某礦熱爐煙氣余熱利用系統(tǒng)測量與診斷

鄧波，嚴雨林，江瀟

（盾安（天津）節(jié)能系統(tǒng)有限公司，天津300072）

某礦熱爐煙氣余熱利用系統(tǒng)測量與診斷

鄧波，嚴雨林，江瀟

（盾安（天津）節(jié)能系統(tǒng)有限公司，天津300072）

對某鐵合金廠2臺硅鐵礦熱爐煙氣參數(shù)進行了現(xiàn)場測量，測量結(jié)果表明，測點煙氣溫度偏低，流量偏大。通過對原始測量數(shù)據(jù)進行篩選整理，得到了更加真實的測量結(jié)果；通過分析測量數(shù)據(jù)，診斷出導致現(xiàn)有余熱鍋爐進口煙氣溫度偏低的主要原因，并給出相應(yīng)的對策建議。

礦熱爐；余熱利用；測量；診斷

進入21世紀以來，我國鐵合金產(chǎn)量逐年以較高速度遞增，2001年我國鐵合金產(chǎn)量僅為450萬t，經(jīng)過10多年的高速增長，2013年我國鐵合金的總產(chǎn)量達到了3 776萬t，約占世界總產(chǎn)量的40%，成為世界第一鐵合金生產(chǎn)大國和消費大國。鐵合金生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量中低溫煙氣余熱，以75%硅鐵為例，我國目前75%硅鐵的平均電耗約為8 500 kW·h/t，普遍比發(fā)達國家高10%～20%，礦熱爐排放的煙氣攜帶的熱量占總輸入熱量的36%，并且一般溫度在300～700℃，具有很高的利用價值。近幾年，由于余熱鍋爐技術(shù)的逐漸成熟，礦熱爐煙氣余熱利用技術(shù)在我國的鐵合金行業(yè)開始興起，在青海、甘肅等地出現(xiàn)了一些較為成功的案例。但是通過實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，全國也出現(xiàn)許多失敗案例，例如一些企業(yè)建設(shè)礦熱爐余熱利用系統(tǒng)過于草率，在沒有測量礦熱爐煙氣溫度的情況下建設(shè)余熱發(fā)電系統(tǒng)，等余熱發(fā)電系統(tǒng)投運后發(fā)現(xiàn)煙氣溫度過低，無法達到發(fā)電要求；一些廠家余熱鍋爐沒有靠近冶煉車間布置，造成較大煙道熱損失；一些廠家上項目前未充分調(diào)研業(yè)內(nèi)成敗案例，使用的設(shè)備無法滿足發(fā)電要求（主要是余熱鍋爐）等，這些問題嚴重制約了鐵合金礦熱爐余熱利用的經(jīng)濟性。因此，準備建設(shè)鐵合金余熱發(fā)電系統(tǒng)的企業(yè)應(yīng)該引起重視，盡量全面調(diào)研行業(yè)現(xiàn)狀，并且在項目建設(shè)時，尊重科學，不盲目建設(shè)。

1 煙氣測量簡介

某鐵合金廠2013年投產(chǎn)一套2×25 500 kVA半封閉矮煙罩硅鐵礦熱爐（分別稱為1#、2#礦熱爐）系統(tǒng)，系統(tǒng)配置了2臺臥式余熱鍋爐（單臺設(shè)計容量為15 t/h，額定蒸汽參數(shù)為0.8 MPa飽和蒸汽），利用礦熱爐產(chǎn)生的煙氣余熱生產(chǎn)蒸汽供廠區(qū)其他工藝使用（見圖1）。余熱鍋爐投產(chǎn)后不久發(fā)現(xiàn)，由于到達余熱鍋爐進口的煙氣溫度較低，平均溫度＜300℃（余熱鍋爐的設(shè)計進口煙氣溫度為350℃），余熱鍋爐出力嚴重不足（單臺鍋爐產(chǎn)汽量一般低于8 t/h），并且，兩臺礦熱爐經(jīng)常性故障導致余熱鍋爐的產(chǎn)汽量進一步下滑，無法保證穩(wěn)定充足地向下游工藝供汽。為了找到余熱鍋爐進口溫度偏低的原因，進而尋找解決的對策，對其兩臺礦熱爐煙氣余熱利用系統(tǒng)進行測量、診斷。

