工业热炉烟气余热发电技术探讨

工业硅行业作为现代工业的重要组成部分，每年消耗大量能源，据统计，中国平均每吨工业硅需要消耗13 000 kW˙h电以上，全国年产100×104 t工业硅需要耗电13×108 kW˙h以上。随着中国逐步建立全社会的资源循环利用体系和节能减排工作的深入进行，工业硅作为能耗大户，佘热回收势在必行。实施节能技术改造，提高能源综合效率，既是响应国家号召，建设节约型社会的客观需要，也是企业降低成本，提高企业市场竞争力的需要[1]。文章结合工业硅烟气余热

发电综合利用项目，对当前工业硅炉烟气余热发电技术进行了研究和探讨。

工业硅烟气余热特点

a)烟气余热属于中温余热、废气流量较少，热品位较低;

b)烟气余热的参数(温度、流量)具有一定的波动性，波动范围大;

c)烟气中的硅灰(俗称硅微粉)极细，有极强粘附力和非常高的热阻。受热外管壁粘灰后会大大降低热交换率[2]。

烟气余热发电改造前状况

自原工业硅厂2台矿热炉来的400 ℃~600 ℃高温烟气，通过混风，达到降温的目的。温度降低到220 ℃~230 ℃后，首先进入到双效旋风除尘器中，进行第一次除尘处理，除尘得到的烟尘(即SiO2粉)经卸料机卸出，进行包装。经过第一次除尘处理的烟气，在进入风机之前，通过向烟气管到喷淋冷却水，进行二次降温处理，经冷却水冷却的烟尘温度降低到180 ℃~200 ℃左右，通过引风机进入布袋除尘器，净化后烟气由除尘器上部排入大气。目前这种烟气处理方法，基本能满足环保要求，但需耗费大量电能和水资源，同时烟道的高温烟气的热能没有得到合理的利用造成热能的浪费。

余热发电改造方案

余热资源

高温烟气的流量和温度参数决定了余热电站的装机方案，高温烟气的烟尘成分及其含量决定了余热锅炉的清灰方式。经现场实测，原工业硅厂2台矿热炉烟气余热参数如下：

烟气总量： 2×70 000 Nm³/h;

烟气温度： 450 ℃;

表1 烟气成分和参数

烟气成分单位N2H2OCO2O2

体积含量%772318

表2 烟尘成分及含尘量

烟尘成分单位SiO2Al2O3Fe2O3CaO

体积含量%86～900.2～1.70.3～6.00.2～0.5

烟气含尘量：7 g/Nm³。

装机方案

按目前成熟的余热发电工艺，烟气经废热锅炉利用后，温度可从450 ℃降至200 ℃左右。根据热力学公式，可以计算出每小时1台矿热炉可利用的烟气余热量为2 415×104 kJ/h。

根据设计及工程实施的数据及工程经验，余热锅炉对余热的利用效率90%，发电机组的效率为40%。本项目计算取余热锅炉80%的能效，取发电机组的能效40%。则2台矿热炉产生烟气的计算余热发电平均功率为4 293 kW。考虑到余热发电受矿热炉工况影响较大，烟气温度和流量等参数具有一定的波动性，且波动范围较大等因素，本项目确定装机方案2×8 t/h硅业烟气专用余热锅炉+ 1×3 MW纯凝汽式汽轮发电机组。三大主机主要参数如下：

工艺流程

利用硅厂工业硅矿热炉高温烟气进行回收用于发电，达到节能减排、综合利用、保护环境的目的[3]。炼硅产生的高温余热烟气经烟道送入余热锅炉经过换热后，产生的高温高压蒸气推动汽轮发电机组发电，高温烟气经余热锅炉吸热降温后，再进入原有除尘器，经除尘后排放。发电机所发电能通过升压变压器升压后接入硅炉35 kV配电装置母线，余热电站与现有电力系统实现并网运行，运行方式为并网不上网。在不改变原有供电及运行方式的前提下，发电机发出的电量将全部用于全厂负荷。

按照烟气余热发电方案，已经被利用过的烟气从余热锅炉出来后，温度仍然有200 ℃，由于温度较低，其热能品位降低，利用难度加大。为充分利用好能源，提高能源利用效率，根据烟气余热梯级利用原理，其热量可以被用来产生余热锅炉补汽。但是从补汽锅炉出来的烟气温度仍然有150 ℃左右，这部分烟气仍包含热量，对此，这部分热量可以用来产生热水用于洗澡用，然后被冷却到120 ℃以下的烟气可以符合标准的进入布袋除尘器进行处理。

