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1、向心式汽轮机在大型铜冶炼厂余热利用系统中的应用-1前言回收利用工业余热是节约能源、保护资源、保护环境的重要措施。有色金属企业中的大型铜 冶炼厂是从铜精矿熔炼至电解铜生产的企业，在生产工艺过程中，有大量的余热可以利用。 各种冶金炉窑产生的高温烟气热值占总入炉热值的3050%，甚至更多。有效选用这部分 热量已成为生产工艺先进性的标志之一。在铜冶炼厂高温烟气蒸汽回收系统中，通常采用轴流式多级背压或凝汽机组来实现能量回 收。而自八十年代以来，向心式汽轮机异军突起，与轴流式汽轮机相比，它具有高效、紧凑、 简单、可靠等优点。在国外石油、化工、制药、制糖、纺织、印染等领域已有了广阔的用武 之地。在国内石油、
2、化工、电力部门业已有应用。本文将讨论向心式汽轮机在铜冶炼厂余热 系统中应用的经济性、技术性，旨在尚无用户的有色冶金行业余热利用系统中推广使用。2铜冶炼厂余热资源本文着重讨论大型铜冶炼厂余热利用系统。世界上，45%以上的铜冶炼厂是采用闪速熔炼工 艺，而我国的二座大型铜冶炼厂也都是采用闪速熔炼工艺。在整个生产工艺过程中，产生 高温烟气的主要设备有：闪速熔炼炉，转炉吹炼炉和阳极炉等等，这些冶金炉所产生的高温 烟气性质见表1。表1冶金炉高温烟气性质设备名称烟气温度(C)烟气性质闪速熔炼炉12001350含尘量大烟气连续有腐蚀性转炉吹炼炉800900含尘量大烟气间断有腐蚀性阳极炉11001300含尘量较
3、小烟气间断这些高温烟气中往往含有大量的烟尘和二氧化硫，烟尘的粘结性很强，烟气对金属又具有腐 蚀性，故回收这部分烟气热量难度大，技术含量高。除阳极炉外(阳极炉因烟气含尘量小, 可采用空气换热器回收余热)，通常回收这部分烟气热量只能用余热锅炉。考虑到余热锅炉 运行压力过低，受热面的壁温低于硫酸露点温度时，烟气中的三氧化硫与水蒸汽结合产生硫 酸凝结在管壁上，使受热面受到腐蚀。所以在设计余热锅炉时，必须提高锅炉运行压力，使 管壁温度高于硫酸露点温度，表2就是国内二家大型铜冶炼厂余热锅炉性能参数表。由于炉窑的热效率在工艺和炉型确定后，挖潜不大,如何利用余热锅炉所产生的这部分蒸汽, 是提高整个余热利用系统
4、的关键。上述二座铜冶炼厂余热锅炉产生的饱和蒸汽是经过重油过 热炉加热至过热态后，用来发电，发电所采用的汽轮机为轴流式多级背压或凝汽机组。要进 一步提高余热利用系统的余热利用率，将热力系统予以优化，就需采用一种新型的汽轮机- 向心式汽轮机。表2余热锅炉性能参数表项目单位A厂B厂闪速炉余热锅炉 转炉余热锅炉 闪速炉余热锅炉 转炉余热锅炉处理烟气量NM 3/h77000（max）44900（波动）3200043200（波动）入口烟气温度C13408001340800入口含尘量g/NM 370 10015 70139.218.1 6 0.6蒸汽产量t/h5613（波动）2810（波动）蒸汽压力MPa4
5、.74.564.714.71蒸汽温度C262259.52612613向心式汽轮机如图1所示，向心式汽轮机的工质从叶轮外径处沿径向进入叶轮，做功后在叶轮内径处从轴 向离开。向心式汽轮机又分纯径向式和轴向径向式二种。与轴向式汽轮机相比，二者的通 流部分之间的差别如下：1) 轴流式汽轮机的级数可以很多，向心式通常只有12级。2) 轴流式汽轮机的叶片展弦比为18之间，向心式仅为0.10.5,其叶片通常又窄又长。a)纯径向式b)轴向径向式图1向心式汽轮机通流部分图根据叶轮的欧拉方程式(式(1),单位工质所做的功为：SX( dNdGSX)=SX(12SX) (c 21-c22) (w 22-w21) (u