圖1 礦熱爐系統(tǒng)簡圖

對該鐵合金廠兩臺25 500 kVA硅鐵礦熱爐的煙氣余熱進行為期15天的測量，實際有效測量時間為96 h（一天只測量一班，且刨去了測量期間礦熱爐進行檢修的時間）。

1.1 測量方法

1.1.1 測點選擇

每臺礦熱爐的爐蓋上分別有兩個煙囪，礦熱爐底層冶煉產(chǎn)生的高溫氣態(tài)物質(zhì)（CO，SiO等）溢出料面后與爐口進入的冷空氣在爐膛中混合并發(fā)生氧化反應(yīng)，形成較高溫度的煙氣進入煙囪，在煙囪自身抽力和除塵風機的作用下，煙氣延煙囪上升到礦熱爐車間屋頂后，兩個煙囪的煙氣匯集到一個橫向煙道中（見圖1、圖2）。煙道外徑Dw=2.92 m，管壁厚度為10 mm，管內(nèi)保溫澆筑保溫層厚度為50 mm，煙道內(nèi)徑Dn=2.8 m，保溫材料的導熱系數(shù)為0.35 W/m·K，在兩個礦熱爐對應(yīng)橫向煙道的中部偏下位置各開一40 cm小孔，作為礦熱爐的煙氣測點；測點到余熱鍋爐進口之間的煙道長度為150 m。

圖2 礦熱爐測點位置及車間外觀照片

1.1.2 測量方法

采用S型畢托管測量煙氣的動壓、靜壓[1]，使用手持熱電偶測煙氣溫度，參數(shù)采集時間間隔≤15 min；另外，安排相應(yīng)人員在礦熱爐操作平臺記錄礦熱爐中控室數(shù)據(jù)及礦熱爐的冶煉狀態(tài)。

測量期間，在保證不影響礦熱爐正常冶煉的情況下，一般使變頻除塵主風機盡量保持在較低頻率運行（本系統(tǒng)控制在28～30 Hz），同時，要求冶煉人員在搗爐完畢后及時關(guān)閉爐門，通過這兩種方式降低礦熱爐的冷風滲入量，提高測點煙溫。

1.2 測量數(shù)據(jù)

1.2.1 測量數(shù)據(jù)初步分析

通過測量，得到了測點位置的煙氣動壓（Pd）、靜壓（Ps）及溫度（ts）等數(shù)據(jù)，帶入公式（1）中，計算得出煙氣的流速（Vs），其中皮托管修正系數(shù)Kp取0.83，當?shù)卮髿鈮築0為89 220 Pa，煙氣分子量Ms為29 kg/kmol。

由煙氣流速和煙道內(nèi)徑求得標況煙氣流量Qf：

進而根據(jù)煙氣的定壓比熱Cp得到煙氣熱功率：

在礦熱爐操作平臺記錄的數(shù)據(jù)有礦熱爐的有功功率、除塵系統(tǒng)主風機頻率等。

下面用圖和表格的形式展示此次測量結(jié)果，圖3、圖4分別為1#、2#礦熱爐測點煙氣溫度隨時間的變化；表1、表2分別為1#、2#礦熱爐采集數(shù)據(jù)的整理結(jié)果，包括測點的煙氣溫度、煙氣流量、煙氣熱功率及礦熱爐有功功率的算術(shù)平均值（代表煙氣參數(shù)的平均水平）、標準差（代表參數(shù)的波動水平）、標準差/算術(shù)平均值（代表參數(shù)的波動水平）。

