一种铜冶炼全流程多源余热梯级回收利用系统及方法

一种铜冶炼全流程多源余热梯级回收利用系统及方法

背景技术

火法冶炼在铜冶炼中占据主导地位，我国铜产量的90％左右是通过火法炼铜得到的。铜的火法冶炼是一个多种化学反应和物理变化共存的复杂过程，其中涉及多个高温反应阶段。不同的冶炼工序如熔炼、吹炼、火法精炼以及冶炼烟气制酸工序均会产生高温烟气，这些烟气中蕴含有丰富的余热资源。

其中，熔炼、吹炼、火法精炼是火法炼铜的三大工序，每个工序所产生的烟气温度会受到多种因素的影响，包括具体炉型、生产规模、工艺条件以及原料的组成等。通常，铜熔炼工序由于需要将铜精矿熔化而加入大量燃料燃烧放热和硫化铜的氧化生成氧化铜和二氧化硫等放热反应，排出的烟气温度会达到整个工艺流程中的最高水平，烟气最高温度可达1200-1400℃；其次是吹炼工序，烟气最高温度依旧可达1200-1300℃左右；最后的火法精炼工序排出的烟气最高温度范围一般在300-600℃左右。一座大型的火法冶炼炉，其每小时产生的烟气量可达到十万立方米以上甚至更多，因此这些工序排出的烟气中所蕴含的余热资源规模相当可观，可以用于预热空气、生产蒸汽或进行其他热能回收利用等。通过对上述多源烟气余热进行有效回收，可将热能再利用于冶炼过程中的其他能源需求或供应给其他生产环节，不仅可以提高能源利用效率，降低生产成本，更有助于实现节约能源和减少co2排放，从而实现铜冶金工业的绿色和可持续发展。

然而，由于经济投资成本和余热回收技术上的原因，这些烟气余热资源在之前的铜冶炼企业中没有得到完全的回收和利用。目前，随着技术的进步、生产工艺的改进以及节能减排的政策导向作用等，烟气余热回收在各个铜冶炼企业中已经得到了越来越多的重视，但是，余热资源总体利用率低、低温余热没用得到合理开发和利用，特别是多源烟气余热产品与工序耗能能级匹配效果差等问题依旧普遍存在。

技术实现思路

针对上述现有技术的缺点，本发明提供一种铜冶炼全流程多源余热梯级回收利用系统及方法。本发明利用熔炼烟气余热锅炉和吹炼烟气余热锅炉产出饱和蒸汽，再利用制硫酸工序中的烟气余热和化学反应热产出中压过热蒸汽和低压过热蒸汽，实现对铜冶炼过程中熔炼炉烟气余热、吹炼炉烟气余热和制硫酸工序烟气化学反应余热的梯级高效回收利用。

具体来说，该系统包括熔炼余热锅炉、吹炼余热锅炉、制硫酸工序主转化一段蒸汽过热器、中压汽轮发电机组、制硫酸工序主转化段省煤器、制硫酸工序干吸段蒸汽发生器、制硫酸工序主转化三段蒸汽过热器、低压蒸汽集汽与供汽管网、低压汽轮发电机组、精炼炉烟气余热回收器和铜电解液热交换器等组件。通过这些组件的协同工作，实现对不同温度段的余热进行梯级回收利用。

优选实施方案

作为本发明的优选实施方案，熔炼余热锅炉的烟气管道依次与烟气除尘装置、制硫酸工序内的烟气净化装置连接；吹炼余热锅炉的烟气管道依次与烟气除尘装置、制硫酸工序内的烟气净化装置之间连接。精炼炉烟气余热回收器与烟气除尘装置连接。精炼炉烟气余热回收器的出水口依次与冷却水循环泵、铜电解液热交换器进水口连接，铜电解液热交换器出水口依次与循环冷却水截止阀ⅰ、精炼炉烟气余热回收器的进水口连接，铜电解液热交换器出水口依次与循环冷却水截止阀ⅱ、冷却塔连接。

