有色金属冶炼烟气余热回收利用分析论文

 

　　关键词：有色金属冶炼,烟气余热,余热回收利用,能源效率

 

　　有色金属冶炼作为重要的工业生产过程，冶炼过程中的烟气中含有丰富的热能资源，但目前大部分仍未被有效利用，导致能源浪费和环境污染问题日益突出。文章旨在通过对有色金属冶炼烟气特性的分析和评估，探讨余热回收系统的设计原则和技术方案，为提高工业生产的能源利用效率和降低环境污染提供参考和支持。

 

 

 

　　有色金属冶炼过程是一个复杂的生产过程，包含采矿、选矿、冶炼等多个工艺环节，如图1所示。在采矿阶段，原矿石被开采出来，通过浮选、磁选或重选等方法，将目标金属矿物与脉石分离，得到富含有色金属的精矿。以铝的冶炼为例，通常采用电解法，主要涉及在电解槽中使用160KA直流电通过冰晶石作为溶剂，氧化铝作为溶质进行电解，具体如图1所示。在此过程中，碳阳极会逐渐消耗并产生氟化盐，这些氟化盐会与氧化铝反应生成含氟氧化铝，进而在电解槽中形成沉淀。电解过程中产生的铝液随后被收集，并经过净化处理，以去除其中的杂质。净化后的铝液被送往铸造车间，通过铸造工艺制成铝锭，铝锭就是有色金属冶炼的最终产品，具有高纯度和良好的物理性能。在冶炼过程中，还伴随着烟气的产生。这些烟气含有多种污染物，如氟化物、二氧化硫等，需要通过干法净化系统进行处理，以减少对环境的影响［1］。处理后的废气将被排空，而残极和含氟氧化铝等副产品则被回收，返回到碳素生产线进行再利用，实现资源的循环利用。

 

 

　　有色金属冶炼过程中产生的烟气不仅包含多种污染物，也携带了大量的热能，这部分热能被称为烟气余热。烟气余热资源具有高温、高焓和高热容量的特点，温度通常在450~900℃,含有显著的热焓，这为余热回收提供了良好的热力学条件。余热的热力学特性包括其温度、压力、流量以及热容等参数，这些参数直接影响余热回收系统的效率和可行性。在热力学分析中，通常会考虑烟气的比热容、热传导率和热辐射特性，以及烟气与换热面之间的热交换效率［2］。通过精确计算这些参数，可以设计出高效的余热回收系统，从而将烟气中的热能转换为可利用的热能或电能，用于生产过程中的加热、发电或其他用途。

 

 

 

　　有色金属冶炼过程中产生的烟气含有多种污染物，主要包括氟化物、二氧化硫、氮氧化物、重金属颗粒物以及一氧化碳等。这些污染物的存在不仅对环境造成严重污染，也对人体健康构成威胁。有色金属冶炼烟气排放特征主要表现在以下方面：①排放浓度过高，烟气中有害成分浓度过高，超过环保标准限值，是由于冶炼过程中产生大量热量和废气造成的；②成分复杂，烟气中含有多种气体和微粒，随冶炼工艺和生产条件的不同，成分也会发生变化；③排放稳定性差，烟气排放特性由于原料成分、操作方式等因素在冶炼过程中发生变化，产生了一定的不稳定，从而加大了烟气治理和控制的难度。

 

 

　　在有色金属冶炼过程中，烟气温度通常受到冶炼工艺、原料性质、燃料特性以及设备运行状态等多方面因素的影响。在冶炼熔炼过程中，高温是必不可少的，因为只有足够高的温度才能使金属矿石和其他原料充分熔化，实现冶炼反应的顺利进行。因此，烟气在产生的过程中通常会具有较高的温度。由于冶炼设备和炉内温度分布不均匀，烟气在流动过程中受到非均匀的热量影响，导致烟气温度存在一定的梯度。例如，在熔炼炉内，靠近炉膛的位置温度通常较高，而靠近烟道出口的位置温度较低［3］。随着冶炼过程的进行，烟气中的热量主要来自两个方面：一是来自冶炼炉内的高温熔化金属和矿石的热量，二是来自燃烧过程中释放的热量。这些热量的分布不仅影响着烟气的温度分布，还直接关系到热能的回收利用效率。

 

 

　　在熔炼过程中，以烟气形式排放到大气中的一部分，矿石的高温热解和金属熔炼会产生大量热能。通过余热回收系统，可以捕捉并利用这部分高温烟气，对矿石、燃料或其他介质进行预热，减少能耗。烟气中还含有包括烟尘、各类气态有害物质在内的大量热态废气。虽然不能直接利用这些废气，但通过除尘、脱硫、脱硝等合适的治理手段，将这些废气中的热量转化为可利用能源，然后再进行能源再利用。烟气中还含有水蒸气等物质，其所携带的潜热也是一种重要的能源资源，因此，烟气中含有水蒸气等物质通过适当的技术手段，可将用于加热介质或提供热水等热能需求的水蒸气中的热量捕获并加以利用。

 

 

 

　　烟气余热回收技术是通过采用一系列工艺装置和设备，将工业生产过程中排放的高温烟气中蕴含的热能进行捕获和利用的一种高效节能技术，其核心是利用烟气中所含的高温热量。在有色金属冶炼等工业生产过程中，高温烟气是由于矿石冶炼、燃料燃烧等过程释放的热能无法完全被吸收而排放至大气中的。而烟气中的高温热量可以通过余热回收技术进行捕获，进而转化为可供生产和生活使用的热能。热回收技术的原理主要涉及热量传递和能量转化的过程，通过烟气与介质之间的热交换，介质（如水或空气）被加热并转化为蒸汽或热水。这些被加热的介质可以用于供暖、热水生产、蒸汽动力等方面的能源需求，从而实现了烟气余热的有效利用［4］。余热回收技术还包括了一系列的热交换设备和系统组成，如烟气预热器、热交换器、蒸汽发生器等。这些设备通过在烟气与介质之间进行热交换，实现了烟气中高温热量的传递和利用，从而提高了能源利用效率。