圖3 1#礦熱爐煙氣溫度隨時間變化

表1 1#礦熱爐煙氣參數(shù)分析結(jié)果

由圖3、表1可知，1#礦熱爐在測量期間，煙氣溫度在250～400℃波動，平均溫度為310℃，標準差為44℃，煙氣溫度較低，波動幅度較大；煙氣流量平均值為17.6萬Nm3/h，標準差為3.21萬Nm3/h，流量較大（25 500k VA礦熱爐，煙氣平均溫度應(yīng)控制在400℃左右，才適合發(fā)電[2]，為此需將煙氣流量降低為10～13萬Nm3/h）。

圖4 2#礦熱爐煙氣溫度隨時間變化

表2 2#礦熱爐煙氣參數(shù)分析結(jié)果

由圖4、表2可知，2#礦熱爐在測量期間，煙氣溫度在200～400℃波動，平均溫度為307℃，標準差為48℃，煙氣溫度較低，波動幅度較大；煙氣流量平均值為14.3萬Nm3/h，標準差為2.53萬Nm3/h，流量仍然較大。

2 煙氣溫度偏低原因分析

2.1 測點到余熱鍋爐進口溫降粗算

測量得到煙道表面溫度t3=65℃，煙道鋼管的導熱系數(shù)λ1=42 W/m3·K，煙氣溫度為測點溫度，測點到鍋爐進口之間煙道長度為L=150 m，保溫澆筑料厚度為d=50 mm，導熱系數(shù)λ2=0.35 W/m3·K，煙道外徑Dw=2.92 m，煙道內(nèi)徑Dn=2.8 m。

將以上數(shù)據(jù)代入公式（4）計算測點處延煙道單位長度熱流量：

從測點到鍋爐進口之間煙道熱損失：

余熱鍋爐進口煙氣熱功率：

則余熱鍋爐進口煙氣比熱：

由C'p可得出余熱鍋爐進口煙氣溫度t2'，則煙氣的溫降為：

表3 圓#礦熱爐煙氣參數(shù)分析結(jié)果

由表3可以看出，在現(xiàn)有的保溫條件下，由于從測點到余熱鍋爐進口之間煙道較長，2臺礦熱爐對應(yīng)煙道的熱損失都較大，煙氣溫降較大，需要適當加強煙道保溫。

2.2 礦熱爐冶煉狀態(tài)對煙氣熱量的影響

根據(jù)礦熱爐的物料平衡和熱平衡可知[3-4]，礦熱爐的煙氣熱量主要來源于爐底反應(yīng)生成并溢出料面的高溫氣態(tài)物質(zhì)（CO，SiO等），礦熱爐的冶煉狀況決定了高溫氣態(tài)物質(zhì)的生成量，當?shù)V熱爐電極輸入的有功功率低于額定功率時（額定有功功率為25.5 MW），礦熱爐的冶煉反應(yīng)變慢，產(chǎn)生的高溫氣態(tài)物質(zhì)減少，煙氣熱量降低，當煙氣流量不變時，煙氣溫度會降低；此外，當?shù)V熱爐爐況惡化，發(fā)生頻繁刺火時，煙氣熱量會有所增加。

圖5 為礦熱爐（包含1#、2#）有功功率和煙氣熱功率在測量期間的對應(yīng)關(guān)系，測量期間兩臺礦熱爐正常生產(chǎn)運行的電壓檔位為6～8檔（有功功率＞20 MW），在電極燒結(jié)、供料不足等不正常運行狀況下，檔位較高為15～17檔（有功功率＜20 MW），由圖5可知，煙氣熱功率比礦熱爐有功功率低，并且與礦熱爐有功功率呈正相關(guān)性，當?shù)V熱爐不正常運行即有功功率較低時，煙氣熱功率隨之下降，這和冶煉的實際情況是相符的。

