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铁合金高效余热发电技术及应用 腾达西北铁合金有限责任公司矿热炉余热发电项目介绍 铁合金高效余热发电技术及应用一、 前言： 铁合金属于高耗能行业，其冶炼耗能已超过全国工业能耗的2。目前，我国能源生产的增长速度还难以适应国民经济发展的要求，能源价格仍呈上升趋势，能源费用占企业生产总成本30以上，铁合金企业面临着不小的挑战。利用好铁合金生产过程中的大量余热，将是保障铁合金工业健康发展的有力手段。铁合金行业中又以硅铁生产的能耗最为突出，虽然硅铁生产的产量只约占铁合金总量的1/3，但其消耗的电能却占整个铁合金工业的一半以上。所以本文以硅铁冶炼的余热发电利用作为重点进行论述。在硅铁冶炼过程中，输入电炉能量的45%为电能，其余的大部分来自于冶炼化学反应。可以利用的能量主要有电炉尾气的显热和合金显热。硅铁电炉烟气中大量热能（大约为总输入热量的50%）如果不利用将被烟气带走排入大气。当前，节能减排已成为我国的基本国策，而铁合金、电石、水泥行业又正是典型的高能耗行业，在这些行业里推广余热回收发电技术有利于降低企业能耗，提高能源利用效率。国家对铁合金行业的电价优惠全部取消后，2010年发改委下达文件，自6月1日起，将限制类企业执行的电价加价标准由现行每千瓦时0.05元提高到0.10元，淘汰类企业执行的电价加价标准由现行每千瓦时0.20元提高到0.30元，今年国家会制定科学的节能减排方法，将继续执行差别电价，设备先进的、能耗低的给予优惠政策，能耗高的，节能减排不达标的实行惩罚性上涨电价等，在用电成本增加的情况下，铁合金、电石、水泥等企业余热回收发电项目的投资回收期将进一步缩短，高效余热发电技术将会有更好的发展前景。二、 技术发展趋势近几年，我国铁合金工业迅猛发展，产能和产量快速增长，我国已成为世界第一铁合金生产、消费和出口大国。同时，我国的铁合金生产设备更新换代步伐也在加快，装备技术正向大型化和自动化发展，涌现出的一批新工艺对铁合金工业发展起到了很大推动作用。尽管如此，我国铁合金工业运行和发展中仍存在一些亟待解决的突出矛盾和问题，如生产能力过剩、工艺装备技术落后、产业集中度偏低等。国家有关部门多次出台铁合金行业相关政策，以淘汰落后产能、节能减排、调整结构为发展重点。在铁合金生产过程中，会产生大量余热。鉴于铁合金生产过程工艺比较成熟，对生产过程中产生余热加以利用，将成为铁合金工艺节能的主要研究方向之一。硅铁是以焦炭、钢屑、石英（或硅石）为原料，用电炉冶炼制成的。生产一吨硅铁电能消耗约为：8400-9000kwh/t。铁合金企业常用的废气余热利用方式归纳起来主要有以下几种：1. 使用换热器；2. 余热锅炉；3. 余热发电(热电联产)；4. 余热制冷。由于国家对限制类和淘汰类企业执行电价加价政策，甚至拉闸限电，加上国内能源紧张电价一直呈上涨趋势，铁合金企业采用废气余热发电的方式成为首选。硅铁矿热炉烟气余热发电的核心技术包括：1. 余热锅炉进出口烟气参数的确定；2. 余热电站热力系统及参数的确定；3. 余热锅炉的清灰技术的确定；4. 余热锅炉的高效换热技术的确定；根据铁合金矿热炉不同形式，余热发电热力系统可以考虑采用单压余热发电、双压余热发电、闪蒸余热发电、中温中压余热发电、联合循环余热发电等技术。硅铁电炉烟气中的硅灰（sio）：极细，其微小的颗粒被称为硅微粉，平均粒径0.15-0.20m，比表面积为15000-20000m2/Kg，具有极强的表面活性，对于余热锅炉受热面其有着极强粘附力和非常高的热阻。受热外管壁粘灰后大大降低了热交换率，这是一个非常棘手的问题。锅炉受热面清灰方式包括：钢珠清灰、机械振打、激波、燃气爆燃等等。无论采用哪种余热发电热力系统和清灰方式，首先需要考虑在同规模矿热炉或同等的余热条件下，选择余热转换为电能效率最高的技术，即选择余热发电站的余热发电效率最高的技术。