 

 

　　在有色金属冶炼过程中，余热回收系统主要由支件、蒸汽、夹套管、汽水混合物、除盐水、汽包、隔板、热烟气、换热管束以及降温热烟气等组成，具体如图2所示。热烟气作为余热回收系统的热源，通过支件进入换热管束。换热管束是系统的核心部件，它由一系列高效传热管组成，烟气在管内流动，将热量传递给管外的工质。这些传热管通常采用高导热材料制成，以提高热交换效率。夹套管作为换热管束的一部分，其内部流动的是汽水混合物或除盐水，这些工质在吸收烟气热量后，温度上升，实现热能的转移。汽包则作为汽水混合物的储存和分离装置，确保系统中蒸汽和水的平衡。隔板的作用是优化烟气流和工质流的流动特性，提高热交换效率，并保证热交换过程的均匀性。在隔板的引导下，热烟气与工质在换热管束中进行逆流或并流交换，从而最大化热能的回收。在热交换过程中，烟气释放出的热量被工质吸收，使得工质温度升高，产生蒸汽。这个过程中，工质的潜热得到利用，进一步提高了系统的热效率。产生的蒸汽可以用于驱动涡轮机，转换为机械能，进而转换为电能，实现能源的梯级利用。降温热烟气则是热交换后温度降低的烟气，它携带着剩余的热能离开换热系统，可以通过烟囱排放到大气中或进一步处理以满足环保要求［5］。

　　

 

 

　　在设计烟气余热回收系统时，参数设定是确保系统高效、稳定运行的关键，具体如表1所示。

 

　　

 

　　烟气进口温度和烟气出口温度分别为850℃和250℃,这反映了烟气的初始温度和经过系统后的降温效果。烟气流量为30000Nm3/h，工质为除盐水，进口温度为150℃,出口温度为250℃,这些参数决定了热交换过程中工质的温度变化情况。系统产生的蒸汽量为5000kg/h，压力为10bar，说明系统能够产生的蒸汽量和压力水平。热交换效率为75%，表示系统的换热效率。热烟气含尘量为20g/Nm3，影响了换热管束的清洁与维护频率。换热面积为2000m3，换热管束数量为500根，每根换热管的直径为25mm，长度为6m，这些参数反映了换热器的结构特征。系统的压力损失为2kPa，设备材质为不锈钢316，这些参数涉及系统的压力损失和材质选用。以上参数的设定是基于对系统性能、工艺要求和经济效益的综合考虑而确定的，可以指导系统的设计、运行和维护，从而实现烟气余热的高效回收利用。

 

 

　　对烟气余热回收系统的运行情况及性能表现数据进行收集，发现系统在回收烟气余热的同时，使烟气温度得到了有效地降低。这就表明系统能够有效地把热烟气中的热能转化为可利用的能源，使能源利用效率得以提高。观察工质进口温度和出口温度的变化，发现系统对工质进行了有效地加热，产生了一定量的高品质蒸汽。由于这些蒸汽既可以用于内部工艺生产，又可以加热供暖等领域，因此实现了能源的多元利用。另外，对蒸汽产量和压力进行监测，发现系统在蒸汽生产上表现出了良好的稳定性和可靠性，从而满足了工业生产中对蒸汽的需要。因此，在烟气余热回收系统的运行过程中，既能为工业生产带来改善，又能为能源的多元利用做出贡献。在热交换效率方面，该系统通过充分向工质转移烟气中的热能，减少能源浪费，降低生产成本，实现了较高的换热效率。系统有效地控制了烟气中的灰尘含量，保证了热交换管束的洁净，稳定了热交换效率。系统在热交换面积、热交换管束数量等方面充分考虑了工业生产的实际需要，使系统的热交换能力得到了保证，热交换效果得到了有效发挥。系统压力损失小，设备材质选用不锈钢316，具有较强的抗腐蚀性，确保系统安全稳定。综合来看，该系统回收能源效率高，运行性能稳定可靠，经济效益好，为企业可持续发展提供了强有力的支撑。

 

 

　　在有色金属冶炼过程中，通过余热回收系统的合理设计和利用，烟气中蕴藏着的热能资源得以开发，从而有效地循环利用热能。因此，有色金属企业应充分重视冶炼过程中烟气余热的回收利用，在降低能耗、降低排放等方面采取有效措施，促进企业的可持续发展。

 

 

　　［1］彭丹武.典型有色金属冶炼烟气余热回收利用研究［J］.福建建材，2015（10）：88-89.

 

　　［2］董茂林，廖强.电弧炉烟气全余热回收装置的研究［J］.煤气与热力，2020，40（9）：1-4+18+40.

 

　　［3］蒋明庆.铜冶炼厂锅炉烟气余热回收技术研究［J］.世界有色金属，2018（10）：22+24.

 

　　［4］熊梅.冶炼厂锅炉余热回收技术及其工程应用分析［J］.世界有色金属，2020（6）：14-15.

 

　　［5］李凯璇，赵传进.铜冶炼转炉高温二氧化硫烟气余热分析［J］.山西冶金，2022，45（5）：81-83.