苗建濤

摘 要：礦熱爐生產(chǎn)工藝中，會(huì)耗費(fèi)大量的電能，而排放大量的廢氣余熱，其熱量約占系統(tǒng)總能耗量的40%左右，進(jìn)一步充分利用這些中、低品位的余熱是節(jié)能降耗、減少溫室氣體排放的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：礦熱爐；余熱發(fā)電；優(yōu)化設(shè)計(jì)；分析；建議

引言

寧夏昌茂祥冶煉有限公司現(xiàn)有2臺(tái)36MVA硅鐵礦熱爐，礦熱爐投產(chǎn)時(shí)并未設(shè)置余熱發(fā)電設(shè)施，北京動(dòng)力源公司作為投資方，以EMC方式運(yùn)作余熱發(fā)電設(shè)施工程，委托我公司進(jìn)行設(shè)計(jì)。

筆者作為本工程的項(xiàng)目經(jīng)理及工藝專業(yè)負(fù)責(zé)人參與了本工程的設(shè)計(jì)工作。

本文介紹了寧夏工程余熱回收設(shè)施的主要配置、主機(jī)設(shè)備、工藝流程等設(shè)計(jì)內(nèi)容，并在一定基礎(chǔ)上對(duì)工程進(jìn)行了大量的優(yōu)化及創(chuàng)新。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)設(shè)計(jì)及運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)的分析和建議，為今后類似工程的設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)。

建議礦熱爐企業(yè)建設(shè)時(shí)同時(shí)配建余熱發(fā)電設(shè)施或者預(yù)留發(fā)電設(shè)施占地，優(yōu)化余熱發(fā)電設(shè)施的相關(guān)設(shè)計(jì)，使之發(fā)揮最大的效能，可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為企業(yè)的節(jié)能減排做出更大的貢獻(xiàn)。

1緒論

礦熱爐生產(chǎn)工藝中，會(huì)耗費(fèi)大量的電能，而排放大量的廢氣余熱，其熱量約占系統(tǒng)總能耗量的40%左右，進(jìn)一步充分利用這些中、低品位的余熱是節(jié)能降耗、減少溫室氣體排放的關(guān)鍵。

寧夏昌茂祥冶煉有限公司現(xiàn)有2臺(tái)36MVA硅鐵礦熱爐，礦熱爐投產(chǎn)時(shí)并未設(shè)置余熱發(fā)電設(shè)施，北京動(dòng)力源公司作為投資方，以EMC方式運(yùn)作余熱發(fā)電設(shè)施工程，委托我公司進(jìn)行設(shè)計(jì)。

筆者作為本工程的項(xiàng)目經(jīng)理及工藝專業(yè)負(fù)責(zé)人參與了本工程的設(shè)計(jì)工作。本著回收最大化的目的，結(jié)合煙氣流量、溫度等實(shí)際參數(shù)，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了大量的優(yōu)化及創(chuàng)新，最終使本工程成為了礦熱爐行業(yè)余熱發(fā)電方面一個(gè)極為成功的范例。

項(xiàng)目投產(chǎn)后，運(yùn)行穩(wěn)定，回收電能約10%，產(chǎn)生了大量的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，證明了在硅鐵、錳鐵、鎳鐵等礦熱爐冶煉企業(yè)設(shè)置余熱發(fā)電設(shè)施是可行的，也是必要的。

本文也對(duì)運(yùn)行后所遇到問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的建議，以期對(duì)以后類似的工程提供經(jīng)驗(yàn)。

