工業(yè)硅冶煉行業(yè)礦熱爐廢氣余熱回收
該產(chǎn)品針對(duì)工業(yè)硅冶煉行業(yè)礦熱爐廢氣的特點(diǎn),將礦熱爐運(yùn)行中的熱能轉(zhuǎn)化為電能,可有效的減少礦熱爐生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣的能源消耗,具有顯著的節(jié)能效果。在礦熱爐廢氣余熱發(fā)電鍋爐開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中,創(chuàng)新采用組合式全水冷包覆雙室結(jié)構(gòu),全水冷包覆的“空腔”前室,空間大,充分利用輻射熱,適應(yīng)中高溫余熱煙氣的利用,且無(wú)積灰附著體,可防止高溫段爐內(nèi)積灰和結(jié)焦;所有通道為全水冷,爐壁溫度低,相對(duì)常規(guī)高壁溫框架式爐墻,不易積灰;組合式全水冷雙室結(jié)構(gòu),中間無(wú)常規(guī)鍋爐易積灰的過(guò)渡水平煙道,防止積灰,且鍋爐整體結(jié)構(gòu)更緊湊,占地面積小,鋼耗少。為防止低溫腐蝕的爐內(nèi)水循環(huán)系統(tǒng),該系統(tǒng)在爐內(nèi)布置可調(diào)節(jié)式低溫給水熱交換裝置,可隨變工況的煙氣條件,調(diào)節(jié)熱交換器的給水量,有效控制低溫?zé)煔舛喂軆?nèi)介質(zhì)的溫度,確保壁面溫度高于腐蝕溫度,有效防止低溫腐蝕。從而終有效確保了工業(yè)硅礦熱爐廢氣余熱發(fā)電鍋爐安全高效地運(yùn)行。
工業(yè)硅行業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)的重要組成部分,每年消耗大量能源,據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)平均每噸工業(yè)硅需要消耗13000kW/h電以上,全國(guó)年產(chǎn)100×104t工業(yè)硅需要耗電13×108kW/h以上。隨著中國(guó)逐步建立全社會(huì)的資源循環(huán)利用體系和節(jié)能減排工作的深入進(jìn)行,工業(yè)硅作為能耗大戶(hù),佘熱回收勢(shì)在必行。
工業(yè)熱爐煙氣余熱發(fā)電技術(shù)探討
為實(shí)施節(jié)能技術(shù)改造,佘熱回收—提高能源綜合效率,既是響應(yīng)國(guó)家號(hào)召,建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的客觀需要,也是企業(yè)降低成本,提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的需要。
發(fā)電綜合利用項(xiàng)目,對(duì)當(dāng)前工業(yè)硅爐煙氣余熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了研究和探討。
工業(yè)硅煙氣余熱特點(diǎn)
a)煙氣余熱屬于中溫余熱、廢氣流量較少,熱品位較低;
b)煙氣余熱的參數(shù)(溫度、流量)具有一定的波動(dòng)性,波動(dòng)范圍大;
c)煙氣中的硅灰(俗稱(chēng)硅微粉)極細(xì),有*粘附力和非常高的熱阻。受熱外管壁粘灰后會(huì)大大降低熱交換率。
煙氣余熱發(fā)電改造前狀況
自原工業(yè)硅廠2臺(tái)礦熱爐來(lái)的400℃~600℃高溫?zé)煔?,通過(guò)混風(fēng),達(dá)到降溫的目的。溫度降低到220℃~230℃后,首*入到雙效旋風(fēng)除塵器中,進(jìn)行*次除塵處理,除塵得到的煙塵(即SiO2粉)經(jīng)卸料機(jī)卸出,進(jìn)行包裝。經(jīng)過(guò)*次除塵處理的煙氣,在進(jìn)入風(fēng)機(jī)之前,通過(guò)向煙氣管到噴淋冷卻水,進(jìn)行二次降溫處理,經(jīng)冷卻水冷卻的煙塵溫度降低到180℃~200℃左右,通過(guò)引風(fēng)機(jī)進(jìn)入布袋除塵器,凈化后煙氣由除塵器上部排入大氣。目前這種煙氣處理方法,基本能滿(mǎn)足環(huán)保要求,但需耗費(fèi)大量電能和水資源,同時(shí)煙道的高溫?zé)煔獾臒崮軟](méi)有得到合理的利用造成熱能的浪費(fèi)。
余熱發(fā)電改造方案
余熱資源
高溫?zé)煔獾牧髁亢蜏囟葏?shù)決定了余熱電站的裝機(jī)方案,高溫?zé)煔獾臒焿m成分及其含量決定了余熱鍋爐的清灰方式。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),原工業(yè)硅廠2臺(tái)礦熱爐煙氣余熱參數(shù)如下:
煙氣總量:2×70000Nm3/h;
煙氣溫度:450℃;
煙氣成分單位N2H2OCO2O2
體積含量%772318
煙塵成分單位SiO2Al2O3Fe2O3CaO
體積含量%86~900.2~1.70.3~6.00.2~0.5
煙氣含塵量:7g/Nm3.
