硅铁矿热炉余热发电优化设计、运行分析及建议

苗建涛

摘 要：矿热炉生产工艺中，会耗费大量的电能，而排放大量的废气余热，其热量约占系统总能耗量的40%左右，进一步充分利用这些中、低品位的余热是节能降耗、减少温室气体排放的关键。

关键词：矿热炉；余热发电；优化设计；分析；建议

引言

宁夏昌茂祥冶炼有限公司现有2台36MVA硅铁矿热炉，矿热炉投产时并未设置余热发电设施，北京动力源公司作为投资方，以EMC方式运作余热发电设施工程，委托我公司进行设计。

笔者作为本工程的项目经理及工艺专业负责人参与了本工程的设计工作。

本文介绍了宁夏工程余热回收设施的主要配置、主机设备、工艺流程等设计内容，并在一定基础上对工程进行了大量的优化及创新。通过实际运行情况，对设计及运行中出现的问题进行了相应的分析和建议，为今后类似工程的设计提供了经验。

建议矿热炉企业建设时同时配建余热发电设施或者预留发电设施占地，优化余热发电设施的相关设计，使之发挥最大的效能，可产生良好的经济效益和社会效益，为企业的节能减排做出更大的贡献。

1绪论

矿热炉生产工艺中，会耗费大量的电能，而排放大量的废气余热，其热量约占系统总能耗量的40%左右，进一步充分利用这些中、低品位的余热是节能降耗、减少温室气体排放的关键。

宁夏昌茂祥冶炼有限公司现有2台36MVA硅铁矿热炉，矿热炉投产时并未设置余热发电设施，北京动力源公司作为投资方，以EMC方式运作余热发电设施工程，委托我公司进行设计。

笔者作为本工程的项目经理及工艺专业负责人参与了本工程的设计工作。本着回收最大化的目的，结合烟气流量、温度等实际参数，并在设计过程中进行了大量的优化及创新，最终使本工程成为了矿热炉行业余热发电方面一个极为成功的范例。

项目投产后，运行稳定，回收电能约10%，产生了大量的经济效益和社会效益，证明了在硅铁、锰铁、镍铁等矿热炉冶炼企业设置余热发电设施是可行的，也是必要的。

本文也对运行后所遇到问题进行了分析，并提出了相应的建议，以期对以后类似的工程提供经验。

1宁夏昌茂祥硅铁矿热炉余热发电设施

1.1硅铁矿热炉工艺流程及可利用余热概况

硅铁生产以硅石、兰炭和钢屑为主要原料，按照工艺给定的比例进行计量、混料后，布入炉内。

在半密闭矿热炉冶炼硅铁中，每还原一个Si，生成二个CO，生成的一氧化碳在料面与混入的空气燃烧，形成高温烟气。

宁夏昌茂祥冶炼有限公司现有2台36MVA硅铁矿热炉，可利用本工程2台矿热炉的高温烟气作為余热发电热源。

烟气经烟道进入余热锅炉汽水热交换，产生的蒸气推动汽轮发电机组发电，电经升压并网送回矿热炉自用。经余热锅炉热交换冷却的烟气，进入布袋除尘器净化后通过烟囱排入大气。

1.2余热发电设施

根据矿热炉烟气可利用热量，结合现场实际情况，笔者组织项目团队进行了从初步设计到施工图阶段的设计工作。决定本工程建设2台18t/h的中温低压余热锅炉（主蒸汽参数：P=2.0MPa，T=450℃）、1台7.5MW汽轮机及1台9MW发电机电机。

1.3余热发电的工艺流程

1.3.1烟气工艺流程

烟气管道分别从矿热炉3个烟气出口接出，管径为DN2000，至锅炉前汇总为1根DN3000管道，烟气从锅炉的上部水平引入，水平引出。低温烟气通过除尘风机，经过布袋除尘器引入烟囱。另外设置旁路系统，并在旁路管道上设置冷却空气入口，当锅炉故障时，可通过旁路系统将烟气冷却后送至除尘器及烟囱，可保证高温烟气不对空排放或者烧坏除尘器。如图1所示：

1.3.2汽水工艺流程

2台锅炉产生的中温低压主蒸汽汇总为1个蒸汽母管，直径为D159×6，材质取15CrMoG，管道通过外管网架空敷设至汽轮机主厂房，进入汽轮机，进而驱动发电机发电。

做完功的蒸汽进入凝汽器，由循环水系统将蒸汽冷却为凝结水，然后由凝结水泵送至真空除氧器除氧后，经锅炉给水泵送至锅炉，加热以产生蒸汽，再进入汽轮机组发电，以此完成汽、水、电的转换。

1.4余热发电工程的优化设计

1.4.1高温烟道保温方式的优化

由于硅铁矿热炉烟气温度较高，可达到400～600℃，普通的碳钢管耐温350℃，已无法正常使用。一般的解决办法不外乎以下几种：采用耐高温的合金钢，投资太大；采用水冷结构，需增设循环泵，消耗电能，结构复杂而不稳定。

本工程通过技术优化，采用管道内保温，将耐高温的保温层设置在碳钢管道内部，利用热传导计算，通过调整保温厚度，使不同管径的烟气管道金属内壁温度均保持在300℃以内，既不浪费热量，又大大降低了管道造价，并保证了烟气管道及余热发电系统的稳定性。

1.4.2电站布置的优化

锅炉与矿热炉对应，布置在矿热炉附近，主汽管道通过架空支架敷设至发电站厂房，减少了烟气等大管道的投资费用。

以往工程，汽机主厂房运转层较多采用大平台式布置，投资较大，并对下层空间采光造成一定影响。本工程运转层采用岛式布置，在减少投资的基础上，提高各下层空间的采光，改善了电站的劳动条件。为土建厂房投资节省了50多万元。

