蒸汽蓄熱器在某再生銅冶煉項目中的應用

〔摘 要〕以某再生銅冶煉項目為例，分析了熔煉爐出口煙氣溫度高，具有大量余熱可以回收，卻存在周期性波動的特點，闡述了蒸汽蓄熱器作為平衡蒸汽生產和蒸汽利用之間供需關系的橋梁，在余熱回收-利用系統中設置的必要性。介紹了蒸汽蓄熱器的工作原理，以某再生銅冶煉項目為例對蒸汽蓄熱器的蓄熱能力進行了計算，并分析了蒸汽蓄熱器的應用條件。

〔關鍵詞〕再生銅；蒸汽蓄熱器；余熱鍋爐；余熱回收

中圖分類號：TK11+5 " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）05-0029-04

Application of Steam Accumulator in a Secondary Copper Smelting Project

TANG Jinhua

（China Nerin Engineering Co.，Ltd.， Nanchang，Jiangxi 330038，China）

Abstract" Taking a secondary copper smelting project as an example， the paper analyzes the characteristics of high flue gas temperature at the outlet of smelting furnace， which has a large amount of waste heat that can be recovered， but there is periodic fluctuation， and expounds the necessity of setting the steam accumulator in the waste heat recovery and utilization system as a bridge to balance the supply and demand relationship between steam production and steam utilization. The working principle of the steam accumulator is introduced， the heat storage capacity of the steam accumulator is calculated by taking a secondary copper smelting project as an example， and the application conditions of the steam accumulator are analyzed.

Keywords" "secondary copper; steam accumulator; waste heat boiler; waste heat recovery

1 應用研究背景

蒸汽蓄熱器作為工業生產中常用的重要節能措施之一，是實現蒸汽生產系統和蒸汽利用系統平衡的連接橋梁，達到供需雙方連續、穩定的供汽、用汽平衡，從而保持系統運行負荷均衡，起到“削峰填谷”的作用，提高能源利用效率并節約能源。隨著我國能源政策的不斷調整以及節能工作的不斷深入，蒸汽蓄熱器在工業企業中得到越來越廣泛的應用。銅冶煉廠熔煉爐出口的煙氣溫度很高，具有大量的余熱可以回收，為了節約能源，通常利用余熱鍋爐回收其煙氣中的余熱。但冶煉爐生產是周期性的，每個周期包括加料、氧化、倒渣、還原、澆鑄等階段，且各周期時間長短不一，出口煙氣量和煙氣溫度也不一樣，這必然會造成余熱鍋爐出口蒸汽的流量和壓力也存在周期性波動，導致供汽系統頻繁出現蒸汽量時而供不應求， 時而供大于求的情況， 嚴重地影響了電解車間這種消耗蒸汽的生產用戶的正常運行。電解車間需要一定量穩定的低壓飽和蒸汽用于加熱電解液，以保證電解液的溫度，確保電解車間的連續、正常生產。解決這一問題的有效途徑即在鍋爐供氣系統中設置蒸汽蓄熱器，以均衡蒸汽熱負荷，同時蒸汽蓄熱器還具備自動儲存和釋放熱能的功能， 可以起到“削峰填谷”的作用， 保證安全并節約能源。本文擬以某再生銅冶煉項目冶煉工藝為例，介紹蒸汽蓄熱器在銅冶煉項目中的應用，以期為類似項目的節能應用提供技術參考。

2" "余熱回收及利用系統特點分析

某再生銅冶煉項目冶煉工藝根據雜銅原料含銅品位的不同，分成兩個熔煉系統，分別是低品位再生銅熔煉系統和高品位再生銅熔煉系統。高﹑低品位的再生銅經熔煉后，通過圓盤澆鑄機澆鑄成純度高于99%的陽極板。為了獲取更高純度的陰極銅，陽極板通過電解車間除去雜質，最終產品純度高于99.99%以上。