1寧夏昌茂祥硅鐵礦熱爐余熱發(fā)電設(shè)施

1.1硅鐵礦熱爐工藝流程及可利用余熱概況

硅鐵生產(chǎn)以硅石、蘭炭和鋼屑為主要原料，按照工藝給定的比例進(jìn)行計(jì)量、混料后，布入爐內(nèi)。

在半密閉礦熱爐冶煉硅鐵中，每還原一個(gè)Si，生成二個(gè)CO，生成的一氧化碳在料面與混入的空氣燃燒，形成高溫?zé)煔狻?/p>

寧夏昌茂祥冶煉有限公司現(xiàn)有2臺(tái)36MVA硅鐵礦熱爐，可利用本工程2臺(tái)礦熱爐的高溫?zé)煔庾鳛橛酂岚l(fā)電熱源。

煙氣經(jīng)煙道進(jìn)入余熱鍋爐汽水熱交換，產(chǎn)生的蒸氣推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，電經(jīng)升壓并網(wǎng)送回礦熱爐自用。經(jīng)余熱鍋爐熱交換冷卻的煙氣，進(jìn)入布袋除塵器凈化后通過(guò)煙囪排入大氣。

1.2余熱發(fā)電設(shè)施

根據(jù)礦熱爐煙氣可利用熱量，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，筆者組織項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了從初步設(shè)計(jì)到施工圖階段的設(shè)計(jì)工作。決定本工程建設(shè)2臺(tái)18t/h的中溫低壓余熱鍋爐（主蒸汽參數(shù)：P=2.0MPa，T=450℃）、1臺(tái)7.5MW汽輪機(jī)及1臺(tái)9MW發(fā)電機(jī)電機(jī)。

1.3余熱發(fā)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(gè)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?zé)煔馔ㄟ^(guò)除塵風(fēng)機(jī)，經(jīng)過(guò)布袋除塵器引入煙囪。另外設(shè)置旁路系統(tǒng)，并在旁路管道上設(shè)置冷卻空氣入口，當(dāng)鍋爐故障時(shí)，可通過(guò)旁路系統(tǒng)將煙氣冷卻后送至除塵器及煙囪，可保證高溫?zé)煔獠粚?duì)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(tái)鍋爐產(chǎn)生的中溫低壓主蒸汽匯總為1個(gè)蒸汽母管，直徑為D159×6，材質(zhì)取15CrMoG，管道通過(guò)外管網(wǎng)架空敷設(shè)至汽輪機(jī)主廠房，進(jìn)入汽輪機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

做完功的蒸汽進(jìn)入凝汽器，由循環(huán)水系統(tǒng)將蒸汽冷卻為凝結(jié)水，然后由凝結(jié)水泵送至真空除氧器除氧后，經(jīng)鍋爐給水泵送至鍋爐，加熱以產(chǎn)生蒸汽，再進(jìn)入汽輪機(jī)組發(fā)電，以此完成汽、水、電的轉(zhuǎn)換。

1.4余熱發(fā)電工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.4.1高溫?zé)煹辣胤绞降膬?yōu)化

由于硅鐵礦熱爐煙氣溫度較高，可達(dá)到400～600℃，普通的碳鋼管耐溫350℃，已無(wú)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(jié)構(gòu)，需增設(shè)循環(huán)泵，消耗電能，結(jié)構(gòu)復(fù)雜而不穩(wěn)定。

本工程通過(guò)技術(shù)優(yōu)化，采用管道內(nèi)保溫，將耐高溫的保溫層設(shè)置在碳鋼管道內(nèi)部，利用熱傳導(dǎo)計(jì)算，通過(guò)調(diào)整保溫厚度，使不同管徑的煙氣管道金屬內(nèi)壁溫度均保持在300℃以內(nèi)，既不浪費(fèi)熱量，又大大降低了管道造價(jià)，并保證了煙氣管道及余熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.4.2電站布置的優(yōu)化

鍋爐與礦熱爐對(duì)應(yīng)，布置在礦熱爐附近，主汽管道通過(guò)架空支架敷設(shè)至發(fā)電站廠房，減少了煙氣等大管道的投資費(fèi)用。

以往工程，汽機(jī)主廠房運(yùn)轉(zhuǎn)層較多采用大平臺(tái)式布置，投資較大，并對(duì)下層空間采光造成一定影響。本工程運(yùn)轉(zhuǎn)層采用島式布置，在減少投資的基礎(chǔ)上，提高各下層空間的采光，改善了電站的勞動(dòng)條件。為土建廠房投資節(jié)省了50多萬(wàn)元。

