硅鐵礦熱爐余熱發電優化設計、運行分析及建議

苗建濤

摘 要：礦熱爐生產工藝中，會耗費大量的電能，而排放大量的廢氣余熱，其熱量約占系統總能耗量的40%左右，進一步充分利用這些中、低品位的余熱是節能降耗、減少溫室氣體排放的關鍵。

關鍵詞：礦熱爐；余熱發電；優化設計；分析；建議

引言

寧夏昌茂祥冶煉有限公司現有2臺36MVA硅鐵礦熱爐，礦熱爐投產時并未設置余熱發電設施，北京動力源公司作為投資方，以EMC方式運作余熱發電設施工程，委托我公司進行設計。

筆者作為本工程的項目經理及工藝專業負責人參與了本工程的設計工作。

本文介紹了寧夏工程余熱回收設施的主要配置、主機設備、工藝流程等設計內容，并在一定基礎上對工程進行了大量的優化及創新。通過實際運行情況，對設計及運行中出現的問題進行了相應的分析和建議，為今后類似工程的設計提供了經驗。

建議礦熱爐企業建設時同時配建余熱發電設施或者預留發電設施占地，優化余熱發電設施的相關設計，使之發揮最大的效能，可產生良好的經濟效益和社會效益，為企業的節能減排做出更大的貢獻。

1緒論

礦熱爐生產工藝中，會耗費大量的電能，而排放大量的廢氣余熱，其熱量約占系統總能耗量的40%左右，進一步充分利用這些中、低品位的余熱是節能降耗、減少溫室氣體排放的關鍵。

寧夏昌茂祥冶煉有限公司現有2臺36MVA硅鐵礦熱爐，礦熱爐投產時并未設置余熱發電設施，北京動力源公司作為投資方，以EMC方式運作余熱發電設施工程，委托我公司進行設計。

筆者作為本工程的項目經理及工藝專業負責人參與了本工程的設計工作。本著回收最大化的目的，結合煙氣流量、溫度等實際參數，并在設計過程中進行了大量的優化及創新，最終使本工程成為了礦熱爐行業余熱發電方面一個極為成功的范例。

項目投產后，運行穩定，回收電能約10%，產生了大量的經濟效益和社會效益，證明了在硅鐵、錳鐵、鎳鐵等礦熱爐冶煉企業設置余熱發電設施是可行的，也是必要的。

本文也對運行后所遇到問題進行了分析，并提出了相應的建議，以期對以后類似的工程提供經驗。

1寧夏昌茂祥硅鐵礦熱爐余熱發電設施

1.1硅鐵礦熱爐工藝流程及可利用余熱概況

硅鐵生產以硅石、蘭炭和鋼屑為主要原料，按照工藝給定的比例進行計量、混料后，布入爐內。

在半密閉礦熱爐冶煉硅鐵中，每還原一個Si，生成二個CO，生成的一氧化碳在料面與混入的空氣燃燒，形成高溫煙氣。

寧夏昌茂祥冶煉有限公司現有2臺36MVA硅鐵礦熱爐，可利用本工程2臺礦熱爐的高溫煙氣作為余熱發電熱源。

煙氣經煙道進入余熱鍋爐汽水熱交換，產生的蒸氣推動汽輪發電機組發電，電經升壓并網送回礦熱爐自用。經余熱鍋爐熱交換冷卻的煙氣，進入布袋除塵器凈化后通過煙囪排入大氣。

1.2余熱發電設施

根據礦熱爐煙氣可利用熱量，結合現場實際情況，筆者組織項目團隊進行了從初步設計到施工圖階段的設計工作。決定本工程建設2臺18t/h的中溫低壓余熱鍋爐（主蒸汽參數：P=2.0MPa，T=450℃）、1臺7.5MW汽輪機及1臺9MW發電機電機。

1.3余熱發電的工藝流程

1.3.1煙氣工藝流程

煙氣管道分別從礦熱爐3個煙氣出口接出，管徑為DN2000，至鍋爐前匯總為1根DN3000管道，煙氣從鍋爐的上部水平引入，水平引出。低溫煙氣通過除塵風機，經過布袋除塵器引入煙囪。另外設置旁路系統，并在旁路管道上設置冷卻空氣入口，當鍋爐故障時，可通過旁路系統將煙氣冷卻后送至除塵器及煙囪，可保證高溫煙氣不對空排放或者燒壞除塵器。如圖1所示：