該項目冶煉工藝分低品位雜銅“熔煉+精煉”區和高品位雜銅精煉區，低品位雜銅熔煉區配置2臺頂吹轉爐，高品位雜銅熔煉區配置2臺精煉搖爐，這些冶煉爐出口的煙氣溫度都很高，有大量余熱可以回收利用。

2.1" 余熱回收系統

該項目余熱回收情況如下：1）頂吹轉爐余熱回收。頂吹轉爐余熱鍋爐入口煙氣量和煙氣溫度相對穩定，單臺頂吹轉爐余熱鍋爐產汽量約為10.0 t/h，合計產汽量為20.0 t/h，壓力為1.25 MPa（飽和）。2）精煉搖爐余熱回收。精煉搖爐冶煉過程有加料熔化期﹑氧化期倒渣期﹑倒渣期﹑還原期及澆鑄期5個時期。精煉搖爐各期入口煙氣量、入口溫度、作業時間、產汽量見表1。

由表1 可看出，精煉搖爐加料熔化期產汽量最高（單臺產汽量為15.9 t/h），則2臺精煉搖爐最高產汽量可達31.8 t/h。倒渣期、澆鑄期的精煉搖爐產汽量最低（單臺產汽量為4.8 t/h），則2臺精煉搖爐最低產汽量為9.6 t/h。

2.2" 余熱利用系統

余熱鍋爐回收的蒸汽可以用于電解車間﹑凈液車間﹑布袋保溫等蒸汽用戶的加熱功能，蒸汽不足的部分由廠區備用燃氣鍋爐生產低壓蒸汽補充。

全廠低壓蒸汽消耗量為48.0 t/h，在飽和狀態下，蒸汽壓力為0.4 MPa。結合余熱回收系統的產汽波動情況，可能造成的最大波動范圍詳見表2。

由表2可以看出，在2臺精煉搖爐加料熔化期，結合工藝生產，考慮2臺精煉搖爐周期上錯開運行后，約有2 h出現蒸汽富余，其他各期均為蒸汽不足。

針對上述問題，可通過設置蒸汽蓄熱器，將富余的蒸汽儲存起來，既能避免在蒸汽富余時將蒸汽放空，造成能源浪費，也能避免蒸汽不夠用時，全部依靠低壓鍋爐房補充，提高了能源利用效率。

３" "蒸汽蓄熱器的工作原理及蓄熱量計算

蒸汽蓄熱器常用有變壓式蓄汽器和變壓式蒸汽蓄熱器兩種[1]。變壓式蓄汽器為干式定容蓄熱器，它直接儲存蒸汽，不僅能儲存飽和蒸汽，也能儲存過熱蒸汽。但由于蒸汽比容較大，通常變壓器蓄汽器的容積較大。變壓式蒸汽蓄熱器，簡稱蒸汽蓄熱器，為濕式定容變壓式蓄熱器，它以水為載體，將蒸汽的熱能儲存在高壓飽和水中，利用飽和水降壓后閃蒸的原理產生飽和蒸汽。在相同容積下，變壓式蒸汽蓄熱器的蓄熱量比變壓式蓄汽器大很多，因此目前工程上主要應用的是變壓式蒸汽蓄熱器。

3.1" 蒸汽蓄熱器工作原理

蒸汽蓄熱器通常為鋼制圓筒形壓力容器，由殼體、內部充熱裝置、頂部汽水分離器、固定支座和活動支座、水位計、壓力表、安全閥、溫度計等安全附件及外部保溫層組成，殼體內裝有蒸汽分配管和噴嘴。一般狀況下，蓄熱器內汽水共存，下部儲存的高壓飽和水最多可占到蓄熱器總容積的90％，水面上為飽和蒸汽。筒體上部有蒸汽入口、蒸汽出口，為使蓄熱器在供熱系統中能自動地發揮調節、穩定蒸汽量和供熱量的作用，在蓄熱器進、出汽管上還分別裝設壓力調節閥和逆止閥。

