利用石油焦煅烧烟气余热烘干硅钙渣的可行性分析

闫学良 安爱文

(内蒙古大唐国际再生资源开发有限公司， 内蒙古 呼和浩特 010216)

环保与综合利用

利用石油焦煅烧烟气余热烘干硅钙渣的可行性分析

闫学良 安爱文

(内蒙古大唐国际再生资源开发有限公司， 内蒙古 呼和浩特 010216)

本文在研究炭素阳极生产线中煅烧石油焦烟气利用现状及性质的基础上，重点对利用煅烧烟气余热烘干硅钙渣进行了技术经济分析。结果表明，利用煅烧烟气余热烘干硅钙渣技术可行，投资适中，经济效益显著，既可减少煅烧烟气排放过程中的热污染和二氧化硫污染, 又可以解决硅钙渣利用过程中烘干成本高的问题，具有明显的环保和经济效益。

余热利用； 硅钙渣烘干； 石油焦； 煅烧烟气

1 煅烧石油焦烟气余热利用现状

在炭素阳极生产过程中，石油焦需煅烧生产煅后焦。在煅烧石油焦过程中会产生大量的高温烟气(900～1 100 ℃)，为回收该部分烟气的余热，同时也便于烟气的排放，常规炭素厂在煅烧炉尾部设置有机热载体余热炉、余热锅炉、余热发电等吸收烟气余热[1-3]。有机热载体余热炉将导热油的热量供给炭素工艺生产加热使用，余热锅炉产生的蒸汽或热水可用于洗浴供暖等使用，余热发电产生的电量用于炭素阳极生产。

1.1 有机热载体余热炉

用煅烧高温烟气为热源, 加热生阳极制备及沥青熔化工序导热油系统, 代替原有的天燃气热载体加热炉为生产提供热源，近年来被大多数的炭素阳极厂所采用。内蒙古大唐国际再生资源开发有限公司年产6万t炭素阳极，采用2台28罐9层火道煅烧炉，煅烧炉排烟温度为900～1 000 ℃，使用2台有机热载体余热炉，并配套2组蒸发器，蒸发器产生的蒸汽用于氧化铝生产，经过余热利用后的烟气温度为300～400 ℃，通过烟囱直接排放[1]。

1.2 余热蒸汽锅炉

余热蒸汽锅炉也是目前广泛采用的一种进行烟气余热回收利用的设备。青海桥头铝电有限公司炭素分公司配置的余热蒸汽锅炉处理烟气量57 000 Nm3/h，额定蒸汽压力2.5 MPa，蒸汽量22 t/h，排烟温度200～300 ℃。蒸汽用于其炭素分公司和电解分公司的正常生产、冬季供暖及后勤热水的供应, 但仍有部分蒸汽过剩的现象, 尤其在夏季或煅烧窑满负荷生产的情况下, 过剩的蒸汽量近10 t/h[2]。

1.3 余热蒸汽发电

利用余热锅炉所产生的蒸汽进行发电也在多家炭素厂得到实践, 如兰州铝业、宁夏青铜峡铝厂,均取得了较好的效果, 每年可创造几百万元的经济效益。以一个年产20万t的罐式炉石油焦生产厂为例，建设余热锅炉发电系统进行余热发电，发电机功率可达到3 000 kW，所发电量完全可以满足炭素厂用电要求[3]。

2 煅烧烟气余热性质

大唐内蒙古鄂尔多斯硅铝科技有限公司设计年产18万t炭素阳极，配置4台新型40罐8层火道煅烧炉，石油焦煅烧前后原料成分如表1所示。

表1 石油焦煅烧前后原料成分表 单位：%

每台40罐8层火道煅烧炉净排料量4 000 kg/h，石油焦煅烧实收率为77.76%，按此进行物料平衡计算和热量平衡计算。表2给出了单台煅烧炉的物料平衡表，从表中可以看出，每台煅烧炉产生烟气流量为16 483 kg/h。表3给出了单台煅烧炉的热量平衡表，从表中可以看出，煅烧炉的热量主要来自于石油焦挥发分产生的燃烧热及炭质烧损化学热，这些热量除由产品及循环冷却水带走外，72%的热量通过煅烧烟气进行排放。

表2 物料平衡计算

表4、表5给出了煅烧烟气的相关成分及性质，可以看出，单台煅烧炉烟气质量流量为16 483 kg/h，工况流量为65 490 m3/h，烟气温度为1 056 ℃(折比标方13 434 Nm3/h)，携带热量为22 627 990 kJ。