裝機(jī)方案
按目前成熟的余熱發(fā)電工藝,煙氣經(jīng)廢熱鍋爐利用后,溫度可從450℃降至200℃左右。根據(jù)熱力學(xué)公式,可以計(jì)算出每小時(shí)1臺(tái)礦熱爐可利用的煙氣余熱量為2415×104kJ/h.
根據(jù)設(shè)計(jì)及工程實(shí)施的數(shù)據(jù)及工程經(jīng)驗(yàn),余熱鍋爐對(duì)余熱的利用效率90%,發(fā)電機(jī)組的效率為40%.本項(xiàng)目計(jì)算取余熱鍋爐80%的能效,取發(fā)電機(jī)組的能效40%.則2臺(tái)礦熱爐產(chǎn)生煙氣的計(jì)算余熱發(fā)電平均功率為4293kW.考慮到余熱發(fā)電受礦熱爐工況影響較大,煙氣溫度和流量等參數(shù)具有一定的波動(dòng)性,且波動(dòng)范圍較大等因素,本項(xiàng)目確定裝機(jī)方案2×8t/h硅業(yè)煙氣余熱鍋爐1×3MW純凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。三大主機(jī)主要參數(shù)如下:
工藝流程
利用硅廠工業(yè)硅礦熱爐高溫?zé)煔膺M(jìn)行回收用于發(fā)電,達(dá)到節(jié)能減排、綜合利用、保護(hù)環(huán)境的目的[3].煉硅產(chǎn)生的高溫余熱煙氣經(jīng)煙道送入余熱鍋爐經(jīng)過(guò)換熱后,產(chǎn)生的高溫高壓蒸氣推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電,高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐吸熱降溫后,再進(jìn)入原有除塵器,經(jīng)除塵后排放。發(fā)電機(jī)所發(fā)電能通過(guò)升壓變壓器升壓后接入硅爐35kV配電裝置母線(xiàn),余熱電站與現(xiàn)有電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行,運(yùn)行方式為并網(wǎng)不上網(wǎng)。在不改變?cè)泄╇娂斑\(yùn)行方式的前提下,發(fā)電機(jī)發(fā)出的電量將全部用于全廠負(fù)荷。
按照煙氣余熱發(fā)電方案,已經(jīng)被利用過(guò)的煙氣從余熱鍋爐出來(lái)后,溫度仍然有200℃,由于溫度較低,其熱能品位降低,利用難度加大。為充分利用好能源,提高能源利用效率,根據(jù)煙氣余熱梯級(jí)利用原理,其熱量可以被用來(lái)產(chǎn)生余熱鍋爐補(bǔ)汽。但是從補(bǔ)汽鍋爐出來(lái)的煙氣溫度仍然有150℃左右,這部分煙氣仍包含熱量,對(duì)此,這部分熱量可以用來(lái)產(chǎn)生熱水用于洗澡用,然后被冷卻到120℃以下的煙氣可以符合標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)入布袋除塵器進(jìn)行處理。
該方案從能源利用與工藝角度來(lái)講,它能源利用比較充分,能源利用率高,出口煙氣溫度能立即達(dá)到布袋塵除塵器的要求,不需要另外投資降溫裝置,工藝配合性好。
余熱發(fā)電技術(shù)改造重點(diǎn)和難點(diǎn)
煙氣參數(shù)測(cè)量
余熱電站能否到達(dá)設(shè)計(jì)要求的額定出力,能否取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益,高溫余熱煙氣的流量、溫度等參數(shù)起到至關(guān)重要的作用。根據(jù)實(shí)際調(diào)研,并結(jié)合工業(yè)硅生產(chǎn)行業(yè)目前普遍的發(fā)展水平,大多數(shù)工業(yè)硅廠不能提供煙氣監(jiān)測(cè)參數(shù),在原工廠建設(shè)時(shí)也沒(méi)有考慮預(yù)留煙氣監(jiān)測(cè)接口,而現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)硅爐處于全天24小時(shí)不間斷生產(chǎn)狀態(tài),要實(shí)時(shí)的測(cè)量煙道的高溫?zé)煔鈪?shù),需要面臨現(xiàn)場(chǎng)高溫帶電作業(yè)、高空墜落等危險(xiǎn)因素的考驗(yàn)。但若不測(cè)量煙氣參數(shù),則設(shè)計(jì)無(wú)重要原則性輸入的支撐。因此,建議委托專(zhuān)業(yè)的熱工測(cè)量隊(duì)伍,依托專(zhuān)業(yè)的測(cè)量技術(shù)和專(zhuān)業(yè)儀器設(shè)備,采取有效的安全防范措施和手段,對(duì)余熱煙氣參數(shù)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,以取得直接的原始設(shè)計(jì)參數(shù)。
總平面布置
