工业硅电炉烟气余热发电

科技信息2013年第5期
ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
1工业硅电炉烟气余热利用的必要性
从国家的产业政策来看，早在1996年8月国务院曾以国发[1996] 36号文批转国家经贸委、财政部、国家税务总局《关于进一步开发资源综合利用意见》的通知，明确指出：“凡利用余热、余压、城市垃圾和煤矸石、煤泥等低热值燃料及煤层气生产电力、热力的企业（以下简称综合利用电厂），其单机容量在500千瓦以上，符合并网调度条件的，电力部门都应允许并网，签订并网协议，对并网的机组免交小火电上网配套费，并在核定的上网电量内优先购买”。

此外，《国家发展改革委办公厅关于组织申报节能、节水、资源综合利用重大项目和示范项目以及现役火电厂脱硫设备备选项目的通知》（发改办环资[2004]906号文）也明确了在节能方面，重点支持钢铁、有色、石油石化、化工、建材等高耗能行业节能技术改造。

近期国家又颁布实行了新的能源政策，进一步提出了对综合利用资源、节能降耗、强化环保的可持续发展要求。

因此，利用工业硅电炉的余热废气建设余热发电站，在政策和法规上是国家大力扶持和提倡的，也完全符合国家产业政策的要求。

工业硅是钢铁、有色、电子信息等产业的重要辅助材料，但同时也是资源、能源的消耗大户。

我国是工业硅的生产和消费大国，目前我国的工业硅生产单位能耗达到13000KW.h/t以上,而西方国家先进指标达到了11000KW.h/t，相比之下大多数中小企业能耗差距很大。

这表明我国工业硅冶炼节能潜力巨大。

工业硅生产对电能的消耗和依赖很大，一定程度上推动了工业用电总量的增长，加剧了电能的供应紧张局面。

如果工业硅生产线配套建设余热发电系统，可以有效降低工业硅能耗，减少CO2等温室气体排放，将具有十分明显的环保效益。

2项目概况
湖北三新硅业有限责任公司（宜昌）位于湖北省宜昌市经济技术开发区白洋工业园。

共计建设有12座33000kVA高纯工业硅半封闭旋转式电炉。

余热发电设计基本条件如下表：
表1烟气成分
表2烟尘成分
表3烟尘粒度
表4废气参数
从以上参数可知，该矿热炉废气具有较好的利用价值。

本工程利用矿热炉的烟气发电，经过余热锅炉后的烟气降到160℃左右，通过现有除尘器和引风机排入烟囱，以充分利用已建成的除尘设施，实现达标排放。

3装机方案
采用1台33000kVA高纯工业硅电炉配置1台余热锅炉，总计建设12台余热锅炉；每4台余热锅炉配置1套30MW中温中压汽轮发电机组（即四台高纯工业硅电炉配四炉一机），共设3套汽轮发电机组。

余热发电站以10kV出线，发电机机端电压经主变压器升压至35kV 后接至湖北三新硅业有限责任公司220kV变电站的35kV系统实现并网，以外送为主要目标。

余热发电站年利用小时数为6500小时。

4主机选择
4.1余热锅炉选择
从表2和表3的烟尘成分和粒度可知，微小的SiO2颗粒占到了烟尘成分的80-90%，这部分微小的颗粒被称为微硅粉。

微硅粉的粒径大多小于1μm，粉尘壁表面积约20m2/g左右。

由于微硅粉粘附力极强，在运行过程中极易产生静电而吸附在锅炉管壁外表面，很难清理干净。

鉴于其导热系数很低，如果不能及时清理干净，会导致余热锅炉的换热效率大大降低，很难正常运行。

因此，余热锅炉炉型和清灰方式的选择，是工业硅余热发电系统顺利运行的关键因素。

在以往的工业硅余热锅炉设计中，各锅炉厂家的清灰方式大多采用采用钢珠振打和激波清灰等或二者相组合的模式。

根据对一些项目的了解，随着运行时间的增加，余热锅炉产汽量逐渐变小，采取上述清灰措施后也未能得到根本性的改善，有些甚至导致无法正常发电，极大地影响了工业硅行业余热发电的推广。

单近几年来，锅炉行业出现了一种管刷式清灰方式，这种清灰装置组成如下：采用圆形刷子或两个半圆装配后为一个整圆的刷子，刷毛用金属丝或金属丝扁线团状材料制造，刷子被套装在传热管外，再将多把刷子连接为一个整体的网架结构，网架结构与金属网架相连，再由卷扬机、减速器、电动机系统带动，并设有各种保护和控制装置，用PLC来控制其运行。