具体实施方法

一种铜冶炼全流程多源余热梯级回收利用方法，包括：

1. 制硫酸工序主转化一段蒸汽过热器利用制硫酸工序主转化一段的烟气余热将熔炼余热锅炉和吹炼余热锅炉输送的中压饱和蒸汽过热形成中压过热蒸汽，再将中压过热蒸汽输送至中压汽轮发电机组；
2. 中压汽轮发电机组将中压过热蒸汽进行发电产生电能；在中压汽轮发电机组内中压蒸汽经膨胀做功后转变成的低压蒸汽被抽至低压蒸汽集汽与供汽管网；
3. 对熔炼余热锅炉和吹炼余热锅炉产生的烟气进行除尘，然后传输至制硫酸工序，最后再依次进行脱硫、排放；
4. 制硫酸工序主转化段省煤器与余热锅炉补给水给水泵相连，利用制硫酸工序主转化段的烟气余热对余热锅炉补给水加热，加热后的余热锅炉补给水分别输送至熔炼余热锅炉和吹炼余热锅炉与高温烟气余热生成饱和蒸汽；
5. 制硫酸工序干吸段蒸汽发生器与补给水泵连接，利用制硫酸工序干吸段的烟气余热加热补给水，生成低压饱和蒸汽输送至制硫酸工序主转化三段蒸汽过热器；
6. 制硫酸工序主转化三段蒸汽过热器利用制硫酸工序主转化三段的烟气余热使输送的低压饱和蒸汽过热产生低压过热蒸汽，并将低压过热蒸汽分别输送至低压蒸汽集汽与供汽管网供汽供热、低压汽轮发电机组发电；
7. 精炼炉烟气余热回收器将精炼炉产生的低温烟气与循环冷却水进行换热形成换热后的循环冷却水和换热后的烟气，换热后的循环冷却水输送至铜电解液热交换器中与铜电解液进行热量交换，保持铜电解液的温度，同时经过铜电解液热交换器放热降温的循环冷却水输送至精炼炉烟气余热回收器；换热后的烟气进行除尘、脱硫和排放。

优选技术参数

熔炼余热锅炉通过水冷壁将熔炼炉的高温烟气的能量传递给余热锅炉补给水产生中压饱和蒸汽，高温烟气转化为放热降温后的烟气；熔炼炉的高温烟气温度为1100-1400℃、烟气流量为100000-150000nm3/h。吹炼余热锅炉通过水冷壁将吹炼炉的高温烟气的能量传递给余热锅炉补给水产生中压饱和蒸汽，高温烟气转化为放热降温后的烟气；吹炼炉的高温烟气温度为1100-1300℃、烟气流量为40000-55000nm3/h。精炼炉产生的低温烟气的温度为300-600℃、烟气流量为8000-28000nm3/h。

中压饱和蒸汽的压力为5.0-5.1mpa，温度为264-265.3℃；低压饱和蒸汽的压力为0.8-0.9mpa，温度为170.5-175.5℃；中压过热蒸汽的压力≥4.7mpa，温度≥475℃，流量≥110t/h；低压过热蒸汽的压力≥0.6mpa，温度≥340℃，流量≥72t/h。

精炼炉烟气余热回收器将精炼炉产生的低温烟气与循环冷却水进行换热，升温后的循环冷却水在冷却水循环泵的加压驱动下进入铜电解液热交换器对来自电解槽的电解液进行换热，当循环冷却水的温度在经过铜电解液热交换器放热后降低到目标温度时，打开循环冷却水截止阀ⅰ并关闭循环冷却水截止阀ⅱ，循环冷却水直接进入精炼炉烟气余热回收器与烟气进行换热；当循环冷却水的温度在经过铜电解液热交换器放热后没有降低到目标温度时，打开循环冷却水截止阀ⅱ并关闭循环冷却水截止阀ⅰ使其进入冷却塔散热后，再进入精炼炉烟气余热回收器与烟气进行换热。

有益效果

本发明提出了高温余热提质发电-中温余热蒸汽干燥-低温余热加热恒温铜电解的全流程余热能级匹配梯级利用技术，实现多源余热能级匹配梯级利用、余热回收与工艺流程用能互补：将熔炼炉和吹炼炉产生的高温烟气余热用于蒸汽提质发电，发电后及硫酸主转化三段产生的中温蒸汽用于厂内物料干燥等，阳极炉产生的低温烟气余热回收用于加热恒温铜电解液，实现对铜熔池熔炼全流程内包括高温、中温、低温余热在内的余热梯级回收利用和铜冶炼多源余热与工序耗能间的耦合互补。

本发明通过多源烟气余热回收，在不影响原本的铜冶炼工序前提下，增加了厂内自发电量、通过蒸汽实现物料干燥和供热从而完全消除或降低了原本因物料干燥、其余生产工艺供热所需消耗的能源，消除或减少了因能源消耗或燃料燃烧而需要排放的氮氧化物、硫氧化物、重金属、灰渣等传统燃料燃烧所生成的污染物。

本发明所述铜冶炼全流程多源余热梯级回收利用系统及方法显著提高能源利用效率，降低生产成本，节约能源和减少co2排放。本发明以蒸汽计的全流程余热回收率在86％-92％之间，以发电量计的全流程余热回收率≥18.5％，冶炼烟气余热发电量≥600kw·h/t·cu，全流程余热回收量≥12590mj/t·cu。