該廠變壓式蒸汽蓄熱器容積為100 m3。進汽管和出汽管各通過1個壓力調節閥（V1、V2）與供汽主管相連。蒸汽蓄熱器的運行主要有充熱和放熱兩個過程。該變壓式蒸汽蓄熱器的工作原理見圖1。

1）充熱過程。當余熱鍋爐的供汽量大于生產用汽負荷時，供汽主管中的壓力將升高， 蒸汽蓄熱器進汽口前的壓力調節閥根據主管壓力信號 （V1）自動打開，多余的蒸汽由蓄熱器中充汽主管均勻擴散到各個支管，再由支管上的噴嘴將蒸汽均勻地噴入蒸汽蓄熱器的水中，此時蒸汽凝結為水，將蒸汽潛熱藏于水中。隨著富余蒸汽的持續供應，蒸汽蓄熱器內的水位、水溫和壓力逐漸上升，水的熱焓增加。噴嘴噴出的蒸汽流起到了引射水流循環和快速加熱的作用，使導流筒內外、上下的水形成了一個自身流動的循環，同時使導流筒內水溫迅速達到均勻一致，最終蒸汽蓄熱器內的水位因蒸汽凝結而上升，直到蒸汽蓄熱器內的壓力與供汽主管壓力相同，完成充熱過程（見圖2），壓力調節閥（V1）自動關閉。此時，蒸汽蓄熱器內儲存著高壓飽和水及與其壓力相當的熱量。

2）放熱過程。當余熱鍋爐的供汽量小于生產用汽負荷時，供汽主管中的蒸汽壓力下降，蒸汽蓄熱器進汽口的自動壓力調節閥（V1）自動關閉， 出汽口的自動壓力調節閥 （V2） 自動打開，蓄熱器內的高壓飽和熱水因其溫度高于供汽主管相應壓力下的飽和溫度（因壓力下降）而過熱汽化，同時蓄熱器內的高壓飽和熱水還因供汽主管內的壓力下降而迅速蒸發，產生的飽和蒸汽進入供汽主管，以補充鍋爐的供汽不足。在放熱過程中，飽和熱水不斷蒸發， 蒸汽蓄熱器內的壓力和焓值降低，水位也隨之降低，直到蒸汽蓄熱器內的壓力與所需的生產用汽最低壓力相同時，放熱終止。蒸汽蓄熱器的運行就是這樣，不斷地進行蓄熱和放熱反復循環，對用汽負荷起到消峰填谷的作用，從而穩定鍋爐的供汽壓力和產汽量，達到節能的目的。為保證蓄熱器能自動有效地進行蓄熱和放熱，在蓄熱器進汽管、并聯系統放汽管及進水管上均設置有止回閥。進汽管上設置止回閥的作用是防止蓄熱器中熱水倒流進入進汽管產生水擊事故；并聯系統放汽管上設置止回閥的作用是防止充熱時蒸汽倒流入蓄熱器汽空間，保證蓄熱器充熱完善；進水管設置止回閥的作用是防止蓄熱器中熱水倒流入供水系統。

在V1和V2閥組之間設置旁通供汽管路，防止突發事故造成調節閥不能正常使用，以保證用戶的正常供汽要求。

3.2" 蒸汽蓄熱器蓄熱量的計算

由于冶煉工藝的2臺精煉搖爐運行的各期可以通過生產調度錯開，蓄熱器容量計算僅考慮2 h加料熔化期重疊的工況，蓄熱量約為7 600 kg。

蒸汽蓄熱器的蓄熱能力主要與單位容積蓄熱量q及蓄熱器容積V有關。在該項目設計中， 考慮到場地限制，設置了1臺100 m3蒸汽蓄熱器，單位容積蓄熱量q取決于充熱壓力P1和放熱壓力P2的差值[2]， 其值可近似地按式（1）計算。

q = r（i1-i2）/（0.5i３+0.5i４－i2）" " " " " （1）

式中：i１﹑i2為充熱壓力P1和放熱壓力P２時飽和水的焓，kJ/kg；i３﹑i４為充熱壓力P1和放熱壓力P２時飽和蒸汽的焓，kJ/kg；r為充熱壓力P1時飽和水的密度，kg/m3。