1.4.3旁通煙道優(yōu)化

鍋爐事故時(shí)，煙氣不能直接排放，需設(shè)置旁通煙道，煙氣經(jīng)過(guò)已有布袋除塵器除塵后排至煙囪，而除塵器耐溫200℃，則高達(dá)600多度的煙氣需降溫后才能排至除塵器。常規(guī)利用噴水降溫等很不經(jīng)濟(jì)。

本項(xiàng)目對(duì)旁通煙道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：在旁通管路上設(shè)置一個(gè)自動(dòng)噴吹冷風(fēng)管道，噴冷風(fēng)管道上設(shè)置氣動(dòng)擋板，控制冷空氣混入，在管路進(jìn)入除塵器之前設(shè)置遠(yuǎn)傳溫度測(cè)點(diǎn)，當(dāng)溫度高于200℃時(shí)，自動(dòng)控制擋板打開，利用管道內(nèi)部的負(fù)壓，自動(dòng)混入冷空氣，煙氣低于200℃，控制混氣擋板關(guān)閉，以此保證除塵器不被高溫?fù)p壞。 而自動(dòng)噴吹冷風(fēng)管道管徑是根據(jù)混合溫度、煙氣流速等合理計(jì)算選取的。

2余熱發(fā)電設(shè)施運(yùn)行狀況

2.1發(fā)電負(fù)荷受礦熱爐運(yùn)行影響較大

項(xiàng)目于2015年5月開始建設(shè)，當(dāng)年12月8日順利完成發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)發(fā)電，負(fù)荷為4000KW左右波動(dòng)，低于預(yù)期效果，分析原因如下：

礦熱爐由于礦熱爐調(diào)試原因，負(fù)荷長(zhǎng)期較低，出口煙氣溫度太低，低于350℃，負(fù)荷基本維持在20MVA，相應(yīng)使鍋爐入口煙氣流量及溫度均無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)值，發(fā)電系統(tǒng)處于低負(fù)荷運(yùn)行。

另外，礦熱爐停爐事故經(jīng)常發(fā)生，且每次礦熱爐停爐1小時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)需要4小時(shí)以上，影響發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

至2016年4月份以后，礦熱爐運(yùn)行逐步穩(wěn)定，電站負(fù)荷基本可到達(dá)到7.5MW左右，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2真空除氧器起到了節(jié)能的要求

設(shè)計(jì)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(jìn)水溫度有效地降低了鍋爐出口煙溫，對(duì)于保護(hù)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(shí)踐證明對(duì)于不含硫等可產(chǎn)生腐蝕氣體的余熱鍋爐，不需要設(shè)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(dá)少耗蒸汽、降低鍋爐排煙溫度、提高機(jī)組效率的目的。

2.3旁通煙道自動(dòng)噴吹冷風(fēng)裝置取得了良好的效果

鍋爐及發(fā)電機(jī)組投產(chǎn)前，旁通煙道需要提前投入使用，針對(duì)于較高的排煙溫度，自動(dòng)噴吹冷風(fēng)裝置需投用，才不至于燒壞布袋除塵器。

實(shí)踐證明，每次當(dāng)布袋除塵器前排煙溫度高于200℃時(shí)，自動(dòng)噴吹裝置均可以自動(dòng)投入使用，依靠管道的負(fù)壓，使空氣可以順利噴入管道，達(dá)到降低煙氣溫度的目的。

在后期的鍋爐故障時(shí)，旁通管道及自動(dòng)噴吹冷風(fēng)裝置同樣達(dá)到了預(yù)期的效果。

3硅鐵礦熱爐余熱發(fā)電的思考和建議

3.1礦熱爐余熱發(fā)電設(shè)施節(jié)能效果顯著

在硅鐵生產(chǎn)中，電費(fèi)約占生產(chǎn)成本的65%以上。礦熱爐企業(yè)是名副其實(shí)的耗電大戶，而對(duì)于余熱的回收，像挪威等技術(shù)成熟的國(guó)家，電量回收率可以達(dá)到13%，甚至更高，我國(guó)在礦熱爐運(yùn)行及余熱回收技術(shù)方面起步比較晚，目前回收率接近10%，如果運(yùn)行良好，效益同樣客觀。

