸汽通過抽汽凝汽式飽和蒸汽透平發電機組，高壓蒸汽通過高壓透平機做功減溫減壓后，又根據廠區用汽情況靈活抽汽用于其他低壓用汽單元。剩余蒸汽繼續進入低壓透平機做功。高、低壓透平機同軸驅動發電機發電，做功后的乏汽進入冷凝器轉變成為凝結水并回收，以達到降低企業生產成本、提高經濟效益的目的。機組運行參數見表1，發電機參數表見表2。

三、熱力系統

(1) 全部(4.2 MPa) 蒸汽進入高壓透平機做功發電后，部分低壓蒸汽(0.6MPa) 通過控制抽汽功能供往低壓蒸汽管線，依需要供其他用汽單位使用，剩余的蒸汽進入低壓汽輪機繼續做功發電，最后乏汽進入冷凝器轉變成凝結水回收返回鍋爐水系統實現循環利用。參見圖1熱力系統示意圖。

(2) 蒸汽系統

主蒸汽系統是從各余熱蒸汽鍋爐蒸汽管道出口形成主蒸汽母管道，再由蒸汽母管分支接入汽輪機蒸汽入口管道。

(3) 主給水系統

主給水系統從鍋爐給水泵出口至鍋爐省煤器之間的管路。

(4) 給水除氧及補給水系統

為了保證鍋爐給水水質，鍋爐給水來自現有化學水處理車間，并經除氧器加熱氧后進入鍋爐給水泵。

(5) 凝結水系統

凝汽器的乏汽經冷卻后產生的凝結水，經凝結水泵加壓后送至除氧器。

(6) 循環冷卻水系統

是將凝汽器中的乏汽進行間接循環冷卻，循環冷卻系統包括冷卻塔及循環水泵，冷卻塔采用機力通風式。

(7) 除灰渣系統

鍋爐產生的渣，通過溜渣管排至除渣機，經排渣機冷卻后排至室外。

(8) 煙氣收塵及冷卻系統

通常采用二級收塵一級冷卻，第一級采用旋風除塵再經煙氣表面冷卻器，冷卻后的煙氣進入第二級電收塵器處理達標排放。

余熱發電機組的應用在滿足廠區蒸汽合理應用的同時，更可獲得發電和回收凝結水雙重經濟效益。從環境保護及能源節約和回收利用的角度，選擇抽汽凝汽式透平發電機組可利用余熱蒸汽發電，同時靈活適應廠區蒸汽的使用要求，并回收凝結水，節約用水同時節省了水處理費用，為企業帶來可觀的經濟效益的同時成為企業節能環保的亮點工程。

蒸汽透平發電機組自動化控制系統完善，機組為全自動運行、自我保護完善，機組運行高效穩定。

四、控制系統及構成

現在電站自控系統普遍采用分散控制系統(DCS)，本項目采用SIEM ENS 公司SIMATIC PCS7集散控制系統，最終實現對整個自備電站的儀表、電氣、DCS 控制系統的完整統一和安全經濟運行。PCS7 是一種模塊化的基于現場總線的新一代過程控制系統，結合了傳統DCS 和PLC 控制系統的優點，系統的所有硬件都基于統一的硬件平臺；所有軟件也都全部集成在SIM ATIC 程序管理器下。系統使用標準工業以太網和PROFIBUS 網絡。設置于電站的計算機系統( DCS) 由現場級和中央控制級組成。根據電站的特點，在位于汽輪機房運轉層的電站中央控制室內設置I /O 模件機柜，采集所有來自現場的開關量和模擬量信號并輸出驅動信號。現場級完成電動機順序邏輯控制、工藝過程參數的檢測與監控，以及PID 串級、多變量復雜控制等。中央監控級設1個工程師工作站和2個監控操作站，分別由監控管理計算機、液晶顯示器和打印機等組成。

具體硬件: 采用七個過程控制機柜——lAPL－7APL。lAPL為電源柜，2APL－6APL為M CC 柜，7APL 為DCS柜。7APL柜內安裝一套冗余過程控制器AS4142DP及主I/O機架，處理汽輪發電機組和熱管鍋爐部分的測點和調節回路。使用5~12 個ET200M 遠程控制機架安裝各種I/O模塊?？傂盘柋砣绫? 所示。

過程狀態監控管理設備為2臺OS站(操作員站)，1臺ES站( 工程師站)。

整個的網絡分為下層控制網、上層管理網。下層控制網采用同軸屏敝電纜，通過每個ET200M 上的IM 153 －1通訊卡、帶ProfibusDP/PA接口的過程儀表、變頻器與AS4142DP控制器互相連接，用于現場信號的采集、處理和控制器的通訊，為Profibus－DP現場通訊網。上層管理網通過OS 站、ES 站和控制器上的CP443－5通訊卡相連接，操作員站、工程師站可以對現場設備的監視、控制和管理，實現數據共享，并能過OS 站、ES站上的D－LINK 網卡連接，主要實現工程師和操作員站之間文件管理、拷貝。

PCS7系統控制策略組態: 對于被控對象而言，基本上只用梯形圖和CFC 程序組態。PCS7 將許多邏輯、運算功能形成功能塊，在進行程序組態時，如需用到某種邏輯、運算功能，就可在系統的功能塊庫中找到與之相應的功能塊，將其直接拖放至CFC組態畫面即可。用戶還可利用PCS7提供的一種類PASICAL 語言的SCL 程序結構化控制語言自定義特殊功能塊，并存在功能塊庫中，隨意調用。

系統配置及功能: 設置于電站的計算機系統(DCS)由現場級及中央控制級組成。根據電站的特點，在位于汽輪機房運轉層的電站中央控制室內設置I/O模件機柜，采集所有來自現場的開關量和模擬量信號并輸出驅動信號?，F場級完成電動機順序邏輯控制、工藝過程參數的檢測與監控，以及PID串級、多變量復雜控制等。中央監控級設1個工程師工作站和2個監控操作站，分別由監控管理計算機、液晶顯示器和打印機等組成。監控操作站的功能包括動態參數的熱力系統及工藝流程圖顯示、動機開/停操作和運行狀態顯示、形圖顯示、歷史趨勢曲線的顯示、報警狀態的顯示、報警狀態及運行報告的打印等。

本系統是一個控制功能分散控制、集中監視和管理的控制系統，電站中控室取消了常規模擬儀表盤和模擬流程圖，代之以大屏幕彩色圖形顯示器，更便于運行人員監視和操作，同時大大縮小了中控室的建筑面積。此外系統中還采用了面向過程的語言，硬件均為模塊化，使整個系統的操作與維護更加簡便，為防止數據丟失和電源干擾，系統采用UPS供電，保證了運行的可靠性。

五、結語

冶煉過程中產生的高溫煙氣，將其熱能通過余熱鍋爐產生蒸汽再帶動汽輪發電機組進行發電，能有效提高二次能源的綜合利用率，最大的節約能源降低企業生產成本，提高企業經濟效益，推動企業經濟快速發展。整個發電工藝過程不需要任何燃料，不對外界排放任何的污染物，并且能降低排氣的溫度，是節能減排、降低企業生產成本比較有效的途徑之一。此類型的余熱發電模式符合國家的有關規定政策低碳、節能、環保方針，具有很好的經濟和社會效益。余熱發電是利國、利民、利于和促進企業和諧發展、科學發展的多贏工程項目。

略