工业硅烟气余热发电的关键技术在项目中的应用

工业硅烟气余热发电的关键技术在项目中的应用

作者：马永珍

来源：《中国科技博览》2018年第12期

[摘 要]在用电成本增加的情况下，要求进一步缩短铁合金行业余热回收发电项目的投资回收期，高效余热发电技术将会有更好的发展前景。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。余热锅炉的进出口烟气参数决定了高温烟气余热的能回收量；余热锅炉的高效换热技术决定了烟气余热转化为高品位热能的最大转化量；完善的热力系统是高品位热能充分利用的途径；汽轮机稳定运行保证了最终余热的利用效益。把握上述关键点，就能掌握高效余热发电技术，会为企业及社会创造巨大的经济利益和环境效益。 [关键词]烟气；余热锅炉；发电；热力系统；

中图分类号：TU639 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）12-0039-02 本工业硅烟气余热发电系统的技术难点及关键点如下：（1）余热锅炉进出口烟气参数；（2）余热锅炉的高效换热技术；（3）余热利用热力系统配置技术；（4）汽轮机如何稳定运行。 1 概述

本文以新疆昌吉工业硅项目余热发电为例，本项目一期设有8台33000KVA工业硅电炉，单台电炉出口烟气量为128500～111700m3/h，烟气温度为600～900℃。1台工业硅电炉配置1台余热锅炉，余热锅炉生产3.82MPa/450℃的中温中压过热蒸汽30t/h， 4台余热锅炉配套1套25MW汽轮发电机组。 （1）烟气流程图 （2）热力系统流程图 2 余热锅炉进出口烟气参数 （1）余热锅炉回收的烟气余热量： Q=αV0（tiCi-t0C0） （1-1）

Q—可回收利用的烟气余热量（kJ/m3）；

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α—烟气冒顶损失系数，一般取0.9； Vo—出口的烟气体积（m3/h） ti—入口的烟气温度（℃） t0—出口的烟气温度（℃）

Ci—入口烟气温度ti时，烟气的平均比热（kJ/m3 ℃） C0—出口烟气温度ti时，烟气的平均比热（kJ/m3 ℃） （2）余热锅炉水的吸热量： q=hi-ho （1-2）

q—每kg水吸收的热量（kJ/kg） hi—给水焓（kJ/kg）

ho—余热锅炉出口蒸汽焓（kJ/kg） （3）余热锅炉的蒸发量： M= Q*η/q （1-3） η—余热锅炉的效率

式1-1、1-2、1-3可知，可回收烟气余热的多少取决于进出口烟气温度、流量；余热锅炉的蒸发量取决于回收的热量的多少。实际工程中理论计算的烟气参数和实际运行参数存在偏差，烟气量、烟气温度受铁合金工艺冶炼工序、冶炼原料及工作制度的影响，使烟气参数是一个变化的值，余热锅炉产汽量也是个变化值，则汽轮发电机的设计参数很难确定准确，汽轮机配置偏大或偏小，均会使回收蒸汽放散，浪费热源及其他能源。

余热锅炉的进口烟气温度也是余热锅炉箱体选材、余热锅炉结构设计及受热管布置形式选择的关键数据，余热锅炉的各部件还需根据此参数考虑热膨胀问题。

本项目一期工程余热锅炉入口处留有烟气监测设备，实时测量烟道的高温烟气参数。 3 余热锅炉的高效换热技术（清灰技术）

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工业硅电炉烟气硅微粉尘含量在 10-11g/m3，成分主要是二氧化硅，具有极强的粘附性和非常高的阻热、隔热特性；而且硅粉比较轻、静电吸附力比较强，灰尘不易松动。如果积灰清理不干净，粉尘容易导致余热锅炉受热面积灰。受热外管壁粘灰后大大降低热交换率，使排烟烟气温度升高。传统的清灰方式如落丸除灰、蒸汽吹灰、机械振打清灰都不能达到理想的清灰效果。本项目选用 “机械管刷清灰结构的工业硅余热锅炉”，本系列锅炉采用卧式布置，单压运行，烟气自进口到出口经过过热器、蒸发器、省煤器及除盐水加热段后排出；每级受热面的每一根对流管都设置了机械钢刷除灰装置，确保清灰效率能大于95%以上。在实际运行时根据现场温度测量情况调整清灰频率，温差小于正常值时缩短清灰间隔时间，提高清灰频率，保证温差正常。采用激波清灰作为辅助清灰方式。 4 合理的机炉配置方案

