利用富余蒸汽加热的铜锍立磨系统节能改造设计与实践

杨国年， 李 惠， 秦跃文

(广西金川有色金属有限公司， 广西 防城港 538002)

0 引言

作为一种一体化大型粉磨设备，立磨具有较高的生产效率，可通过破碎和粉磨等方式将块状、或颗粒状原料磨成生产中所要求的粉状物料，并分级输送至后续工序，故广泛用于冶金、化工、水泥、选矿和电力等各个工业门类[1-2]。对铜冶金领域来说，立磨在磨碎铜锍原料过程中，需要通入大量高温的空气来完成物料的干燥以满足后续冶炼工序的工艺要求[3-4]。通常铜冶金工业中采取热风炉来获得高温干燥空气，以至于消耗了大量的天然气，提高了生产成本。

查阅众多文献可知，虽然技术人员试图通过优化热风炉结构[5]、更换热风炉燃料[6-7]和改进热风炉的加热方式[8]等途径来提高热风炉的运行能效，但其本质上仍然需要燃烧足够的燃料来获得空气中水分蒸发以及温度提升所需要的热值，故始终存在能耗消耗缺陷。而若能够利用生产系统中富余的蒸汽替代天然气来获得干燥的热风，则可以大大提高系统的能效指标[9]。目前利用富余蒸汽进行节能改造的方式多见石化[10]和化工[11]行业，在铜冶金领域应用的较少。本文以广西金川有色金属有限公司冶炼厂铜锍磨加热系统为研究对象，介绍了利用富余蒸汽代替天然气完成铜锍物料干燥的节能改造方案设计与实践，对于铜冶炼工业的节能生产具有一定的指导意义。

1 节能改造工艺设计

1.1 改造前工艺流程及主要参数

广西金川有色金属有限公司冶炼厂铜锍磨加热系统是采用天然气热风炉作为热源对铜硫物料进行加热烘干。铜锍磨系统平均投料量约105 t/h，铜锍原料含水率约2%；经热风干燥后，要求送入后续工序的铜锍含水率不高于0.05%。节能改造前，铜锍磨的原料加热工艺流程如图1所示，即将天然气和助燃空气通入热风炉进行燃烧，加热循环气体，获得温度达115～120 ℃的热风用于干燥铜锍磨中的铜锍原料；气体从铜锍磨排出后，经沉尘室和布袋收尘器等工序后，小部分借助引风机排放至尾气烟囱，而大部分的气体则返回热风炉用于循环加热和干燥铜锍原料。

图1 铜锍磨加热工艺流程图

2019年12月，经现场检测，改造前铜锍磨加热系统的主要工艺运行参数如表1所示。

表1 铜锍磨加热系统的主要工艺运行参数

由表1可知，天然气单价按天然气单价为2.4元/Nm3计算，铜锍磨加热系统每年运行时长为6 000 h，则年均燃料费用为518.4万元。

1.2 节能改造工艺流程

经过厂内现场勘察，铜锍磨加热系统的相邻工段常年存在富余的饱和蒸汽，饱和蒸汽压力约0.6 MPa，流量约20 t/h，查《饱和蒸汽压力温度对照表》[12]可得该饱和蒸汽的温度约为165 ℃，大大高于铜锍磨加热系统所需的铜锍磨热风进口温度，故可以利用该富余的饱和蒸汽来加热得到铜锍干燥用热风，设计的节能改造工艺流程如图2所示。

图2 节能改造工艺流程

在图1所示的原工艺流程基础上去除热风炉，通过蒸汽流量调节阀组引入0.6 MPa饱和蒸汽(一次蒸汽)进入换热器组中的前8台换热器与循环风进行热交换，加热循环风后送入铜锍磨；热交换后的一次蒸汽变为高压饱和水并送入闪蒸罐，闪蒸得到0.25 MPa的二次蒸汽并送入换热器组中的后2台换热器，与循环风进行热交换；最终，经过梯次利用后的饱和蒸汽变为冷凝水，分别经闪蒸罐和后2台换热器流入集水罐，并经电泵输送回锅炉。

2 节能改造方案计算与主要设备选型

2.1 方案总体计算

在图2所示节能改造工艺流程的基础上，确定节能改造方案达到的总体性能指标为：

(1)通过换热器组稳定地换热，将35万Nm3/h的热风从85 ℃加热至130 ℃；

(2)为保证一定的设计裕量，换热器组最大换热能力折合610 m3/h天然气燃烧的热值；

(3)0.6 MPa饱和蒸汽设计消耗量为12 t/h；

(4)热风通过换热器的风阻小于400 Pa，以满足风压的需要。

实现以上总体性能指标的关键在于系统的热量衡算和换热器组的设计选型。根据表1的检测数据，改造前天然气的消耗量为360 Nm3/h，按36 MJ/Nm3的天然气热值计算，天然气燃烧放热量为12 960 MJ/h。节能改造后，为了达到与改造前相当的换热量，则0.6 MPa饱和蒸汽的理论用量m的计算式为：

(1)

式(1)中E为系统所需总换热量，取改造前热风炉中天然气的燃烧放热量12 960 MJ/h；h1为冷凝水经闪蒸利用后的焓值(冷凝水温度取130 ℃)，544.7 MJ/t；h2为原0.6 MPa饱和蒸汽的焓值(饱和蒸汽的干度取0.9)，2 558.7 MJ/t。

代入以上数据，计算得到饱和蒸汽的理论用量为6.4 t/h。考虑到换热器效率、装置散热和泄漏等因素，取节能改造方案换热过程总效率为55%，则实际饱和蒸汽的理论用量为11.6 t/h，设计圆整至12 t/h。因此，经计算校核，节能改造方案可以达到的总体热力性能指标。

2.2 换热器选型

换热器的设计选型经咨询换热器制造厂商完成。最终换热器选用10台某型号翅片式换热器形成换热器组，换热管材质为304不锈钢，翅片为采用整体电泳工艺的合金铝片，边框为镀锌钢板，其基本参数如表2所示。

表2 换热器组基本结构与性能参数

2.3 泵选型

冷凝水泵选用某型号卧式铸钢离心泵，一用一备，其基本参数如表3所示。

表3 冷凝水泵基本参数

2.4 节能效益估算

本节能改造方案使用富余的0.6 MPa饱和蒸汽代替天然气对铜锍磨加热系统的循环热风进行加热，改造前的天然气用量为360 Nm3/h，而改造后停止了天然气的使用，故按年运行时长6 000 h计算，天然气单价取2.4元/Nm3，则每年节约天然气用量216万Nm3，折合燃料费用518.4万元。

3 结语

2020年初，按照以上节能改造方案完成了施工建设，改造后系统运行平稳，铜锍磨热风进口温度等技术参数不低于改造前的水平，项目的节能收益也符合预期估计。这说明利用富余蒸汽换热代替热风炉天然气燃烧来实现铜锍立磨热风系统的加热是可行的，本项目的设计和实践对类似系统的节能改造具有较大的参考价值。