由此可見，提高對礦熱爐的操作水平，加強礦熱爐的維護保養(yǎng)，改進阻礙礦熱爐正常生產(chǎn)的一切不利因素，以使礦熱爐盡量穩(wěn)定、接近滿負荷運行，對保持較高煙氣溫度至關(guān)重要。

圖5 礦熱爐煙氣熱功率及礦熱爐有功功率隨時間變化

2.3 除塵系統(tǒng)主風機運行頻率對煙氣溫度的影響

2臺礦熱爐各配置一臺除塵風機，除塵風機的全壓為6 000 Pa，額定流量為41萬m3/h（假設(shè)煙氣溫度為200℃，則換算成標況流量為23.7萬Nm3/h，遠超出適合發(fā)電的煙氣流量范圍10～13萬Nm3/h），風機的額定轉(zhuǎn)速為980 r/min，并采用變頻調(diào)節(jié)。進行測量診斷前，風機頻率一直保持在較高頻率下（38～44 Hz）運行，導致礦熱爐的煙氣量過大，即從礦熱爐爐口混入的冷風過多，由于礦熱爐在穩(wěn)定運行時溢出的氣態(tài)高溫物質(zhì)的熱量是基本固定的，因此，煙氣量過大會顯著降低煙氣溫度，不利于余熱鍋爐的正常運行。

在此次測量期間，通過降低風機頻率（降至28 Hz左右），煙氣溫度得到明顯提升，但是在本系統(tǒng)上過分降低風機頻率會導致礦熱爐爐口冒煙，使操作環(huán)境變差，因此沒有進一步降低頻率，并且測量時為避免對冶煉操作造成影響，采用逐步降低風機頻率的方式進行調(diào)節(jié)，因此，測量數(shù)據(jù)實際對應(yīng)的風機頻率不是固定的，調(diào)節(jié)范圍為26～38 Hz。

2.4 出鐵口冷空氣灌入對煙氣溫度的影響

該型號礦熱爐有3個出鐵口，每個出鐵口對應(yīng)有一個吸塵口，在出鐵時，吸塵口會打開，將出鐵時產(chǎn)生的煙塵抽走（其中大部分是冷風）；在本系統(tǒng)中，原設(shè)計將3個出鐵吸塵口的煙氣通過一套輔助除塵系統(tǒng)進行除塵，由于該系統(tǒng)設(shè)計不合理而在停用改造，臨時將其中的兩個吸塵口直接連接到二層平臺的礦熱爐煙囪上（見圖6），因此，當這兩個出鐵口出鐵時，會有大量冷風進入煙囪，導致測點所測得的煙氣溫度顯著降低?？梢姡瑸榱颂岣哂酂徨仩t進口煙氣溫度，必須修復原輔助除塵系統(tǒng)，并將出鐵口的吸塵管道從礦熱爐煙囪上移除。

圖6

3 測量數(shù)據(jù)篩選

由以上分析可知，礦熱爐運行故障（導致電極功率偏低），除塵風機頻率過大（導致混入冷風過多）及出鐵吸塵口與煙囪直接連接（使冷風從吸塵口進入煙囪）是降低測點位置煙氣溫度的3個主要因素；為了盡量真實地反映礦熱爐的煙氣品質(zhì)，測量期間需保證3點：礦熱爐滿負荷穩(wěn)定運行，除塵風機保持較低頻率（28 Hz左右）運行，在非出鐵時間段內(nèi)測量。

圖3、圖4、表1、表2中所示測量結(jié)果沒有考慮以上3點要求，得到的測點溫度較低，因此為了得到更為準確的測量數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)進行如下處理：（1）去除礦熱爐有功功率＜20 MW的測量數(shù)據(jù)；（2）去除風機頻率＞30 Hz且煙氣溫度低于300℃的點，排除風機高頻率運行的不利影響；（3）除出鐵時間段內(nèi)，溫度低于300℃的點，排除出鐵口灌入冷風對煙氣溫度的不利影響（由于3個出鐵口中只有兩個出鐵除塵口與煙囪連接，另一個未與煙囪連接，該出鐵口出鐵時，測點煙氣溫度不受影響）。