1.3.2汽水工藝流程

2臺鍋爐產生的中溫低壓主蒸汽匯總為1個蒸汽母管，直徑為D159×6，材質取15CrMoG，管道通過外管網架空敷設至汽輪機主廠房，進入汽輪機，進而驅動發電機發電。

做完功的蒸汽進入凝汽器，由循環水系統將蒸汽冷卻為凝結水，然后由凝結水泵送至真空除氧器除氧后，經鍋爐給水泵送至鍋爐，加熱以產生蒸汽，再進入汽輪機組發電，以此完成汽、水、電的轉換。

1.4余熱發電工程的優化設計

1.4.1高溫煙道保溫方式的優化

由于硅鐵礦熱爐煙氣溫度較高，可達到400～600℃，普通的碳鋼管耐溫350℃，已無法正常使用。一般的解決辦法不外乎以下幾種：采用耐高溫的合金鋼，投資太大；采用水冷結構，需增設循環泵，消耗電能，結構復雜而不穩定。

本工程通過技術優化，采用管道內保溫，將耐高溫的保溫層設置在碳鋼管道內部，利用熱傳導計算，通過調整保溫厚度，使不同管徑的煙氣管道金屬內壁溫度均保持在300℃以內，既不浪費熱量，又大大降低了管道造價，并保證了煙氣管道及余熱發電系統的穩定性。

1.4.2電站布置的優化

鍋爐與礦熱爐對應，布置在礦熱爐附近，主汽管道通過架空支架敷設至發電站廠房，減少了煙氣等大管道的投資費用。

以往工程，汽機主廠房運轉層較多采用大平臺式布置，投資較大，并對下層空間采光造成一定影響。本工程運轉層采用島式布置，在減少投資的基礎上，提高各下層空間的采光，改善了電站的勞動條件。為土建廠房投資節省了50多萬元。

1.4.3旁通煙道優化

鍋爐事故時，煙氣不能直接排放，需設置旁通煙道，煙氣經過已有布袋除塵器除塵后排至煙囪，而除塵器耐溫200℃，則高達600多度的煙氣需降溫后才能排至除塵器。常規利用噴水降溫等很不經濟。

本項目對旁通煙道進行了優化設計：在旁通管路上設置一個自動噴吹冷風管道，噴冷風管道上設置氣動擋板，控制冷空氣混入，在管路進入除塵器之前設置遠傳溫度測點，當溫度高于200℃時，自動控制擋板打開，利用管道內部的負壓，自動混入冷空氣，煙氣低于200℃，控制混氣擋板關閉，以此保證除塵器不被高溫損壞。 而自動噴吹冷風管道管徑是根據混合溫度、煙氣流速等合理計算選取的。

2余熱發電設施運行狀況

2.1發電負荷受礦熱爐運行影響較大

項目于2015年5月開始建設，當年12月8日順利完成發電機組的并網發電，負荷為4000KW左右波動，低于預期效果，分析原因如下：

礦熱爐由于礦熱爐調試原因，負荷長期較低，出口煙氣溫度太低，低于350℃，負荷基本維持在20MVA，相應使鍋爐入口煙氣流量及溫度均無法達到設計值，發電系統處于低負荷運行。

另外，礦熱爐停爐事故經常發生，且每次礦熱爐停爐1小時，發電系統啟動需要4小時以上，影響發電系統的正常運行。

至2016年4月份以后，礦熱爐運行逐步穩定，電站負荷基本可到達到7.5MW左右，完全滿足設計要求。

2.2真空除氧器起到了節能的要求

設計中采用了真空除氧器，鍋爐給水溫度為40℃左右，較低的鍋爐進水溫度有效地降低了鍋爐出口煙溫，對于保護后序布袋除塵器起到了良好的作用，另外又降低了排煙能量損失。實踐證明對于不含硫等可產生腐蝕氣體的余熱鍋爐，不需要設置額外消耗蒸汽的熱力除氧器，采用同樣滿足除氧效果的真空除氧器，可到達少耗蒸汽、降低鍋爐排煙溫度、提高機組效率的目的。

