金属硅余能回收经济性分析.doc

金属硅冶炼炉余能回收技术方案设计及经济性分析*摘要：针对某厂-金属硅冶炼炉现有工艺及运行情况，设计通过回收炉膛辐射热及排气余热的热能回收方案以提高冶炼炉的整体能源利用效率，并对该能量回收方案进行经济性分析。结果表明，该方案解决了原有炉子能源利用效率不高的问题，具有明显的节能减排成效：可减少窑炉排气对环境的污染；10年内预期收益-万元，设备投资成本回收期不到-年。关键词：金属硅冶炼炉；烟气余热；回收；热管；锅炉；设计；0 引言金属硅是太阳能光伏发电产业的核心材料。金属硅的生产工艺是通过把精煤、木炭、硅石等原料投入电弧炉中，通过电弧放电提供瞬间高温，将二氧化硅融化，以碳或石墨使之还原而成。金属硅的生产是高能耗行业。我国金属硅多年来一直处于作坊式生产状态，存在有规模小、能耗大、生产无序、效益低下等问题。目前，我国企业生产每吨金属硅的平均耗电量在13000KWh以上；而国外先进企业的电耗水平仅为11000KWh左右；我国金属硅生产的电耗比国外先进水平高出了1020%，节能潜力巨大1！导致我国金属硅生产能耗较高的主要原因是我国工业硅冶炼炉的热能利用率普遍较低。当前，我国金属硅冶炼企业大多通过人工配料，采用炉膛敞开式的电弧炉来冶炼金属硅。在电弧炉进行的还原反应过程中，有大量的热能通过辐射和对流的方式从炉膛敞开处直接散失到了周围大气中；另外，冶炼反应产物CO等可燃气体也通过自然引流的方式从冶炼炉的烟囱直接排入到大气中，其携带的化学能也未能得到有效利用，致使硅冶炼炉系统整体的热能利用率低下。据测算，目前我国中小容量工业硅炉的热能利用率一般仅在50%65%左右2。因此，设计开发一款硅冶炼炉余能回收装置，以回收硅冶炼反应生成气体CO的载热能及其携带的化学能，在保护电极和不影响冶炼工艺的基础上，通过布置辐射受热面和热管式余热锅炉回收硅冶炼炉的排气余能并进行发电利用，实现金属硅冶炼过程的能源综合利用和节能减排，具有广阔的市场应用前景。-1. 硅矿热炉的热能回收方案设计简介针对某厂的-硅冶炼炉子的工艺流程及实际运行情况，确定相关设计参数1.1 硅炉的原材料及能源消耗情况简介根据工艺运行现况，某-硅冶炼炉平均每-小时生产一吨硅；其生产一吨硅需要消耗电能-KWh,折合热能约为-MJ；该硅炉生产-吨金属硅的原料消耗情况见表1所示。表1 吨硅的原料消耗石油焦精煤电极木屑硅矿石AtBtCtDtEt1.2 烟气排放量测算 金属硅冶炼炉用碳棒做电极，产生的高温电弧使原料中的碳跟二氧化硅发生还原反应，置换出硅。为使烟气流通，缓解炉膛压力，降低电极温度，通常采用自然通风或者使用鼓风机（引风机）强制通风。根据通风量的不同，可以控制排放烟气的温度及其排放量。根据现场实测数据，结合理论分析计算，计算出不同排烟温度下的烟气量如下表2所示。表 2 硅炉在不同排烟温度下的烟气排放量烟气温度/300400500烟气量/ mXX X每小时烟气量/ m/hXX X 1.3 能量回收方案设计设计采用在冶炼炉内布置辐射受热面和在硅炉烟气出口处布置热交换器以回收系统热能，通过余热锅炉产生热蒸汽以推动汽轮机组做功，并带动发电机组发电，最终把回收的热能转化为电能。 1.3.1 炉内受热面布置查阅国内不同型号3200KVA硅冶炼资料并结合现场实测，得知该型硅炉的炉膛净空区高度在X之间，净空区直径Xm，可布置受热面约为X，实际设计受热面面积应根据运行工艺及耦合调节需要进行布置2。根据企业要求，本设计中，炉子内布置受热面面积为X。1.3.2 炉外受热面布置炉外受热面布置采用热管余热锅炉形式，两级布置，选取入口烟温为450，出口烟温为1353。1.3.3 发电量测算根据以上设计方案，计算得知该-硅冶炼炉每小时可以回收热能-MJ，其发电量约在-KWh之间，设计取-KWh。