利用富余蒸汽加熱的銅锍立磨系統節能改造設計與實踐

楊國年， 李 惠， 秦躍文

(廣西金川有色金屬有限公司， 廣西 防城港 538002)

0 引言

作為一種一體化大型粉磨設備，立磨具有較高的生產效率，可通過破碎和粉磨等方式將塊狀、或顆粒狀原料磨成生產中所要求的粉狀物料，并分級輸送至后續工序，故廣泛用于冶金、化工、水泥、選礦和電力等各個工業門類[1-2]。對銅冶金領域來說，立磨在磨碎銅锍原料過程中，需要通入大量高溫的空氣來完成物料的干燥以滿足后續冶煉工序的工藝要求[3-4]。通常銅冶金工業中采取熱風爐來獲得高溫干燥空氣，以至于消耗了大量的天然氣，提高了生產成本。

查閱眾多文獻可知，雖然技術人員試圖通過優化熱風爐結構[5]、更換熱風爐燃料[6-7]和改進熱風爐的加熱方式[8]等途徑來提高熱風爐的運行能效，但其本質上仍然需要燃燒足夠的燃料來獲得空氣中水分蒸發以及溫度提升所需要的熱值，故始終存在能耗消耗缺陷。而若能夠利用生產系統中富余的蒸汽替代天然氣來獲得干燥的熱風，則可以大大提高系統的能效指標[9]。目前利用富余蒸汽進行節能改造的方式多見石化[10]和化工[11]行業，在銅冶金領域應用的較少。本文以廣西金川有色金屬有限公司冶煉廠銅锍磨加熱系統為研究對象，介紹了利用富余蒸汽代替天然氣完成銅锍物料干燥的節能改造方案設計與實踐，對于銅冶煉工業的節能生產具有一定的指導意義。

1 節能改造工藝設計

1.1 改造前工藝流程及主要參數

廣西金川有色金屬有限公司冶煉廠銅锍磨加熱系統是采用天然氣熱風爐作為熱源對銅硫物料進行加熱烘干。銅锍磨系統平均投料量約105 t/h，銅锍原料含水率約2%；經熱風干燥后，要求送入后續工序的銅锍含水率不高于0.05%。節能改造前，銅锍磨的原料加熱工藝流程如圖1所示，即將天然氣和助燃空氣通入熱風爐進行燃燒，加熱循環氣體，獲得溫度達115～120 ℃的熱風用于干燥銅锍磨中的銅锍原料；氣體從銅锍磨排出后，經沉塵室和布袋收塵器等工序后，小部分借助引風機排放至尾氣煙囪，而大部分的氣體則返回熱風爐用于循環加熱和干燥銅锍原料。

圖1 銅锍磨加熱工藝流程圖

2019年12月，經現場檢測，改造前銅锍磨加熱系統的主要工藝運行參數如表1所示。

表1 銅锍磨加熱系統的主要工藝運行參數

由表1可知，天然氣單價按天然氣單價為2.4元/Nm3計算，銅锍磨加熱系統每年運行時長為6 000 h，則年均燃料費用為518.4萬元。

1.2 節能改造工藝流程

經過廠內現場勘察，銅锍磨加熱系統的相鄰工段常年存在富余的飽和蒸汽，飽和蒸汽壓力約0.6 MPa，流量約20 t/h，查《飽和蒸汽壓力溫度對照表》[12]可得該飽和蒸汽的溫度約為165 ℃，大大高于銅锍磨加熱系統所需的銅锍磨熱風進口溫度，故可以利用該富余的飽和蒸汽來加熱得到銅锍干燥用熱風，設計的節能改造工藝流程如圖2所示。

圖2 節能改造工藝流程

在圖1所示的原工藝流程基礎上去除熱風爐，通過蒸汽流量調節閥組引入0.6 MPa飽和蒸汽(一次蒸汽)進入換熱器組中的前8臺換熱器與循環風進行熱交換，加熱循環風后送入銅锍磨；熱交換后的一次蒸汽變為高壓飽和水并送入閃蒸罐，閃蒸得到0.25 MPa的二次蒸汽并送入換熱器組中的后2臺換熱器，與循環風進行熱交換；最終，經過梯次利用后的飽和蒸汽變為冷凝水，分別經閃蒸罐和后2臺換熱器流入集水罐，并經電泵輸送回鍋爐。

2 節能改造方案計算與主要設備選型

2.1 方案總體計算

在圖2所示節能改造工藝流程的基礎上，確定節能改造方案達到的總體性能指標為：

(1)通過換熱器組穩定地換熱，將35萬Nm3/h的熱風從85 ℃加熱至130 ℃；

(2)為保證一定的設計裕量，換熱器組最大換熱能力折合610 m3/h天然氣燃燒的熱值；

(3)0.6 MPa飽和蒸汽設計消耗量為12 t/h；

(4)熱風通過換熱器的風阻小于400 Pa，以滿足風壓的需要。

實現以上總體性能指標的關鍵在于系統的熱量衡算和換熱器組的設計選型。根據表1的檢測數據，改造前天然氣的消耗量為360 Nm3/h，按36 MJ/Nm3的天然氣熱值計算，天然氣燃燒放熱量為12 960 MJ/h。節能改造后，為了達到與改造前相當的換熱量，則0.6 MPa飽和蒸汽的理論用量m的計算式為：

(1)

式(1)中E為系統所需總換熱量，取改造前熱風爐中天然氣的燃燒放熱量12 960 MJ/h；h1為冷凝水經閃蒸利用后的焓值(冷凝水溫度取130 ℃)，544.7 MJ/t；h2為原0.6 MPa飽和蒸汽的焓值(飽和蒸汽的干度取0.9)，2 558.7 MJ/t。

代入以上數據，計算得到飽和蒸汽的理論用量為6.4 t/h。考慮到換熱器效率、裝置散熱和泄漏等因素，取節能改造方案換熱過程總效率為55%，則實際飽和蒸汽的理論用量為11.6 t/h，設計圓整至12 t/h。因此，經計算校核，節能改造方案可以達到的總體熱力性能指標。

2.2 換熱器選型

換熱器的設計選型經咨詢換熱器制造廠商完成。最終換熱器選用10臺某型號翅片式換熱器形成換熱器組，換熱管材質為304不銹鋼，翅片為采用整體電泳工藝的合金鋁片，邊框為鍍鋅鋼板，其基本參數如表2所示。

表2 換熱器組基本結構與性能參數

2.3 泵選型

冷凝水泵選用某型號臥式鑄鋼離心泵，一用一備，其基本參數如表3所示。

表3 冷凝水泵基本參數

2.4 節能效益估算

本節能改造方案使用富余的0.6 MPa飽和蒸汽代替天然氣對銅锍磨加熱系統的循環熱風進行加熱，改造前的天然氣用量為360 Nm3/h，而改造后停止了天然氣的使用，故按年運行時長6 000 h計算，天然氣單價取2.4元/Nm3，則每年節約天然氣用量216萬Nm3，折合燃料費用518.4萬元。

3 結語

2020年初，按照以上節能改造方案完成了施工建設，改造后系統運行平穩，銅锍磨熱風進口溫度等技術參數不低于改造前的水平，項目的節能收益也符合預期估計。這說明利用富余蒸汽換熱代替熱風爐天然氣燃燒來實現銅锍立磨熱風系統的加熱是可行的，本項目的設計和實踐對類似系統的節能改造具有較大的參考價值。