6、21- u 22)式(1)由上式可知，向心式汽轮机比轴流式汽轮机所输出的功多出了SX(1 2 (u 21-u22)项，这是由于叶轮中工质进出口半径不同而引起的工质动能变化的结果。此式还具 有如下含义，即：在做功量相同的情况下，向心式汽轮机中工质的相对速度W1、W2比较低，使得其中的流动损失小了很多，故汽轮机效率高。换言之，向心式汽轮机可以利 用较大的HT5, 7火KG-*4含降。网址:http:/ 进汽。这样，叶轮的鼓风损失，漏汽损失和端部二次损失也相应减小了。在相同的进汽量和 初、终参数下，向心式汽轮机与轴流式汽轮机相比，输出功率要大1550%，在同等功率 下，向心式汽轮效率要高1530%，
7、最高可达80%。目前，国外商业应用的向心式汽轮机功率在3005000KW，蒸汽的初参数最高为6.4MPa 和450 C,背压范围为0.121.6MPa。向心式汽轮机问世已有30多年，直至70年代末，也没有得到广泛应用，究其原因，当时材 料及工艺条件满足不了高转速向心叶轮和高传动比齿轮的要求。但到了八十年代，由于能源 危机及环境保护的日益严格要求，向心式汽轮机越加显现出其优越性。4铜冶炼厂余热利用系统以国内某大型铜冶炼厂为例，本文阐述分析其余热利用系统。基本大型铜冶炼厂原设计规模为年产电解铜10万吨，经技改扩产至15万吨。在生产工艺过 程中，如熔炼、净液及电解工艺中需要大量的饱和蒸汽压力为1.5
8、7MPa蒸汽需6t/h,压力 为0. 6MPa蒸汽需22t/h）。同时又有许多余热可以利用来产生蒸汽。经设计，全厂热力系统 的原则 性系统图（图2）和热力系统的主要设备组成（表3）如下：表3全厂热力系统主要设备一览表序号设备名称台数设备规格及性能1闪速炉余热锅炉1Q=28.9t/h P=4.71MPa（饱和）F=1878m22转炉余热锅炉1Q=12.8t/h（波动）P=4.71MPa （饱和）F=952m2重油过热炉1Q=40t/h P=4.71MPa t 1/t2=261/470C4变压式蒸气蓄热器2F=100m33.其它技经指标：重油价格：1200元/吨电价：0.55 元/KW.h由上表比
9、较可以看出，技改后虽然总的发电量减少了，但由于不额外消耗重油，整个系统的 经济性大大地提高了。从HT5,7火KG-*4用 效率分析，技改前HT5, 7火KG-*4 用效率为13.37%，技改后HT5, 7火KG-*4用效率为18.07%，这主要是由于技改 前重油过热炉中燃烧、传热等不可逆过程所造成HT5, 7火KG-*4用损失。另外，采用向心式汽轮机组，系统从“冷态”启动到满负荷运转，启动时间在10秒左右， 进口的汽轮机使用寿命可达25年，机组完全可以做到全自动运行。铜冶炼厂余热利用系统中饱和蒸汽发电机组与核电站饱和蒸汽发电机组相比又不同。核电站 汽轮发电机组与相同功率的火电汽轮发电机组相比，
10、不仅仅是工质为饱和蒸汽，而且蒸汽参 数低，以300MW机组为例，其高压缸初参数压力为5.34MPa，而火电机组为16.9MPa,温度 为53 7C。相比之下，核电站汽轮机组进口容积流量大得多，设备及附件也相应大得多。而 铜冶炼厂则不一样，区别仅在于蒸汽没有过热，其它参数相同，故其机组体积不会增大。在火电站中间再热机组中设置中间再热可以明显减小汽轮机低压部分的蒸汽湿度，改善末几 级叶片的工作条件，提高机组的热经济性。但是设中间再热使汽轮机运行方式复条，金属消 耗及投资增加，通常对100MW以上的大功率高参数汽轮机才采用中间再热。而本系统向心 式汽轮机为单级，据设备厂家介绍，用于饱和蒸汽发电机组其