2 布置余能回收设备可能带来的问题及其解决对策 炉面透气性变坏炉膛布置受热面会造成炉内压力增加，同时也可能造成还原剂供应的不及时，造成炉料烧结而使炉面的透气性变坏。可以通过降低料面的高度以减少气体的溢出阻力、加快炉料的下沉速度等办法解决此问题。 辐射受热面中产生涡流现象 导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，导体内会感生的电流，称为电涡流；这种电流在导体中形成一圈圈闭合的电流线，又称傅科电流。电涡流的存在会在导线内部产生能量耗散，导致能量损失。 设计中所采用的炉内辐射受热面本身是一个导体，可通过在辐射受热面中采用电磁回路阻隔的方法，将可能出现的电磁回路割断，这样可以使涡流现象削弱，减少电涡流的耗散损失。 CO爆炸现象在一般的密闭式还原性冶炼炉中，普遍存在由于炉膛腔内CO含量高，导致开炉的时候出现点火爆炸现象。本次设计通过布置辐射受热面密闭了炉膛，但同时在相应的位置添加鼓风机，通过在开炉前大量鼓风的办法，可有效防止点火时出现的CO爆炸现象。 炸炉处理由于硅冶炼炉在运行过长时间后导致碳化硅粘结成块，严重影响硅冶炼炉的效率，因此每隔一段时间要对路子进行炸炉处理。在布置辐射受热面后，炸炉将可能破坏受热面，因此在每次炸炉前可通过设计布置的3个捣炉孔，向炉内放置棉被，以避免炸炉对受热面的影响。3 硅矿热炉余能回收方案的技术经济分析3.1投资估算1) 总的换热元件初投资C1（元） 1 -万元2) 锅炉设备投资 C2（元） 3) 维修管理费：取C4=10000元/年4）汽轮机及其配套设备投资：取C3=100万元。于是本项目的初级投资总费用为：C= C1+C2+ C3=-万元3.2 收益计算1) 投资收益计算该余能回收装置每小时发电-度，每年实际发电按4800小时计算；取每度电的电价为0.55元（取工业用电电价）。S0=-万元/年该装置的使用年限取为10年。 设备投资成本C =-万元； 设备建设成本C5取为C2=-万元 设备运行成本C4=10000元/年 年收益-万，本金投资-万，下表为每年的盈利计算：表3-1 盈利计算表从表中可以看出，第3年末开始盈利，10年总盈利达800万元。3.3 环境效益预测没有装余热锅炉时，尾部烟气实测数据：烟气含氧量O=19.35%，CO= 135ppm，NO=80ppm。烟气硫份含量过高。每生产一吨硅的排烟焓为37267MJ，粉尘含量较高每小时大约有100千克的粉尘排放，其主要成分为SiO2和硅粉。安装余热锅炉后可以将400的烟气冷却到135。通过余热锅炉的烟气粉尘会被分离，与完全采用空冷的CO排放量相比。安装余热锅炉后的CO排放可以忽略不计。4、总结本文介绍了一种用于回收金属硅冶炼炉工艺过程的余能回收方案。该方案充分考虑了现有硅矿热炉的运行实际，并对加装问题的解决方式，考虑了对存在的新问题的解决方式后，不但对原有工艺没有负面影响，还能提高冶炼炉的热效率，保证冶炼炉的安全。本次改造的成本包括炉膛的辐射受热面、余热锅炉、汽轮机、发电机、以及其他配套设备。总体投资预算为245W人民币。冶炼炉年工作时间按4800h计算，投资回收年限为3年。在其工作年限中的总收益约896W人民币。如果是更大型的冶炼炉，则其效益更高，可调节性能更好。继2005年可再生能源法、2007年可再生能源中长期发展规划分别出台后，我国新能源发展规划制定工作目前已近尾声，条件成熟后将适时出台。种种措施彰显了我国大力发展新能源经济，以及对节能减排的鼓励。因此金属硅冶炼炉余热锅炉设备的投资基本上没有风险。参考文献1 何允平，工业硅生产贸易的目前形势和发展对策M.沈阳铝镁设计研究院，20072 何允平，王金铎工业硅科技新进展M北京