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)，中國平均每噸工業(yè)硅需要消耗13 000 kW˙h電以上，全國年產(chǎn)100×104 t工業(yè)硅需要耗電13×108 kW˙h以上。隨著中國逐步建立全社會(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，佘熱回收勢(shì)在必行。實(shí)施節(jié)能技術(shù)改造，提高能源綜合效率，既是響應(yīng)國家號(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)市場競爭力的需要[1]。文章結(jié)合工業(yè)硅煙氣余熱發(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(俗稱硅微粉)極細(xì)，有極強(qiáng)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[2]。

煙氣余熱發(fā)電改造前狀況

自原工業(yè)硅廠2臺(tái)礦熱爐來的400 ℃~600 ℃高溫?zé)煔?，通過混風(fēng)，達(dá)到降溫的目的。溫度降低到220 ℃~230 ℃后，首先進(jìn)入到雙效旋風(fēng)除塵器中，進(jìn)行第一次除塵處理，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)過第一次除塵處理的煙氣，在進(jìn)入風(fēng)機(jī)之前，通過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]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)場實(shí)測，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： 2×70 000 Nm3/h;

煙氣溫度： 450 ℃;

表1 煙氣成分和參數(shù)

煙氣成分單位N2H2OCO2O2

體積含量%772318

表2 煙塵成分及含塵量

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：7 g/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2 415×104 kJ/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4 293 kW?？紤]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2×8 t/h硅業(yè)煙氣專用余熱鍋爐+ 1×3 MW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)電能通過升壓變壓器升壓后接入硅爐35 kV配電裝置母線，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)被利用過的煙氣從余熱鍋爐出來后，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，其熱量可以被用來產(chǎn)生余熱鍋爐補(bǔ)汽。但是從補(bǔ)汽鍋爐出來的煙氣溫度仍然有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)測參數(shù)，在原工廠建設(shè)時(shí)也沒有考慮預(yù)留煙氣監(jiān)測接口，而現(xiàn)場工業(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)的測量煙道的高溫?zé)煔鈪?shù)，需要面臨現(xiàn)場高溫帶電作業(yè)、高空墜落等危險(xiǎn)因素的考驗(yàn)。但若不測量煙氣參數(shù)，則設(shè)計(jì)無重要原則性輸入的支撐。因此，建議委托專業(yè)的熱工測量隊(duì)伍，依托專業(yè)的測量技術(shù)和專業(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)地測量，以取得最直接的原始設(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)管線縱橫交錯(cuò)，能有效利用的場地較少，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、工藝系統(tǒng)布局走向合理;既要滿足項(xiàng)目的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性要求，又要滿足項(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)生聯(lián)系，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

余熱鍋爐為本工程最關(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)，其微小的顆粒被稱為硅微粉。硅微粉的平均粒徑200 nm ~400 nm，粉塵壁表面積20 m2/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 5 g/Nm3~7 g/Nm3(濃度較高)，粉塵堆積密度：0.18 t/m3(特輕);其具有極強(qiáng)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)組的長期穩(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，余熱鍋爐清灰是否徹底和干凈，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聯(lián)系。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，通過對(duì)一些硅鐵余熱發(fā)電廠運(yùn)營情況的調(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)吸附性極好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。建議在類似項(xiàng)目開展過程中，應(yīng)加大收資力度，通過調(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，選擇最合適的余熱發(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)，無論從國家節(jié)能降耗政策，還是企業(yè)自身發(fā)展的需要，采用先進(jìn)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)?；_展節(jié)能減排、綜合利用工作起到積極示范和推動(dòng)作用。