2.3旁通煙道自動噴吹冷風裝置取得了良好的效果

鍋爐及發電機組投產前，旁通煙道需要提前投入使用，針對于較高的排煙溫度，自動噴吹冷風裝置需投用，才不至于燒壞布袋除塵器。

實踐證明，每次當布袋除塵器前排煙溫度高于200℃時，自動噴吹裝置均可以自動投入使用，依靠管道的負壓，使空氣可以順利噴入管道，達到降低煙氣溫度的目的。

在后期的鍋爐故障時，旁通管道及自動噴吹冷風裝置同樣達到了預期的效果。

3硅鐵礦熱爐余熱發電的思考和建議

3.1礦熱爐余熱發電設施節能效果顯著

在硅鐵生產中，電費約占生產成本的65%以上。礦熱爐企業是名副其實的耗電大戶，而對于余熱的回收，像挪威等技術成熟的國家，電量回收率可以達到13%，甚至更高，我國在礦熱爐運行及余熱回收技術方面起步比較晚，目前回收率接近10%，如果運行良好，效益同樣客觀。

據了解，目前國內的硅鐵、錳鐵、鎳鐵等鐵合金企業大部分都在考慮新增余熱發電設施，以降低運行成本。

3.2應提高礦熱爐的運行技術以使余熱發電節能效果更好

由于礦熱爐的煙氣量及煙氣溫度基本決定了余熱設施的運行參數，故在建設時，一定提供盡量準確的煙氣溫度、流量、煙氣成分、尾氣的露點溫度等重要參數，作為鍋爐等設施的設計依據，使余熱設施設計時就比較靠近正常值。

另外，礦熱爐的運行好壞也基本上決定了余熱回收的效果，事實證明，當礦熱爐爐門開得過大，漏入空氣過多時，大量低溫、大流量的煙氣會使鍋爐的效率達不到額定數據，而爐體密封效果好，爐門及工作人孔設計合理、風機設置變頻的礦熱爐均會達到良好的效果。

這就要求礦熱爐企業提高礦熱爐設計及運行技術，在工藝提高的前提下可以回收更多的電能，以達到節能降耗的目的。

3.3礦熱爐實施前最好同時設計或預留余熱發電設施

部分礦熱爐企業建設時并不規劃余熱發電設施，而是等礦熱爐投產后，由投資企業以EMC等方式融資建設，造成了部分浪費，鍋爐不能貼近礦熱爐就近布置，發電機組也同樣需要布置在較遠的位置，這就需要增加煙氣管道、汽水管道的長度，造成了占地及布置的不合理、大量管道等設備及材料的投資增加、長距離管道輸送的能源浪費。

建議以后礦熱爐企業建設時同時配建余熱發電設施或者預留發電設施占地。

4結語

寧夏昌茂祥余熱發電工程已順利發電并網，并隨著礦熱爐運行的成熟達到了額定負荷，完成了以下預期目標：

（1）解決了礦熱爐高溫煙氣的排放問題。

（2）各項優化設計均達到了應有的效果。

（3）回收電量達到10%，節能效果顯著。

（4）經濟效益：7.5MW機組滿負荷生產，按1年8000小時計算，年發電量0.6億KW.h，節省冶煉成本約0.3億元。

（5）社會效益：礦熱爐產生的煙氣熱量可以得到合理回收，年節省標煤約0.7萬噸，減排二氧化碳約1.7萬噸， 在節能減排方面產生了良好的社會效益。

礦熱爐企業建設時同時應配建余熱發電設施或者預留發電設施占地，并在設計余熱發電設施時優化相關設計，使余熱設施發揮最大的效能，可產生良好的經濟效益和社會效益，為企業的節能減排做出更大的貢獻。

參考文獻

[1]陳奇源.鐵合金礦熱爐余熱發電建設總結與發展前景[J].鐵合金，2013，44（01）：44-48.