苗建濤

摘 要：礦熱爐生產(chǎn)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(tǒng)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(jié)能降耗、減少溫室氣體排放的關鍵。

關鍵詞：礦熱爐；余熱發(fā)電；優(yōu)化設計；分析；建議

引言

寧夏昌茂祥冶煉有限公司現(xiàn)有2臺36MVA硅鐵礦熱爐，礦熱爐投產(chǎn)時并未設置余熱發(fā)電設施，北京動力源公司作為投資方，以EMC方式運作余熱發(fā)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(jīng)理及工藝專業(yè)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(nèi)容，并在一定基礎上對工程進行了大量的優(yōu)化及創(chuàng)新。通過實際運行情況，對設計及運行中出現(xiàn)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(jīng)驗。

建議礦熱爐企業(yè)建設時同時配建余熱發(fā)電設施或者預留發(fā)電設施占地，優(yōu)化余熱發(fā)電設施的相關設計，使之發(fā)揮最大的效能，可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會效益，為企業(yè)的節(jié)能減排做出更大的貢獻。

1緒論

礦熱爐生產(chǎn)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(tǒng)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(jié)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(xiàn)有2臺36MVA硅鐵礦熱爐，礦熱爐投產(chǎn)時并未設置余熱發(fā)電設施，北京動力源公司作為投資方，以EMC方式運作余熱發(fā)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(jīng)理及工藝專業(yè)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(shù)，并在設計過程中進行了大量的優(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)電方面一個極為成功的范例。

項目投產(chǎn)后，運行穩(wěn)定，回收電能約10%，產(chǎn)生了大量的經(jīng)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(yè)設置余熱發(fā)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(jīng)驗。

1寧夏昌茂祥硅鐵礦熱爐余熱發(fā)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(chǎn)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(nèi)。

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(xiàn)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(fā)電熱源。

煙氣經(jīng)煙道進入余熱鍋爐汽水熱交換，產(chǎn)生的蒸氣推動汽輪發(fā)電機組發(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，進入布袋除塵器凈化后通過煙囪排入大氣。

1.2余熱發(fā)電設施

根據(jù)礦熱爐煙氣可利用熱量，結合現(xiàn)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(shù)：P=2.0MPa，T=450℃）、1臺7.5MW汽輪機及1臺9MW發(fā)電機電機。

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(jīng)過布袋除塵器引入煙囪。另外設置旁路系統(tǒng)，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(tǒng)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(chǎn)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(zhì)取15CrMoG，管道通過外管網(wǎng)架空敷設至汽輪機主廠房，進入汽輪機，進而驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。

做完功的蒸汽進入凝汽器，由循環(huán)水系統(tǒng)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(jīng)鍋爐給水泵送至鍋爐，加熱以產(chǎn)生蒸汽，再進入汽輪機組發(fā)電，以此完成汽、水、電的轉換。

1.4余熱發(fā)電工程的優(yōu)化設計

1.4.1高溫煙道保溫方式的優(yōu)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(huán)泵，消耗電能，結構復雜而不穩(wěn)定。

本工程通過技術優(yōu)化，采用管道內(nèi)保溫，將耐高溫的保溫層設置在碳鋼管道內(nèi)部，利用熱傳導計算，通過調(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)，既不浪費熱量，又大大降低了管道造價，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

鍋爐與礦熱爐對應，布置在礦熱爐附近，主汽管道通過架空支架敷設至發(fā)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(jié)省了50多萬元。

1.4.3旁通煙道優(yōu)化

鍋爐事故時，煙氣不能直接排放，需設置旁通煙道，煙氣經(jīng)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(guī)利用噴水降溫等很不經(jīng)濟。

本項目對旁通煙道進行了優(yōu)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(nèi)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(jù)混合溫度、煙氣流速等合理計算選取的。

2余熱發(fā)電設施運行狀況

2.1發(fā)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(fā)電機組的并網(wǎng)發(fā)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(diào)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(fā)電系統(tǒng)處于低負荷運行。

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，發(fā)電系統(tǒng)啟動需要4小時以上，影響發(fā)電系統(tǒng)的正常運行。

至2016年4月份以后，礦熱爐運行逐步穩(wěn)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(jié)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(chǎn)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(fā)電機組投產(chǎn)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(fā)電的思考和建議

3.1礦熱爐余熱發(fā)電設施節(jié)能效果顯著

在硅鐵生產(chǎn)中，電費約占生產(chǎn)成本的65%以上。礦熱爐企業(yè)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(jù)了解，目前國內(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(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施的運行參數(shù)，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(shù)，作為鍋爐等設施的設計依據(jù)，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?shù)V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(shù)據(jù)，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(yè)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(jié)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(fā)電設施

部分礦熱爐企業(yè)建設時并不規(guī)劃余熱發(fā)電設施，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，造成了部分浪費，鍋爐不能貼近礦熱爐就近布置，發(fā)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(yè)建設時同時配建余熱發(fā)電設施或者預留發(fā)電設施占地。

4結語

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(yōu)化設計均達到了應有的效果。

（3）回收電量達到10%，節(jié)能效果顯著。

（4）經(jīng)濟效益：7.5MW機組滿負荷生產(chǎn)，按1年8000小時計算，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)省標煤約0.7萬噸，減排二氧化碳約1.7萬噸， 在節(jié)能減排方面產(chǎn)生了良好的社會效益。

礦熱爐企業(yè)建設時同時應配建余熱發(fā)電設施或者預留發(fā)電設施占地，并在設計余熱發(fā)電設施時優(yōu)化相關設計，使余熱設施發(fā)揮最大的效能，可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會效益，為企業(yè)的節(jié)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(fā)電建設總結與發(fā)展前景[J].鐵合金，2013，44（01）：44-48.