目前的几项应用技术指标比较见表1：表1 硅铁合金矿热炉余热发电技术比较表企业名称硅铁矿热炉炉容量单台电炉烟气量万Nm3/h废气温度配余热锅炉发电装机容量（MW）清灰方式/锅炉结构青海百通硅铁厂3x12500KVA约370-4301*3机械刷灰加激波/锅炉非自带除氧器鄂尔多斯冶金有限责任公司8x25000KVA12约370-430（两台电炉配一台锅炉）产汽量：18.5t/h,1.35MPa，t=340排烟温度大于1502*9机械振打为主，燃气爆燃为辅/真空除氧青海物通集团实业有限公司2*14000kVA400-850排烟温度大于1501*3机械钢刷腾达西北铁合金有限责任公司一期2x25000KVA12-14（实际9）430-480（实际330-470）（单台电炉配一台锅炉）产汽量：16.5t/h,2.0MPa，t=40010（实际约380）排烟温度：150（实际排烟温度：134）1*7.5(实际运行约5-6MW)钢珠清灰/立式余热锅炉自带除氧器腾达西北铁合金有限责任公司二期4x25000KVA12-14（实际11）430-480（实际360-480）（单台电炉配一台锅炉）产汽量：16.5t/h,2.0MPa，t=40010（实际约380）排烟温度：150（实际排烟温度：134）1*15(实际运行约11-12MW)钢珠清灰/立式余热锅炉自带除氧器从以上的工程业绩比较，我们可以看出：采用立式余热锅炉自带除氧器，钢珠清灰的技术指标具有明显的优势，单位硅铁合金产量所对应的发电量最高。自带除氧器可以明显降低余热发电锅炉的排烟温度，因为在锅炉尾部设置了除氧加热器受热面，充分利用锅炉尾部余热加热进行自除氧。除氧的热源基本来自于锅炉尾部的除氧器加热器，钢珠清灰可以长期有效清除锅炉受热面表面的积灰，保持了受热面良好的传热效果（也有助于降低排烟温度）。硅铁电炉烟气中的硅微粉极细，有极强粘附力和非常高的热阻，受热外管壁粘灰后大大降低了热交换率，采用小钢珠定期下落清灰的方式，可以很好的解决此问题：钢珠清灰被最早开发硅铁矿热炉余热发电的国外同行以及国内多年的实践所公认的最有效、最长期可靠的清灰方式，其耐高温和连续清灰的功能，为确保锅炉受热面的传热效果奠定了可靠的技术基础，这从锅炉的排烟温度能够维持在130-140，而锅炉漏风率又维持在极低的水平可以判断，锅炉排烟温度的降低意味着锅炉的余热利用效率最大化。三、 设备配置及工艺流程简介本文以腾达西北铁合金有限责任公司硅铁矿热炉余热发电一期、二期工程为例，介绍一种高效硅铁合金余热发电技术的应用情况。项目位于甘青交界的甘肃省兰州市永登县连城镇境内，本余热发电工程规模为一台15MW发电机和一台7.5MW发电机，项目于2009年12月开工，一期工程于2010年12月投产发电，二期工程于2011年04月投产发电，运行稳定正常，不影响主工艺生产的产量和质量，测试结果表明本项目达到了设计的技术指标，经济和社会及环保效益显著，深受业主好评。业主2009年拥有2套25MVA节能型矿热炉，电炉冶炼生产中产生430480的高温含尘烟气，经过管式空气冷却器、火花捕集器、布袋除尘器后，通过引风机排出烟囱。2009年腾达西北铁合金有限责任公司建设了4套节能型矿热炉，冶炼过程同样存在着大量430480的高温含尘烟气需要排放。本项目利用2套25MVA的矿热炉以及在建的4套25MVA的矿热炉进行余热废气利用，每台矿热炉配置1套16.5t/h的单压余热锅炉。其中已有的2套矿热炉对应的2台余热锅炉配置1套7.5MW的低压纯凝汽式汽轮发电机组，其作为该电站工程的一期。当时在建的4套矿热炉对应的4台余热锅炉配置1套15MW的低压纯凝汽式汽轮发电机组，其作为该电站工程的二期。该项目通过对烟气产生机理、灰的性质研究，确定了烟气中气相成分、固相成分以及烟气对锅炉系统的影响。采用可隔离多通道锅炉系统，以确保锅炉的运转率相对电炉达98%以上，基本保证锅炉满足电炉运行工艺系统能连续运行。采用钢珠清灰系统；结构采用占地少便于连续清灰的立式结构，同时符合电炉上部高温烟气引出，下部低温烟气引出除尘的要求。