表3 单台煅烧炉热量平衡计算

3 煅烧烟气余热利用方案

从表2～表5可知，大唐内蒙古鄂尔多斯硅铝科技有限公司炭素阳极生产线4台40罐8层火道煅烧炉可产生1 056 ℃高温烟气261 960 m3/h，含有热量90 511 960 kJ/h，烟气温度高、热量大，有较高的利用价值。

大唐内蒙古鄂尔多斯硅铝科技有限公司拥有粉煤灰提取氧化铝生产线、电解铝生产线、炭素阳极生产线、铝深加工生产线及自备电厂，是国内外首个完整的煤电灰铝一体化循环经济产业链，因此，炭素阳极生产线中的余热利用必须借助一体化产业链的优势，实现产业链中热量、能量的循环利用。

表4 煅烧烟气相关成分

表5 煅烧烟气性质

按照煤电灰铝一体化产业链的工艺需求，需要热量的车间有炭素阳极生产线生阳极车间、沥青熔化车间，粉煤灰提取氧化铝生产线蒸汽系统、硅钙渣烘干、活性硅酸钙烘干等，因此，按照先满足炭素阳极工艺需求，再考虑氧化铝生产线蒸汽或烘干需求的原则，对炭素烟气余热进行利用。

3.1 建设有机热载体余热炉满足炭素阳极工艺需求

表6给出了炭素阳极生产工艺中生阳极车间、沥青熔化车间和管路保温等用热媒油作为加热介质的生产要求及热负荷，按照热负荷拟在2台煅烧炉尾部烟气出口设置2台套余热有机载体加热炉，每台罐式炉对应一台余热有机热载体加热炉，单台参数为：额定负荷Q=2.4 MW，P=1.0 MPa，余热热媒锅炉出口的排烟温度为435 ℃。

表6 炭素分厂沥青熔化与生阳极制备工序的热负荷

因此经过2台套余热有机载体加热炉换热后，煅烧烟气分为两种，其中两台罐式煅烧炉产生烟气26 868 Nm3/h，温度1 056 ℃，另两台罐式煅烧炉产生烟气26 868 Nm3/h，温度435 ℃(经过有机热载体余热锅炉换热)。

3.2 剩余煅烧烟气余热进行硅钙渣烘干

按照氧化铝生产线需求，剩余煅烧烟气可使用余热锅炉产生蒸汽供应氧化铝生产，但是由于项目建有自备电厂，自备电厂产生的蒸汽品质较高，蒸汽凝结水需返回到自备电厂，但余热锅炉产生的蒸汽品质达不到自备电厂凝结水要求，因此，余热锅炉产生的蒸汽就难以汇总到蒸汽管网中。为此，主要考虑剩余煅烧烟气用于硅钙渣或活性硅酸钙烘干，由于活性硅酸钙烘干对烟气中含尘量有较高要求，不能直接进行烘干，因此，本文只考虑烟气烘干硅钙渣。

使用煅烧烟气进行硅钙渣烘干，由于烟气温度高，故使用三筒烘干机等成熟设备及工艺。同时硅钙渣中的钙和碱还可吸收烟气中的二氧化硫，烘干烟气排出温度低，无需加装喷水降温装置，有利于烟气的进一步脱硫排放。

3.2.1 烟气计算

罐式煅烧炉经过余热有机载体加热炉换热后产生两种高温气体：其中两台罐式煅烧炉产生烟气26 868 Nm3/h，温度1 056 ℃；另两台罐式煅烧炉产生烟气26 868 Nm3/h，温度435 ℃。两种热烟气经过烟气混合室充分混合，由于两种烟气的成分相同，标况烟气量相同，根据热平衡方程式：

Vg(Cpgtgl-Cphth)/22.4=Va(Cphth-Cpata)/22.4

(1)

得到混合后的高温烟气温度750 ℃左右，考虑到管道、混合烟等热量散失，实际烟气温度按700 ℃计，烟气量为53 736 Nm3/h。

3.2.2 主要设计参数的确定及热平衡计算

3.2.2.1 主要设计参数的确定

物料(硅钙渣)湿基水分W1按35%设计；物料(硅钙渣)终水分W2按小于10%设计；进烘干机烟气温度t1按700 ℃计；出烘干机烟气温度t2按100 ℃计；进烘干机物料平均温度t3=40 ℃；出烘干机物料平均温度t4=60 ℃；外筒体表面平均温度tf=40 ℃；大气温度tα=20 ℃；水比热Cw=1 kcal/Nm3·℃。

3.2.2.2 热平衡计算

设蒸发1 kg水需要的热气体量为L，则：

（2）地质钻探深度的充分程度未到达要求标准，在施工过程中，无法发现墓穴、废弃河道，因此，在工程施工中没有采取相应的措施，对这些可能会对工程质量造成影响的进行处理。