工業(yè)硅高溫余熱煙氣發(fā)電綜合利用均在原有硅廠廠區(qū)內(nèi)依托原有高溫?zé)煹肋M(jìn)行技術(shù)改造,新增汽機(jī)房、余熱鍋爐、冷卻塔、主變壓器等設(shè)施。而根據(jù)調(diào)研,大多數(shù)工業(yè)硅廠的現(xiàn)狀是建設(shè)時(shí)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃,廠區(qū)內(nèi)管線(xiàn)縱橫交錯(cuò),能有效利用的場(chǎng)地較少,且普遍存在原有建構(gòu)筑物缺少或遺失原始土建或工藝設(shè)計(jì)資料的情況。因此,如何利用有限的場(chǎng)地資源合理布置分區(qū),即節(jié)約用地、合理利用地形、方便集中管理,又保證縮短管線(xiàn)、工藝系統(tǒng)布局走向合理;既要滿(mǎn)足項(xiàng)目的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性要求,又要滿(mǎn)足項(xiàng)目施工及投產(chǎn)后的安全性要求,是擺在設(shè)計(jì)面前的一個(gè)重大課題。建議如果能夠收集到與余熱發(fā)電綜合利用工程相關(guān)的原廠建構(gòu)筑物及其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原始資料,在確保安全、可靠、經(jīng)濟(jì)并有利于總平面優(yōu)化布置的前提下,經(jīng)過(guò)和業(yè)主的充分溝通,征得業(yè)主同意的前提下,可以考慮利用原廠即有的一些設(shè)備支吊架、廠區(qū)管架進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。否則,從安全可靠的角度出發(fā),余熱電站的設(shè)備支吊架等建構(gòu)筑物應(yīng)全部考慮新建,不應(yīng)與原廠建構(gòu)筑物發(fā)生,但這同時(shí)對(duì)余熱電站總圖的優(yōu)化布置提出了更高的要求。
鍋爐清灰方式選擇
余熱鍋爐為本工程關(guān)鍵設(shè)備之一,工業(yè)硅余熱鍋爐的難點(diǎn)在于:工業(yè)硅礦熱爐煙氣中的SiO2極細(xì),其微小的顆粒被稱(chēng)為硅微粉。硅微粉的平均粒徑200nm~400nm,粉塵壁表面積20m2/g(極易產(chǎn)生靜電、極易吸附而且隔熱性能非常好),其煙氣中硅微粉塵含量在灰5g/Nm3~7g/Nm3(濃度較高),粉塵堆積密度:0.18t/m3(特輕);其具有*的粘附力,和非常高的阻熱、隔熱力。如果硅微粉清理不凈,鍋爐很難正常運(yùn)行,進(jìn)而將直接影響機(jī)組的*穩(wěn)定運(yùn)行能力及發(fā)電量的大小。
據(jù)調(diào)查了解,余熱鍋爐受熱面有螺旋鰭片管、光管、針形管等主要形式,而余熱鍋爐除灰有蒸汽吹灰、激波吹灰、機(jī)械振打清灰、鋼刷除灰、乙炔爆燃除灰等形式,余熱鍋爐清灰是否*和干凈,既和鍋爐受熱面的形式息息相關(guān),又和鍋爐清灰的方式密切。只有選擇了合適的受熱面形式和與之相適應(yīng)的清灰方式,才能有效解決余熱鍋爐的積灰問(wèn)題。根據(jù)調(diào)查了解到的目前一些余熱鍋爐生產(chǎn)廠家的情況,通過(guò)對(duì)一些硅鐵余熱發(fā)電廠運(yùn)營(yíng)情況的調(diào)查,考慮到螺旋鰭片管因自身結(jié)構(gòu)原因,對(duì)硅微粉積灰很難清理。硅微粉有很強(qiáng)的粘結(jié)性,遇水或水蒸汽更容易粘結(jié)。激波吹灰能量相對(duì)較低,對(duì)吸附性*的硅微粉的清除比較困難。采用光管機(jī)械擦刷式清灰方式,清灰效果雖然較好,但是在滿(mǎn)足總圖緊湊布置要求的情況下將增加工程土建投資。
綜合考慮,在本工程中,選擇了針形管受熱面乙炔(C2H2)爆燃除灰方式的余熱鍋爐。建議在類(lèi)似項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中,應(yīng)加大收資力度,通過(guò)調(diào)查走訪,多了解目前余熱鍋爐廠主要的受熱面形式和清灰方式組合,尤其要多調(diào)查了解已有的余熱電站運(yùn)行情況,對(duì)余熱鍋爐實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行分析比較,再結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際煙氣參數(shù)情況,選擇合適的余熱發(fā)電鍋爐。
余熱發(fā)電綜合利用能耗及環(huán)保效益
工業(yè)硅生產(chǎn)是高能耗行業(yè),無(wú)論從國(guó)家節(jié)能降耗政策,還是企業(yè)自身發(fā)展的需要,采用*節(jié)能技術(shù),大幅度降低消耗和生產(chǎn)成本,消除安全隱患,是生產(chǎn)企業(yè)目前迫切需要解決的問(wèn)題。該余熱發(fā)電綜合利用項(xiàng)目成功實(shí)施,可以對(duì)企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)用能進(jìn)行優(yōu)化,提高能源利用效率,對(duì)降低企業(yè)產(chǎn)品成本,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗,增強(qiáng)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力具有重要意義。同時(shí)也為地區(qū)行業(yè)內(nèi)規(guī)模化開(kāi)展節(jié)能減排、綜合利用工作起到積極示范和推動(dòng)作用。