余热锅炉烟气设计数据如下表1-1：表2 余热锅炉进口烟气设计参数汇总表序号项 目单位矿热炉备注1矿热炉25MVA台62废气量（单台）Nm3/h120000140000实际运行90000-1100002废气温度430480实际运行360-480360-4803入口废气含尘浓度g/Nm34.55.5 4灰尘成份（主要）二氧化硅本项目6台25MVA矿热炉生产线，每台矿热炉各配一台引风机及反引风机，冷风和矿料换热后变为430480的热烟气，通过旋风除尘器和布袋除尘器之后排向大气，造成热量大量浪费。在每台矿热炉和尾部旋风除尘器之间烟道上设置1台余热锅炉，吸收矿热炉排出的高温废烟气废热，产生过热蒸汽，驱动凝汽式汽轮发电机组发电。本项目在余热锅炉进口烟道上设置1套电动挡板门，以利于余热热回收系统故障时随时隔离余热回收系统，使废烟气通过旁路直接排入大气，以保证矿热炉生产的正常进行。根据硅铁矿热炉的烟气温度及流量，以及烟气成分分析，通过设计计算，确定机组的主要技术参数如下： 余热锅炉数量： 6台。其中单台锅炉设计参数如下：额定工况：额定入口烟气量13x104Nm3/h入口烟气温度450额定蒸发量16.5t/h（30110%）额定蒸汽温度40010额定蒸汽压力2.0MPa（g）锅筒工作压力2.2MPa(g)给水温度40排烟温度140锅炉设计热效率（锅炉余热利用效率）66额定工况烟气侧阻力1600Pa最大烟气侧阻力2500Pa 汽轮机一期：汽轮机型号N6-1.9-390汽轮机形式凝汽式数量1 台汽机额定功率6MW主蒸汽压力1.9MPa(A)主蒸汽温度390进汽量33t/h排汽压力7kPa（A）二期：汽轮机型号N12-1.9-390汽轮机形式凝汽式数量1 台汽机额定功率12MW主蒸汽压力1.9MPa(A)主蒸汽温度390进汽量65t/h排汽压力7kPa（A） 汽轮发电机 一期：型号QFW-7.5-2数量1 台铭牌额定功率7.5MW效率97额定电压6.3kV二期：型号QFW-15-2数量1 台铭牌额定功率15MW效率97额定电压6.3kV本工程为余热利用发电，锅炉为单压余热锅炉。9浙江西子联合工程有限公司表3主要技术经济指标表序号项 目单 位一期额定工况二期额定工况1锅炉出口蒸汽量t/h33662汽机进汽量t/h32.0164.023汽轮发电机组发电量kW6870137604厂用电量kW57011305电厂供电量kW6300126306厂用电率%8.38.27电厂供电标煤耗率g/kW.h3803808年运行小时数h800080009电厂年供热用户总热量104GJ/a0.00.010电厂年供电量106kW.h50.410111电厂年总标煤耗量t/a1915238380四、 关键技术归纳总结 1. 锅炉内部清灰系统采用具国际先进水平的钢珠清灰系统，安全可靠，能够避免硅微粉附着在受热面，真正实现了耐高温连续清灰，锅炉排烟温度仅130-140，锅炉的余热利用效率高。其它清灰技术由于间断清灰，耐高温能力差，造成锅炉受热面传热效果下降，锅炉排烟温度升高，锅炉的余热利用效率下降。2. 锅炉采用立式结构，自带除氧器，便于在狭小的区域内加装或改造余热回收系统，系统集成度高，占地小。3. 本工程锅炉自带除氧器，除氧器系统为锅炉热力系统一部分。汽轮机凝结水进入除氧器除氧，自带除氧器可以明显降低余热发电锅炉的排烟温度，因为在锅炉尾部设置了除氧加热器受热面，充分利用锅炉尾部余热加热进行自除氧，而锅炉的余热利用效率与锅炉排烟温度呈反比。4. 锅炉密封性能很好，漏风率很低，不同于其它技术：锅炉本体设计问题或有动静结合部分，漏风率较高。5. 针对硅铁矿热炉喂料、捣炉时烟温波动大，流量、温度偏低的情况，采用滑压凝汽式汽轮发电系统,两套炉以上配套滑压凝汽式汽轮发电系统，充分稳定地利用电炉废热能源，以获得最高的余热回收效率。6. 烟道、锅炉受热面采用高强度材料，防磨、防止积灰，设备运行可靠性高，整套余热发电设备使用寿命为30年以上。7. 余热发电系统厂用电率不超过9%。五、 结束语本项目的节能、环保效益明显，本工程的余热发电机组额