这种清灰方式使多个刷子在电动机的带动下在传热部件的外壁上来回运动，将粘附于壁上的粉尘抹去，保证了锅炉的正常运行。

本项目的余热锅炉整体采用管箱式模块结构，自进口而出口设有蒸发器，省煤器，采用强制循环方式。

余热锅炉露天卧式布置，烟气自进口到出口经蒸发器、省煤器,气流方向与粉尘沉降方向一致，管箱间设置膨胀节,每个箱体受热面都设置了一组管刷式机械除尘装置，布置于锅炉顶部，清刷频率为每半小时1次并可根据实际情况改变清刷频率，均可电控或手动控制运行。

微硅粉尘随气流均匀排至卸灰阀，经由出渣机排出锅炉。

微硅粉收集后可重新返料使用。

4.2余热锅炉参数
形式：纯余热单压锅炉
锅炉入口烟气量16.5×104Nm3/h
锅炉入口烟温530℃，最大650℃
出口烟温180℃
额定蒸汽压力 3.82MPa(a)
额定蒸汽温度450℃
额定蒸发量24t/h
最大工况蒸发量31t/h（烟气温度为波动状态值）
锅炉布置形式：露天布置
4.3汽轮机参数
额定/最大功率25/28MW
主汽门前进汽压力 3.43MPa（a）
主汽门前进汽温度435℃
额定进汽量108t/h
计算进汽量96t/h
排汽压力7kPa(a)
4.4发电机参数
额定功率30MW
额定电压10500V
额定功率因数0.8(Lag)
工业硅电炉烟气余热发电探讨
徐岩松
(中冶东方工程技术有限公司，山东青岛266555)
【摘要】本文介绍了湖北三新硅业余热发电的设计原则和工艺流程，论述了在工业硅行业推广余热利用在节能、环保等方面产生的益处。

【关键词】工业硅；余热锅炉；汽轮机；能源效益；投资回报
烟气成分H2O CO2O2N2
% 1.2318.377.5
烟尘成分SiO2CO2AI2O3C FeO MgO
%80~900.4~10.2~0.53~100.5~31
烟尘粒度（μm）≤11~10≥10
%＜60＜30＜10
序号项目单位设计参数备注
1废气量Nm3/h165000单台
2废气温度℃530
3入口废气含尘浓度g/Nm3 2.54
○电力与能源○
375
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2013年第5期额定频率50HZ 额定转数3000r/min
5烟气除尘系统
本余热锅炉并联于电炉除尘系统；当使用余热锅炉时将烟气切换至余热锅炉一侧；当余热锅炉故障或检修时，烟气切换至空冷器一侧。

两座电炉设除尘系统一套，每台电炉配套安装一台余热锅炉。

空气冷却器作为余热锅炉事故状态备用，在空气冷却器附近位置安装余热锅炉。

每台电炉出口的两支烟气管道在出电炉室后合并成一根管道进入锅炉，烟气在余热锅炉内生产蒸汽，烟气经过余热锅炉后的温度低于180℃，出锅炉的低温烟气再分成两根支管分别和烟气管道连接，由除尘引风机将烟气排入正压布袋除尘器净化后达标排放。

锅炉进口安装电动阀门，在锅炉检修时隔断，烟气可利用电炉空冷器进行冷却后再通过引风机，送至布袋除尘器，最后通过烟囱排出，不会影响工艺生产。

由于工业硅电炉产生的烟气温度波动比较大，一般在530～650℃之间，短时间可能达到900℃，根据烟气的这种波动比较大、温度短时比较高的特性，锅炉进口的烟气管道采用内外同时保温的措施，锅炉内部采用陶瓷纤维板+耐磨塑料的方式，陶瓷纤维板耐火温度最高可达1200度，同时耐磨塑料可阻止烟气对管道内壁的磨损，延长管道的使用寿命。

管道外壁采用硅酸铝保温材料，安全能满足工程需要。

6
热力系统
6.1
主蒸汽系统
主蒸汽系统采用切换母管制，确保机组运行的安全、灵活与可靠。

6.2除氧给水系统
每台余热锅炉设置2台电动给水泵，1台工作，1台备用，电动给水泵参数为：流量30m 3/h ，扬程450mH 2O ，电机功率90kW/10kV ，配软启动装置。

每台余热锅炉设1台40t/h 热力除氧器，水箱容积为20m 3。

6.3给水回热系统
汽轮机共有四段抽汽，配置回热加热系统。

为两台低压加热器供热。

每台汽机设2台凝结水泵，1用1备。

凝结水泵型号为150N130-H00，参数为Q=54~115t/h H=144~
134mH 2O
6.4加热器疏水系统
低压加热器的疏水逐级回流最后接至凝汽器。