4.1 余热锅炉采用中温中压参数，提高发电量。

铁合金工业硅矿热炉出口的烟气平均温度为750℃左右，以往做法是通过混风，降温到450℃，再进入双压余热锅炉换热，余热锅炉生产的中压蒸汽参数为1.8MPa，360℃，低压蒸汽参数为0.35MPa，175℃。低压蒸汽做为除氧用蒸汽及汽轮机补汽。1kWh汽耗率5.6kg。 本项目的高温烟气直接进入单压余热锅炉，余热锅炉出口的蒸汽参数为3.82MPa，450℃，以本项目为例，产生30t/h的蒸汽， 1kWh汽耗率4.2kg。 4.2 8台余热锅炉的给水除氧系统集中布置，统一管理。

通常常规设计为2台余热锅炉共用一个锅炉岛，2台锅炉共设置3台给水泵（2用1备），1个除氧器。本项目一期共有8台余热锅炉，那么就需要设置4个锅炉岛，对应的给水泵数量为12台，除氧器数量为4台。这种配置方式的优点是除氧给水系统独立，中间连接管道短。但除盐水系统接点分散、除盐水泵扬程大，电气控制系统分散，人员编制增加，给水泵的检修维护量和成本大大增加。

为优化上述系统的不足，本项目设计为2台余热锅炉共用一个锅炉岛，4台锅炉共设置1台给水泵和1个除氧器，最终除氧给水系统的主体设备的规模为4台给水泵，2用2备，两台备用泵的流量之和为单台正常运行泵的流量，2台除氧器，并将除氧器和给水泵集中设在汽机间。

4.3 凝结水返回余热锅炉加热，降低了排烟温度。

余热锅炉的效率与排烟温度的关系如图1所示，本文选取的锅炉，当排烟温度为170℃时，锅炉的效率约为90%。根据计算，余热锅炉排烟温度每上升10℃，锅炉要减少0.5t/h蒸发量，少发电 108 kWh，如果锅炉清灰不彻底，锅炉排烟温度达到300℃，每台锅炉蒸发量将减少6.5t/h，每台锅炉发电量将减少1413 kWh。

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为降低余热锅炉的排烟温度，在余热锅炉尾部设有凝结水加热器，从凝汽器出来的凝结水经凝结水泵送至各个余热锅炉，加热后返回汽机间除氧器。本项目的冷凝水系统取消了低压加热器，改用锅炉尾气加热，降低烟气温度。 5 完善的热力系统，保证汽轮机稳定运行 （1）合理的机炉配置方案

本项目一个铁合金工艺车间共设有4台工业硅矿热炉，对应有4台余热锅炉，考虑到同一个车间有统一的工艺冶炼制度以及检修制度，使4台余热锅炉对应一台汽轮发电机、一台除氧器及一台主给水泵和2台备用给水泵。此机炉配置方案，能满足以下工况下汽轮机的正常运行：当有2台电炉大修时，其余两台电炉冶炼正常，且余热锅炉出口过热蒸汽能达到额定参数，则汽轮机也能在负荷调节范围内稳定运行，汽轮机的负荷调整范围为50%～120%；除氧器给水系统中，锅炉给水量下降时，给水泵的再循环管路将会把多余的给水送至除氧器，如果给水泵负荷持续下降到50%以下时，为避免主给水泵打回流造成的能量损失，可停止主给水泵运行，启动备用泵，两台备用泵的流量之和为单台正常运行泵的流量。 （2）主蒸汽统一分配

因八台工业硅矿热炉的冶炼工序的差别，有可能某一时段，有台矿热炉在检修，那么余热锅炉内就没有连续的烟气，导致过热蒸汽的流量、温度和压力的不稳定，进一步造成汽轮机负荷波动加大，影响汽轮机寿命。本项目将一期八台余热锅炉产的过热蒸汽汇集到集汽缸，由集汽缸均匀的、连续的分配蒸汽到汽轮机做功。当有工业硅矿热炉检修或停炉时，所有蒸汽汇集到集汽包，能保证至少一台的汽轮机能稳定运行。 （3）蒸汽外送

余热锅炉的产汽量完全受铁合金工艺的影响，在铁合金运行初期及余热锅炉设置台数少时，过热蒸汽量及参数达不到汽轮机做功要求，这部分蒸汽只能放散了。本项目设置了一套减温减压器，可将高温高压的过热蒸汽减温减压后外供到其它厂区用户使用。 6 总结

余热锅炉的进出口烟气参数决定了高温烟气余热的能回收量；余热锅炉的高效换热技术决定了烟气余热转化为高品位热能的最大转化量；完善的热力系统是高品位热能充分利用的途径；汽轮机稳定运行保证了最终余热的利用效益。把握上述关键点，就能掌握高效余热发电技术，会为企业及社会创造巨大的经济利益和环境利益。 参考文献

[1]王士国.余热锅炉的热力回收计算[J].装备制造技术，2010（8），61-64。

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[2]GB 50049-2011，小型火力发电厂设计规范[S]。

[3]沈洪涛. 工业硅矿热炉烟气余热发电技术探讨[J]，2013（10），104-107。 [4]万航，李进. 铁合金生产中的节能——余热利用[J]，2009（5），121-124。