1.4.3旁通烟道优化

锅炉事故时，烟气不能直接排放，需设置旁通烟道，烟气经过已有布袋除尘器除尘后排至烟囱，而除尘器耐温200℃，则高达600多度的烟气需降温后才能排至除尘器。常规利用喷水降温等很不经济。

本项目对旁通烟道进行了优化设计：在旁通管路上设置一个自动喷吹冷风管道，喷冷风管道上设置气动挡板，控制冷空气混入，在管路进入除尘器之前设置远传温度测点，当温度高于200℃时，自动控制挡板打开，利用管道内部的负压，自动混入冷空气，烟气低于200℃，控制混气挡板关闭，以此保证除尘器不被高温损坏。 而自动喷吹冷风管道管径是根据混合温度、烟气流速等合理计算选取的。

2余热发电设施运行状况

2.1发电负荷受矿热炉运行影响较大

项目于2015年5月开始建设，当年12月8日顺利完成发电机组的并网发电，负荷为4000KW左右波动，低于预期效果，分析原因如下：

矿热炉由于矿热炉调试原因，负荷长期较低，出口烟气温度太低，低于350℃，负荷基本维持在20MVA，相应使锅炉入口烟气流量及温度均无法达到设计值，发电系统处于低负荷运行。

另外，矿热炉停炉事故经常发生，且每次矿热炉停炉1小时，发电系统启动需要4小时以上，影响发电系统的正常运行。

至2016年4月份以后，矿热炉运行逐步稳定，电站负荷基本可到达到7.5MW左右，完全满足设计要求。

2.2真空除氧器起到了节能的要求

设计中采用了真空除氧器，锅炉给水温度为40℃左右，较低的锅炉进水温度有效地降低了锅炉出口烟温，对于保护后序布袋除尘器起到了良好的作用，另外又降低了排烟能量损失。实践证明对于不含硫等可产生腐蚀气体的余热锅炉，不需要设置额外消耗蒸汽的热力除氧器，采用同样满足除氧效果的真空除氧器，可到达少耗蒸汽、降低锅炉排烟温度、提高机组效率的目的。

2.3旁通烟道自动喷吹冷风装置取得了良好的效果

锅炉及发电机组投产前，旁通烟道需要提前投入使用，针对于较高的排烟温度，自动喷吹冷风装置需投用，才不至于烧坏布袋除尘器。

实践证明，每次当布袋除尘器前排烟温度高于200℃时，自动喷吹装置均可以自动投入使用，依靠管道的负压，使空气可以顺利喷入管道，达到降低烟气温度的目的。

在后期的锅炉故障时，旁通管道及自动喷吹冷风装置同样达到了预期的效果。

3硅铁矿热炉余热发电的思考和建议

3.1矿热炉余热发电设施节能效果显著

在硅铁生产中，电费约占生产成本的65%以上。矿热炉企业是名副其实的耗电大户，而对于余热的回收，像挪威等技术成熟的国家，电量回收率可以达到13%，甚至更高，我国在矿热炉运行及余熱回收技术方面起步比较晚，目前回收率接近10%，如果运行良好，效益同样客观。

据了解，目前国内的硅铁、锰铁、镍铁等铁合金企业大部分都在考虑新增余热发电设施，以降低运行成本。

3.2应提高矿热炉的运行技术以使余热发电节能效果更好

由于矿热炉的烟气量及烟气温度基本决定了余热设施的运行参数，故在建设时，一定提供尽量准确的烟气温度、流量、烟气成分、尾气的露点温度等重要参数，作为锅炉等设施的设计依据，使余热设施设计时就比较靠近正常值。

另外，矿热炉的运行好坏也基本上决定了余热回收的效果，事实证明，当矿热炉炉门开得过大，漏入空气过多时，大量低温、大流量的烟气会使锅炉的效率达不到额定数据，而炉体密封效果好，炉门及工作人孔设计合理、风机设置变频的矿热炉均会达到良好的效果。

这就要求矿热炉企业提高矿热炉设计及运行技术，在工艺提高的前提下可以回收更多的电能，以达到节能降耗的目的。

3.3矿热炉实施前最好同时设计或预留余热发电设施

部分矿热炉企业建设时并不规划余热发电设施，而是等矿热炉投产后，由投资企业以EMC等方式融资建设，造成了部分浪费，锅炉不能贴近矿热炉就近布置，发电机组也同样需要布置在较远的位置，这就需要增加烟气管道、汽水管道的长度，造成了占地及布置的不合理、大量管道等设备及材料的投资增加、长距离管道输送的能源浪费。

建议以后矿热炉企业建设时同时配建余热发电设施或者预留发电设施占地。

4结语

宁夏昌茂祥余热发电工程已顺利发电并网，并随着矿热炉运行的成熟达到了额定负荷，完成了以下预期目标：

（1）解决了矿热炉高温烟气的排放问题。

（2）各项优化设计均达到了应有的效果。

（3）回收电量达到10%，节能效果显著。

（4）经济效益：7.5MW机组满负荷生产，按1年8000小时计算，年发电量0.6亿KW.h，节省冶炼成本约0.3亿元。

（5）社会效益：矿热炉产生的烟气热量可以得到合理回收，年节省标煤约0.7万吨，减排二氧化碳约1.7万吨， 在节能减排方面产生了良好的社会效益。

矿热炉企业建设时同时应配建余热发电设施或者预留发电设施占地，并在设计余热发电设施时优化相关设计，使余热设施发挥最大的效能，可产生良好的经济效益和社会效益，为企业的节能减排做出更大的贡献。

参考文献

[1]陈奇源.铁合金矿热炉余热发电建设总结与发展前景[J].铁合金，2013，44（01）：44-48.