按照以上整理方法，對1#、2#礦熱爐的測量數(shù)據(jù)進行篩選并作分析處理。圖5、圖6為處理后1#、2#礦熱爐煙氣溫度隨時間的變化，表3、表4分別為篩選后1#、2#礦熱爐采集數(shù)據(jù)的整理結(jié)果。

圖7 1#礦熱爐煙氣溫度隨時間變化（篩選后）

表4 1#礦熱爐煙氣參數(shù)分析結(jié)果（篩選后）

圖8 2#礦熱爐煙氣溫度隨時間變化（篩選后）

表5 2#礦熱爐煙氣參數(shù)分析結(jié)果（篩選后）

煙氣平均溫度有所上升，1#為332℃，2#為324℃。

4 結(jié)語

（1）通過測量得到1#、2#礦熱爐的煙氣參數(shù)實測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示兩臺礦熱爐的測點煙氣平均溫度較低，平均煙氣流量較大，證實了業(yè)主的反饋。

（2）根據(jù)所采集數(shù)據(jù)粗略計算1#、2#礦熱爐煙道熱損失顯示，雖然煙道內(nèi)部有澆注料保溫，但由于測點到余熱鍋爐進口之間煙道較長，煙道熱損失和煙氣溫降仍然很大。

（3）分析得出了導致測點位置煙氣溫度偏低的主要影響因素有3個：礦熱爐故障（導致電極負荷的偏低）、除塵風機頻率過大（導致煙氣量過大）、出鐵口與煙囪直接連接（導致出鐵吸塵口冷空氣灌入煙囪）。考慮以上3點，對測量數(shù)據(jù)進行篩選處理，結(jié)果顯示，測點位置煙氣溫度有所升高，但是升高幅度不大，且煙氣流量仍然偏大，這說明除塵風機頻率還要進一步下降。

（4）為了進一步提高余熱鍋爐進口煙氣溫度，提出以下幾點建議：①強化測點到余熱鍋爐進口之間煙道保溫措施，使溫降控制在10℃左右；②不斷完善和優(yōu)化礦熱爐的操作水平和系統(tǒng)工藝，使礦熱爐保持穩(wěn)定高效運行；③修復原有輔助除塵系統(tǒng)，并且將與煙囪連接的出鐵吸塵口移除；④優(yōu)化礦熱爐主除塵系統(tǒng)工藝，以降低礦熱爐煙氣流量，提高煙氣溫度。

[1]GB16157-1996，固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法[S].

[2]惠兆森，李國芳.硅鐵爐余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計[J].鐵合金，2011(5)：33-36.

[3]欒心漢，唐琳，李小明，等.鐵合金生產(chǎn)節(jié)能及精煉技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2006:89.

[4]Γ.В.САМОХВАЛОВ，錢玉麟.礦熱爐的能量平衡[J].鐵合金，1987(4):44-46.

2014中國循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展論壇在京召開

2014年11月1—2日，由中國循環(huán)經(jīng)濟協(xié)會主辦的2014中國循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展論壇（以下簡稱論壇）在北京會議中心隆重召開。主論壇由中國循環(huán)經(jīng)濟協(xié)會執(zhí)行會長趙家榮主持。

論壇的主要議題是：貫徹落實黨的十八大、十八屆三中和四中全會精神，緊緊圍繞“發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，建設(shè)生態(tài)文明，促進經(jīng)濟轉(zhuǎn)型”的主題，總結(jié)10年來發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的成效、經(jīng)驗和問題，分析經(jīng)濟新常態(tài)下循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展面臨的機遇和挑戰(zhàn)，研討加快循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略和政策，如何將依法治國戰(zhàn)略貫徹到推動循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的過程中，提出促進資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展和構(gòu)建循環(huán)型社會的新思路、新舉措。

