2018年，全國十種有色金屬產(chǎn)量5688萬噸，比上年增長6%，增速比上年提高3個百分點。其中，銅產(chǎn)量903萬噸，增長8%，提高0.3個百分點；電解鋁產(chǎn)量3580萬噸，增長7.4%，提高5.8個百分點；鉛產(chǎn)量511萬噸，增長9.8%，提高0.1個百分點；鋅產(chǎn)量568萬噸，下降3.2%，降幅比上年擴大2.5個百分點。氧化鋁產(chǎn)量7253萬噸，增長9.9%，增速比上年提高2個百分點。

有色金屬工業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，現(xiàn)在總產(chǎn)量已居世界第一，同時技術進步加快，產(chǎn)業(yè)結構升級，在國際同業(yè)中的影響力及競爭力日益增強。

但是有色行業(yè)長期存在的高能耗問題仍然十分突出，單位產(chǎn)品能耗比國際先進水平高10%左右。在有色冶金的能耗構成中，有效熱只占了32%，另有8%的熱量隨著爐墻等散失掉，其余的60%都是有色金屬冶煉過程中的余熱量。而在這些余熱量中煙氣余熱占的比例高達80%左右，由此可見，回收有色冶金行業(yè)中的煙氣余熱對于降低有色冶金工業(yè)能耗有著重要意義。

1、煙氣余熱回收利用概況

1.1煙氣余熱

在有色冶金行業(yè)的煙氣余熱中，溫度高于1000℃的高溫煙余熱占總煙氣余熱的52%，而溫度在600～1000℃之間的中溫煙氣余熱和溫度低于600℃的低溫煙氣余熱分別占總煙氣余熱的26%和22%。表1是部分有色冶金爐窯煙氣的溫度和熱效率。從表1可以看出，有色冶金爐窯的煙氣帶走的熱量在總熱量中占相當大的比重，煙氣的溫度越高，帶走的熱量就越多，從而爐窯的熱效率也越低。因而盡可能最大限度地回收煙氣余熱是提高爐窯熱效率的必要措施。


另外，由于大多數(shù)有色金屬冶煉所用的原材料都是硫化礦，爐窯產(chǎn)生的煙氣中含SO2等腐蝕性氣體較多，并且大部分的煙氣溫度很高，因此煙氣容易對換熱設備造成高溫或低溫腐蝕。同時，煙氣中的含塵量大，有些爐窯產(chǎn)生的煙氣量隨工藝周期性變化，這些煙氣的特點都在很大程度上影響著對有色冶金爐窯煙氣余熱的回收利用。

1.2回收現(xiàn)狀

目前較為普遍的對有色爐窯的煙氣余熱進行回收利用的方法有:

（1）在煙道安裝余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽;

（2）利用余熱發(fā)電;

（3）利用煙氣余熱預熱空氣或物料;

（4）安裝汽化水套生產(chǎn)低壓蒸汽或安裝冷卻水套產(chǎn)生熱水等。

隨著人們對有色爐窯的工藝和煙氣特點的不斷研究，很多企業(yè)已經(jīng)設計并應用了能適應爐窯煙氣特性、充分回收煙氣余熱的余熱設備。例如:

( 1 )鋅精礦沸騰焙燒爐余熱鍋爐采用輻射大空腔結構，起到沉灰和減小磨損的作用，并使煙塵迅速冷卻到650℃以下，解決了煙氣中含較多低熔點金屬煙塵微粒高溫下極易粘結的問題;

( 2 )煙化爐與余熱鍋爐的一體化設計把煙化爐和余熱鍋爐有機地結合在一起，既改善了煙化爐的吹煉狀況和余熱鍋爐技術操作條件，又解決了在間斷生產(chǎn)條件下實現(xiàn)連續(xù)供汽的技術難題，并實現(xiàn)煙化爐余熱的全面回收。除以上兩例子之外，目前還有很多有色冶金爐窯煙氣余熱回收設備的改進技術，這些都為回收有色爐窯的煙氣余熱起到了重要作用。