(1)热收入。烟气带入热量：

q1=LC1t1=L×1.453×700=1 017 L(kJ/kg-水)

物料带入热量：

q2=(100-35)/(35-10)×[0.84×0.9+
4.186 8×0.1]×40+ 4.186 8×20=206 kJ/kg-水

(2)热支出。物料带走热量：

q3=(100-35)/(35-10)×[0.84×0.9+

4.186 8×0.1]×60=183.3 kJ/kg-水

蒸发水分及水汽带走的热量:

q4=2 490+1.878×100=2 678 kJ/kg-水

出烘干机废气带走的热量:

烘干机筒体散热损失:

q6=80 kJ/kg-水

(3)根据热量平衡，计算出L=3.105 Nm3/kg水。

3.2.2.3 系统能力的确定

(1)热源最大蒸发量W=53 736/3.105=17 300 kg-水。

(2)烘干机水分的最大蒸发量为W=1 000G(W1-W2)/(100-W1)。

图1 煅烧烟气余热烘干硅钙渣系统布置图

综合(1)、(2)，烘干机最大生产能力(干基)G=44.98 t/h，根据实际相似案例来看，单台烘干机不具备如此大的生产能力，因此选用两台Ф3.8×11 m烘干机，每台生产能力为23 t/h。

3.2.3 硅钙渣烘干系统主要设备

硅钙渣烘干系统选用Ф3.8×11 m组合式三筒烘干机可满足系统要求，具体分为硅钙渣上料系统、三筒烘干机、除尘及引风系统，主要设备见表7。

表7 硅钙渣烘干系统主要设备

3.2.4 设备占地及布置

图1给出了烟气余热硅钙渣烘干系统配置及平面图，图中从左至右依次为混风室、烘干机、旋风除尘器、布袋除尘器，占地面积为13×37 m。

3.2.5 设备投资

表8给出了硅钙渣烘干系统主要设备报价，设备总价为773.8万元，综合土建、设备安装费用，设计估算为1 350万元。

3.2.6 成本及效益测算

表9给出了煅烧烟气余热烘干硅钙渣方案所需的原料、动力，现就硅钙渣烘干成本进行测算，硅钙渣出售价格假定为50元/t，表10给出了每吨硅钙渣成本表。

表8 三筒滚筒干燥系统设备报价 单位：万元

表9 煅烧烟气余热利用及烘干方案物料用量

注：*人员工资，福利费为60%。

表10 每吨硅钙渣烘干成本测算

从表10中可以看出，生产每吨硅钙渣产品的完全成本为13.5元(含税)，年均净利润786.33万元，内部收益率50.45%，动态投资回收期0.6年(考虑资本金为20%)。

4 结束语

炭素阳极生产中煅烧烟气余热含有大量热能，具有较高的利用价值，除可满足炭素生产工艺自身热量需求外，还可进一步利用。

对煅烧烟气烘干硅钙渣方案进行技术经济论证，结果表明，利用煅烧烟气余热烘干硅钙渣技术可行，投资适中，经济效益显著，既可以减少煅烧烟气排放过程中的热污染和二氧化硫污染, 又可以解决硅钙渣利用过程中烘干成本高的问题，具有显著的环保和经济效益，是典型的“以废治废、变废为宝、综合利用”循环经济方案。

[1] 张志超.浅谈炭素煅烧回转窑烟气余热的利用[J].轻金属,2010(9):52-54.

[2] 李秀莉.利用罐式煅烧炉烟气进行余热发电的可行性研究[J].应用能源技术,2010(1):36-39.

Feasibility Analysis of Applying Petroleum Coke Calcining Flue Gas Waste Heat to Dry Calcium Silicate Slag

YAN Xue-liang, AN Ai-wen

Based on the study of calcining petroleum coke flue gas utilization situation and its feature in carbon anode production line, this paper focuses on the technical and economic analysis of calcining flue gas waste heat drying calcium silicate slag. The results show that the technology of calcining flue gas waste heat drying calcium silicate slag is feasible, the investment is moderate, and the economic benefit is obvious, it not only can reduce thermal pollution and sulfur dioxide pollution in the emission of calcining flue gas, but also can solve the problem of high drying cost during calcium silicon slag utilization. Environmental protection and economic benefit are remarkable.

waste heat utilization； calcium silicate slag drying； petroleum coke； calcining flue gas

2015-06-09

863计划“硅铁烟尘与高铝粉煤灰硅钙资源协同利用关键技术及示范”课题(2012AA06A118)

闫学良(1982—)，男，甘肃晋宁人，硕士，高级工程师，内蒙古大唐国际再生资源开发有限公司生产管理部副主任。

TK227; TK11+5

A

1008-5122(2015)06-0042-05