據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)的硅鐵、錳鐵、鎳鐵等鐵合金企業(yè)大部分都在考慮新增余熱發(fā)電設(shè)施，以降低運(yùn)行成本。

3.2應(yīng)提高礦熱爐的運(yùn)行技術(shù)以使余熱發(fā)電節(jié)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(shè)施的運(yùn)行參數(shù)，故在建設(shè)時(shí)，一定提供盡量準(zhǔn)確的煙氣溫度、流量、煙氣成分、尾氣的露點(diǎn)溫度等重要參數(shù)，作為鍋爐等設(shè)施的設(shè)計(jì)依據(jù)，使余熱設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)就比較靠近正常值。

另外，礦熱爐的運(yùn)行好壞也基本上決定了余熱回收的效果，事實(shí)證明，當(dāng)?shù)V熱爐爐門開得過(guò)大，漏入空氣過(guò)多時(shí)，大量低溫、大流量的煙氣會(huì)使鍋爐的效率達(dá)不到額定數(shù)據(jù)，而爐體密封效果好，爐門及工作人孔設(shè)計(jì)合理、風(fēng)機(jī)設(shè)置變頻的礦熱爐均會(huì)達(dá)到良好的效果。

這就要求礦熱爐企業(yè)提高礦熱爐設(shè)計(jì)及運(yùn)行技術(shù)，在工藝提高的前提下可以回收更多的電能，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3.3礦熱爐實(shí)施前最好同時(shí)設(shè)計(jì)或預(yù)留余熱發(fā)電設(shè)施

部分礦熱爐企業(yè)建設(shè)時(shí)并不規(guī)劃余熱發(fā)電設(shè)施，而是等礦熱爐投產(chǎn)后，由投資企業(yè)以EMC等方式融資建設(shè)，造成了部分浪費(fèi)，鍋爐不能貼近礦熱爐就近布置，發(fā)電機(jī)組也同樣需要布置在較遠(yuǎn)的位置，這就需要增加煙氣管道、汽水管道的長(zhǎng)度，造成了占地及布置的不合理、大量管道等設(shè)備及材料的投資增加、長(zhǎng)距離管道輸送的能源浪費(fèi)。

建議以后礦熱爐企業(yè)建設(shè)時(shí)同時(shí)配建余熱發(fā)電設(shè)施或者預(yù)留發(fā)電設(shè)施占地。

4結(jié)語(yǔ)

寧夏昌茂祥余熱發(fā)電工程已順利發(fā)電并網(wǎng)，并隨著礦熱爐運(yùn)行的成熟達(dá)到了額定負(fù)荷，完成了以下預(yù)期目標(biāo)：

（1）解決了礦熱爐高溫?zé)煔獾呐欧艈?wèn)題。

（2）各項(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)均達(dá)到了應(yīng)有的效果。

（3）回收電量達(dá)到10%，節(jié)能效果顯著。

（4）經(jīng)濟(jì)效益：7.5MW機(jī)組滿負(fù)荷生產(chǎn)，按1年8000小時(shí)計(jì)算，年發(fā)電量0.6億KW.h，節(jié)省冶煉成本約0.3億元。

（5）社會(huì)效益：礦熱爐產(chǎn)生的煙氣熱量可以得到合理回收，年節(jié)省標(biāo)煤約0.7萬(wàn)噸，減排二氧化碳約1.7萬(wàn)噸， 在節(jié)能減排方面產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益。

礦熱爐企業(yè)建設(shè)時(shí)同時(shí)應(yīng)配建余熱發(fā)電設(shè)施或者預(yù)留發(fā)電設(shè)施占地，并在設(shè)計(jì)余熱發(fā)電設(shè)施時(shí)優(yōu)化相關(guān)設(shè)計(jì)，使余熱設(shè)施發(fā)揮最大的效能，可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為企業(yè)的節(jié)能減排做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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