1.3存在問題

目前大部分對有色爐窯的煙氣余熱回收都是針對高溫煙氣而言的，而由于技術和經(jīng)濟性的原因，對于同樣占總煙氣余熱一半的中低溫煙氣余熱利用甚少。為此，對有色行業(yè)中的中低溫煙氣余熱回收利用的研究與應用需引起高度重視。另外，更值得一提的是在現(xiàn)有的高溫煙氣余熱的回收利用上，很多都只是簡單的從能量守恒的數(shù)量關系上考慮，而沒有考慮熱能的質(zhì)量變化，即沒有考慮能級的匹配問題。例如，壓力為1.3MPa的飽和蒸汽具有火用值1005kJ/kg，如果將余熱鍋爐產(chǎn)生的此蒸汽降壓到0.3MPa來供熱用戶采暖使用，就會白白造成火用值損失172kJ/kg，損失了約為原有火用值的17%。而閃速爐的余熱鍋爐蒸汽壓力往往在4～5MPa以上，如果同樣直接減壓用于低壓用戶的話，火用損失將更大。這樣一來雖然實現(xiàn)了對煙氣余熱的回收利用，但卻將高品位的熱能降低成了低品位的熱能來使用，造成了大量的高級能量火用值的損失。由此可見，對于煙氣余熱回收問題不能僅從熱效率來考察其優(yōu)劣，必須同樣重視能量的質(zhì)量貶值問題。

2、煙氣余熱回收的梯級利用

由上面的論述不難得知，要充分合理地利用有色爐窯的煙氣余熱，就要根據(jù)煙氣余熱資源的數(shù)量、品質(zhì)(溫度)和用戶要求，遵循能級匹配的原則，實現(xiàn)對其進行按質(zhì)回收，溫度對口的梯級利用。一般情況下具體的梯級利用原則如下：

（1）如果在生產(chǎn)工藝中有合適的熱用戶，應優(yōu)先考慮將煙氣的余熱回收利用于生產(chǎn)工藝過程本身。這樣，將煙氣中的余熱直接帶回生產(chǎn)工藝過程中，直接降低了生產(chǎn)工藝過程的能耗，比通過轉換裝置來回收煙溫的余熱更為經(jīng)濟和有效。例如，在氧化鋁生產(chǎn)中的氫氧化鋁流化態(tài)焙燒工藝中，流態(tài)化焙燒爐產(chǎn)生的煙氣溫度在1000℃左右。為充分利用余熱，讓熱煙氣與氫氧化鋁物料逆向流動，利用熱煙氣余熱干燥氫氧化鋁并進行預焙燒，從而充分回收了高溫煙氣余熱，大大降低焙燒的能耗。

（2）對于高溫煙氣的余熱應優(yōu)先用于動力回收，利用常規(guī)水蒸氣郎肯循環(huán)進行發(fā)電，將高溫煙氣的中級能熱能轉換成高級能電能。這不僅完成了對高溫煙氣余熱的有效回收利用，也遵循了能級匹配原則，實現(xiàn)了高品質(zhì)熱能的高品質(zhì)利用。例如，在銅冶煉過程中的閃速爐熔煉工藝中，閃速爐的煙氣溫度可達1300℃以上，可將這部分煙氣的余熱利用余熱鍋爐生產(chǎn)出中壓飽和蒸汽送至蒸汽過熱爐，將蒸汽加熱成過熱蒸汽，產(chǎn)生的過熱蒸汽用來推動汽輪機發(fā)電。這與把于余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽直接減壓供給低用戶使用相比減少了大量火用損失，從而對煙氣余熱能的回收利用更具合理性。