汽封加热器的疏水接至凝汽器。

每台低加均设有汽液两相流的水位控制器。

6.5凝汽器抽真空系统
每台机组设2台射水抽气器、2台射水泵。

正常运行时，均为1台运行，1台备用。

机组启动时，可2台同时运行。

每台机组设1台射水箱V=10m 3。

6.6汽轮发电机润滑油系统
每台机组设置1台电动高压交流辅助油泵、1台电动交流润滑油泵、1台电动直流润滑油泵、1台主油箱、2台板式冷油器、2台滤油器、1台聚结分离净油机等。

汽轮发电机油系统管道材质采用不锈钢。

为
确保机组安全，每台机组设置一个不锈钢材质的高位油箱V=3m 3。

6.7排污、溢流及疏、放水系统
本工程设1台3.5m 3连续排污扩容器，设1台10m 3定期排污扩容器，1台2m 3疏水扩容换热器，1台30m 3疏水箱，2台疏水泵。

锅炉连续排污水接入连排，回收二次蒸汽引入除氧的汽平衡母管，连排内的排污水经排污换热器冷却后（用于提高除盐水的温度），回收热量后，排入排污降温池。

锅炉定期排污水接入定排后，排入排污降温池，经降温后排入全厂污水系统或雨水系统。

疏水进入疏水扩容换热器与喷淋的除盐水混合后进入疏水箱，经疏水泵打入除氧器。

7冷却水和除盐水系统
汽轮机凝汽器冷却水系统采用开式循环冷却供水方式。

经凝汽器、发电机空冷器、油冷却器的冷却水均由循环冷却水系统供给，经凝汽器、发电机空冷器设备排水都通过循环冷却水排水母管送回到循环水泵站。

冷油器冷却水出水设专管排至循环泵站旁流过滤器进口，经过滤后，排至循环水池。

主厂房内其它需要冷却的设备(如给水泵及其它油泵水泵、取样冷却器等)采用工业水冷却，循环冷却水系统作为其备用冷却水源。

汽轮机冷凝器、电机空冷器、润滑油站等冷却用水采用净环水，用水量16500m 3/h,工作压力≥0.25MPa,供水温度33℃,回水温度43℃，净
环回水为有压回水，用后仅水温升高水质未受污染，回水利用余压上冷却塔，冷却降温后自流入泵站吸水井，经泵加压后通过管道过滤器送往用户循环使用。

本工程所需除盐水由设在循环泵站的除盐水组合装置制备，出水电导率<10μS/cm 。

8能源效益评价
本工程主要能源品种有：电力、水等。

表
5能源消耗计算表
由上可以看出，电力按照等价值0.320kgce/kWh 计算，本工程年消耗能源为0.0573×3.27×108=1.87万吨标煤。

年产出能源为0.320×3.27×108=10.46万吨标煤。

即本工程年回收的能源0.263×3.27×108=8.60万吨标煤/年。

节能效益显著。

9投资效益
本工程总静态投资约4亿元，包括的工程项目有：新建余热锅炉及除尘系统、汽轮发电、水系统、外网及其它。

项目计算期为20年，固定资产折旧残值率取5%，建筑物折旧年限20年，机器设备折旧年限10年。

其他资产摊销分10年摊销。

经计算年平均利润总额为6631.6万元。

项目投资回收期为6年。

10结论
工业硅电炉余热利用工程本身就是环保工程。

即可利用电炉烟气余热发电，同时也降低温度、浓度，实现废气达标外排。

余热发电机组的运行将具有十分明显的社会环保效益。

在工业硅行业建设余热发电项目是行业及国家经济发展的必然。

实施余热发电项目，可大大节约企业用电与消耗成本，进一步提高企业的市场竞争力，扩大产品的盈利空间，具有十分可观的经济和社会效益。

［责任编辑：汤静］
四炉一机烟气流程图
序号
能源名称能源年消耗能源单耗
折算系数（等价值）
能耗
kgce/kWh 1耗电 3.92×107kWh 0.120kWh/kWh 0.320kgce/kWh
0.0380
2新水
2872800m 38.785×10-3m 3/kWh 0.0857kgce/m 37.529×10-4
3循环水 1.254×108m 30.384m 3/kWh
0.0450kgce/m 3
0.0173
4
除盐水 3.8×105m 3 1.162×10-3m 3/kWh 1.095kgce/m 3 1.272×10-3
小计
0.0573
5发电-3.27×108kWh -1kWh/kWh
0.320kgce/kWh
-0.320合计
-0.263
科
○电力与能源○376。