第十屆全國政協(xié)副主席、中國工程院原院長、主席團名譽主席、中國工程院院士徐匡迪,國家發(fā)展和改革委員會副主任解振華，全國政協(xié)經(jīng)濟委員會副主任石軍，環(huán)境保護部原副部長張力軍，中國城市科學研究會秘書長李迅在論壇上發(fā)表了主旨演講。國務(wù)院參事室特約研究員、第十屆全國人大環(huán)資委副主任馮之浚主持了高端對話，圍繞“循環(huán)經(jīng)濟十年回顧與展望”這一主題，第十屆全國人大環(huán)資委主任毛如柏，國務(wù)院參事室參事、科技部原副部長劉燕華，第十屆全國人大環(huán)資委副主任委員、中國工程院院士、清華大學學術(shù)委員會主任錢易，中國工程院院士、清華大學教授金涌，國家發(fā)展改革委環(huán)資司司長何炳光，中國建筑材料集團有限公司副董事長姚燕等嘉賓進行了精彩對話。

主論壇著重研討了循環(huán)經(jīng)濟與經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟與生態(tài)文明建設(shè)、循環(huán)經(jīng)濟與新型城鎮(zhèn)化建設(shè)、循環(huán)經(jīng)濟與產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級、循環(huán)經(jīng)濟與污染防治戰(zhàn)略等重要議題；總結(jié)了10年來中國循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展取得的成效和經(jīng)驗，對如何加快循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展、構(gòu)建循環(huán)型社會進行了戰(zhàn)略思考，提出了應(yīng)對策略。論壇還對產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟、園區(qū)循環(huán)化改造、資源再生利用、再制造、垃圾資源化利用、投融資等重點領(lǐng)域的難點和熱點問題進行了深入研討。本論壇對推動循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展，加快生態(tài)文明建設(shè)將產(chǎn)生積極影響。

在主論壇上，中國循環(huán)經(jīng)濟協(xié)會發(fā)布了《中國循環(huán)經(jīng)濟大事記》、《中國循環(huán)經(jīng)濟最佳實踐》等研究成果。同時還舉行了“碳中和”交易證書頒發(fā)儀式，中國循環(huán)經(jīng)濟協(xié)會通過天津排放權(quán)交易所交易所購買了中國首批簽發(fā)的核證自愿減排量（CCER），實現(xiàn)了論壇二氧化碳的“零”排放，這是循環(huán)經(jīng)濟領(lǐng)域的社會團體首次開展自愿碳減排活動，對倡導低碳發(fā)展具有引領(lǐng)示范意義，對論壇各項活動中產(chǎn)生的碳排放量核算是由中國質(zhì)量認證中心完成的。

2014中國循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展論壇設(shè)主論壇和產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟、園區(qū)循環(huán)化改造、資源再生利用、再制造、垃圾資源化、投融資6個分論壇，國家和地方有關(guān)部門、行業(yè)協(xié)會、院士專家、有關(guān)機構(gòu)、企業(yè)和媒體代表1 200余人參加論壇。

Detection and diagnosis of ore smelting furnace's residual-heat utilization system

DENG Bo，YAN Yulin，JIANG Xiao
（DunAn（Tianjin）Energy Reservation System CO.,LTD,Tianjin,300072,China）

A measurement was carried out on fuel gas parameters from two ferrosilicon furnace，the measuring result showed that the temperature was lower and flow was higher at the measure point than the fact.By screening the original measurement data,a more realistic measurementresult was obtained.According to the analysis of measurement data,the main reason to the flue gas with lower temperature in the waste heat boiler inlet was found out,and the corresponding suggestion was given.

ore smelting furnace;waste-heat utilization;detection;diagnosis

X753

A

1674-0912（2014）11-0037-05

2014-09-28）

鄧波（1977-），男，江西萍鄉(xiāng)人，博士，高級工程師，專業(yè)方向：暖通空調(diào)及節(jié)能。