（3）在中溫煙氣和低溫煙氣余熱的利用上，對于溫度較高的中高溫煙氣仍然應優(yōu)先應用于動力回收發(fā)電。如鋅精礦酸化沸騰焙燒爐的煙氣溫度在800～900℃之間，可將其煙氣的余熱利用余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽發(fā)電。而對于溫度較低的中低溫煙氣而言，利用常規(guī)水蒸氣郎肯循環(huán)發(fā)電回收煙氣余熱的熱效率極低，不具合理性。這部分的煙氣余熱最好直接應用于生產(chǎn)工藝本身，如加熱物料、預熱助燃空氣等。如得不到以上利用時再考慮應用其冬季采暖，夏季制冷等其他利用方式。

在如今有色冶金行業(yè)煙氣的余熱回收中，對于中低溫煙氣余熱的回收利用一直是一個薄弱環(huán)節(jié)。為此，進一步研究對中低溫煙氣余熱的回收利用就顯得極其重要和必要，而有色冶金中低溫煙氣余熱的高效有機郎肯循環(huán)發(fā)電技術(ORC)就是一個很具有發(fā)展?jié)撡|(zhì)的研究方向。

3、中低溫煙氣余熱的有機郎肯循環(huán)發(fā)電技術

有機郎肯循環(huán)( QrganicRanleine Cycle)發(fā)電技術是用低沸點有機物代替常規(guī)水蒸氣郎肯循環(huán)中的水作為工質(zhì)，利用外熱源將其加熱產(chǎn)生較高壓力的蒸汽來推動汽輪機發(fā)電。由于低沸點工質(zhì)在較低溫度下就能產(chǎn)生高壓蒸汽，為此該技術主要用于低溫余熱的回收利用上。對于目前沒有得到很好利用的有色冶金煙氣余熱中的中低溫煙氣余熱來說，ORC技術是一個很好的研究內(nèi)容和發(fā)展方向。圖1為中低溫煙氣余熱的有機郎肯循環(huán)發(fā)電技術。


此過程為經(jīng)加壓泵加壓的低沸點有機工質(zhì)，在有機工質(zhì)余熱鍋爐中被中低溫煙氣加熱，所產(chǎn)生的較高壓力的蒸汽經(jīng)透平發(fā)電，發(fā)電后的低壓有機工質(zhì)蒸汽在凝汽器中冷凝成液態(tài)有機工質(zhì)，經(jīng)加壓泵加壓送回有機工質(zhì)余熱鍋爐，行成一個閉合循環(huán)回路。而低壓有機工質(zhì)蒸汽在凝汽器冷凝放出的熱量則由冷卻塔和冷卻水泵等組成的冷卻系統(tǒng)帶走。

由于有色，金行業(yè)的煙氣中含有大量SO2等腐蝕性氣體，從而使煙氣的酸露點溫度低。而低溫有機郎肯循環(huán)系統(tǒng)中的有機工質(zhì)在運行工況下的溫度很低，導致受熱面的溫度也很低，通常會低于煙氣的露點溫度。因而，對于利用有色冶金中低溫煙氣余熱的有機郎肯循環(huán)技術來說，受熱面的低溫露點腐蝕是一個有待解決的重要問題。另外，不同有機工質(zhì)的選擇和環(huán)境溫度也都影響著有機郎肯循環(huán)的性能?？傊?，對于利用有色冶金中低溫煙氣余熱的有機郎肯技術還有待于更深一步的研究，如果此技術得到成熟的應用，必將成為有色行業(yè)節(jié)能降耗的一個新的里程碑。

4、結語

我國有色冶金行業(yè)的煙氣余熱資源占總余熱資源的80%左右，回收這部分余熱對于有色行業(yè)節(jié)能降耗有著重要意義。而在煙氣余熱回收利用上，應避免目前的煙氣余熱回收存在的問題，按照能級匹配原則，對其進行按質(zhì)回收，溫度對口的梯級利用。對于當前沒有被很好利用的中低溫煙氣余熱，要著力開發(fā)低溫有機郎肯循環(huán)發(fā)電技術，實現(xiàn)對有色煙氣中低溫煙氣余熱的更進一步的高效利用。