11、出口蒸汽千度为90%，不会 影响生产工艺的使用。在采用饱和蒸汽发电系统的工程设计中，应注意的事项有：1）在汽轮机入口处应设置汽水分离器。汽轮机入口蒸汽湿度过大，对汽轮机的总特性有影响， 使得级效率降低，叶片受水滴侵蚀。其影响大小取决于蒸汽湿度大小，水滴的大不，叶轮进 口处水滴分布情况及叶栅的几何特性。在汽轮机结构设计和运行时，还应保证正常的疏水, 积水会造成严重的水冲击损坏事故。2）由于铜冶炼厂在生产过程中，工艺负荷的波动，导致余热锅炉产汽量有所波动。为了保证汽轮机在部分荷载下的高效率工作，汽轮机的负荷 调节应采用喷嘴调节阀组调节方式。大型铜冶炼厂余热利用系统的设计是一复杂的系统工程设计，在目
12、前这个日益注重环保、节 能的时代，要尽可能采用高技术附加值的新设备、新工艺，才能将系统更加优化，才能创 造出更佳的社会和经济效益。网址:http:/ 台 p1/p2=1.57 / 0.7MPa5轴流式多级背压发电机组1Q=15 40t/hP1=3.43MPa tl=435C P 2=0 .7MPa N=2500Kw（max）6燃煤低压锅炉3Q=20t/h.台 P=1.57MPa （饱和）图2技改前全厂热力系统的原则系统图铜冶炼厂技改扩产前，由于设计蒸汽负荷不当，以及蒸汽发电需将蒸汽经过重油过热炉由饱 和状态加热至过热状态，消耗大量重油，且部分蒸汽还需放空，造成运行不经济。投产以来， 重油过热炉
13、背压汽轮机组处于闲置不用状态。而低压锅炉房也仅在闪速炉点火或故障维修时 才使用，平时处于应急备用状态。整个厂区的供热由闪速炉和转炉的余热锅炉供应，即靠大 压差减压阀和减温减压器供应全厂用汽，高能低用，造成极大浪费。技改后（见图3），将国产轴流式多级背压汽轮机组改造为进口饱和蒸汽向心式汽轮机组，取 消减温器。余热锅炉产生的饱和蒸汽不经过重油过热炉，分成二路，一路直接进入向心式汽 轮机做功发电后再进入压力等级为0.7MPa的热力管网供用户使用，另一路经大压差减压阀 后进入压力等级为1.57MPa的热力管网。此方案A与技改前方案B（扩产负荷变化后）的技术 经济比较见表4。图3技改后全厂热力系统的原则
14、系统图表4余热利用系统方案比较表序号 项目单位万案A万案B 国产轴流式多级汽轮机进口向心式单级汽轮机一次性投资部分/1汽轮发电机组 万元254386（国产发电机）2蒸汽重油过热炉 万元148/3总投资（设备及其安装、水电、土建等） 万元872719收益部分/1小时最大发电量kW24001810供汽量t/h 35.7(P=0.7MPa)6(P=1.57MPa)35.7(x=0.9P=0.7MPa)6(P=1. 57MPa)3年发电量kW.h1708.4x1041288.4x1044年发电收益 万元939.6708.65重油过热炉烟气供精矿干燥节省重油 万元66.5/支出部分/1重油过热炉重油年消耗万元648.9/2重油过热炉电年消耗 万元15.7/系统其它运行费用（系统维护、水电消耗、人工、低压锅炉运行等） 万元1 10110四余热系统年净收益万元231.5598.6五余热系统目的用效率/13.37%16 .07%注：1.本表仅比较两方案中二者不同的部分。2由于方案B是在方案A的基础上技术改造，汽轮发电机组设置在原有的厂房内。本文就 不列出两方案之间的土建部分比较。实际上，