依據設計手冊[3]：i1 = 822.5 kJ/kg，i２=640.1 kJ/kg，i３=2 786.65 kJ/kg，i４=2 747.5 kJ/kg，r=8 72.3 kg/m3，計算得q=74.8 kg/m3。

蓄熱器的蓄熱量G按式（2）計算[4]。

G =V·q·η·φ" " " " （2）

式中：q為單位容積蓄熱量， kg/m3；V為蓄熱器容積，m3；φ為蓄熱器的充水系數， 通常取0.9；η為蓄熱器的熱效率一般可取0.99。計算得：G=6 664 kg，基本滿足上述項目蓄熱量的需求。

4" "蒸汽蓄熱器的應用條件

蒸汽蓄熱器的蓄熱和放熱是依靠其工作壓力的變化而進行的，當蓄熱器的容積一定時，蓄熱量由容器內的最高壓力（蓄熱過程終止時的壓力） 和放熱壓力（放熱過程終止時的壓力）之差決定。該壓差稱為蓄熱器的壓力變化范圍，壓力變化范圍越大，蓄熱量也越大。因此，從經濟效益的角度考慮， 供汽系統設置蒸汽蓄熱器必須具備以下條件：1）用汽或者產汽頻繁波動，這種波動具有一定的周期性或呈現最大值與最小值交替出現的狀況；2）鍋爐蒸汽壓力必須高于生產用汽壓力， 因為壓差越大， 同樣水容積的蓄熱器的蓄熱能力越大；3）通常在工程設計過程中，需要的蓄熱器容積比較大，因此需要充分考慮場地問題；4）鍋爐產汽量可以小于最大生產用汽量， 但總供汽建議略大于平均生產用汽量，否則必須設置備用鍋爐。

5" "結論

蒸汽蓄熱器可以自動調節鍋爐供汽和用汽之間的不平衡工況。當生產用汽量大于鍋爐產汽量時， 蒸汽蓄熱器能自動地釋放熱能， 蒸發出一部分蒸汽以補充鍋爐供汽的不足； 而當生產用汽量小于鍋爐產汽量時， 其將自動吸收多余的蒸汽。本文結合某再生銅冶煉廠的應用實踐以及蒸汽蓄熱器的工作原理分析得出如下結論：1）蒸汽蓄熱器的使用減少了因產汽富余而導致的放空量，增加了產汽不足時的供應能力，提高了蒸汽利用效率，節約了能源，也提高了廠方的經濟效益。2）蒸汽蓄熱器保持了供汽壓力的穩定，提高了工藝生產的可靠性。3）蒸汽蓄熱器具有一定的應急蒸汽儲備功能。在蒸汽供應系統中設置蒸汽蓄熱器后，如熔煉系統在運行中突發故障或臨時停電，而備用鍋爐尚未啟動供汽的這段時間，蒸汽蓄熱器能繼續供汽一段時間，提供工藝生產連續的可靠性。4）蓄熱器蓄熱能力有限，高峰產汽時間不宜過長，需要工藝合理錯開以縮短加料熔化期重疊，否則蓄熱器很難持續長時間吸收富余蒸汽。

參考文獻

[1] 能從貴.變壓式蒸汽蓄熱器研究進展[J].化學工程與裝備，2016（9）：259-261.

[2] 孫小明，楊躍武.蒸汽蓄熱器技術在煙草行業的應用[J]. 應用能源技術，2020（2）：24-31.

[3] 洪向道，葉全樂，毛文中. 中小型熱電聯產工程設計手冊[M]. 北京：中國電力出版社，2006：6-33.

[4] 洪向道，舒世安，徐振國. 鍋爐房設計手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2001.