该方案从能源利用与工艺角度来讲，它能源利用比较充分，能源利用率高，出口烟气温度能立即达到布袋尘除尘器的要求，不需要另外投资降温装置，工艺配合性好。

余热发电技术改造重点和难点

烟气参数测量

余热电站能否到达设计要求的额定出力，能否取得良好的经济效益和环保效益，高温余热烟气的流量、温度等参数起到至关重要的作用。根据实际调研，并结合工业硅生产行业目前普遍的发展水平，大多数工业硅厂不能提供烟气监测参数，在原工厂建设时也没有考虑预留烟气监测接口，而现场工业硅炉处于全天24小时不间断生产状态，要实时的测量烟道的高温烟气参数，需要面临现场高温带电作业、高空坠落等危险因素的考验。但若不测量烟气参数，则设计无重要原则性输入的支撑。因此，建议委托专业的热工测量队伍，依托专业的测量技术和专业仪器设备，采取有效的安全防范措施和手段，对余热烟气参数进行实地测量，以取得最直接的原始设计参数。

总平面布置

工业硅高温余热烟气发电综合利用均在原有硅厂厂区内依托原有高温烟道进行技术改造，新增汽机房、余热锅炉、冷却塔、主变压器等设施。而根据调研，大多数工业硅厂的现状是建设时缺乏统一规划，厂区内管线纵横交错，能有效利用的场地较少，且普遍存在原有建构筑物缺少或遗失原始土建或工艺设计资料的情况。因此，如何利用有限的场地资源合理布置分区，即节约用地、合理利用地形、方便集中管理，又保证缩短管线、工艺系统布局走向合理;既要满足项目的安全、稳定、经济性要求，又要满足项目施工及投产后的安全性要求，是摆在设计面前的一个重大课题。建议如果能够收集到与余热发电综合利用工程相关的原厂建构筑物及其基础设计原始资料，在确保安全、可靠、经济并有利于总平面优化布置的前提下，经过和业主的充分沟通，征得业主同意的前提下，可以考虑利用原厂即有的一些设备支吊架、厂区管架进行项目的设计。否则，从安全可靠的角度出发，余热电站的设备支吊架等建构筑物应全部考虑新建，不应与原厂建构筑物发生联系，但这同时对余热电站总图的优化布置提出了更高的要求。

锅炉清灰方式选择

余热锅炉为本工程最关键设备之一，工业硅余热锅炉的难点在于：工业硅矿热炉烟气中的SiO2极细，其微小的颗粒被称为硅微粉。硅微粉的平均粒径200 nm ~400 nm，粉尘壁表面积20 m2/g(极易产生静电、极易吸附而且隔热性能非常好)，其烟气中硅微粉尘含量在灰 5 g/Nm3~7 g/Nm3(浓度较高)，粉尘堆积密度：0.18 t/m3(特轻);其具有极强的粘附力，和非常高的阻热、隔热力。如果硅微粉清理不净，锅炉很难正常运行，进而将直接影响机组的长期稳定运行能力及发电量的大小。

据调查了解，余热锅炉受热面有螺旋鳍片管、光管、针形管等主要形式，而余热锅炉除灰有蒸汽吹灰、激波吹灰、机械振打清灰、钢刷除灰 、乙炔爆燃除灰等形式，余热锅炉清灰是否彻底和干净，既和锅炉受热面的形式息息相关，又和锅炉清灰的方式密切联系。只有选择了合适的受热面形式和与之相适应的清灰方式，才能有效解决余热锅炉的积灰问题。根据调查了解到的目前一些余热锅炉生产厂家的情况，通过对一些硅铁余热发电厂运营情况的调查，考虑到螺旋鳍片管因自身结构原因，对硅微粉积灰很难清理。硅微粉有很强的粘结性，遇水或水蒸汽更容易粘结。激波吹灰能量相对较低，对吸附性极好的硅微粉的清除比较困难。采用光管+机械擦刷式清灰方式，清灰效果虽然较好，但是在满足总图紧凑布置要求的情况下将增加工程土建投资。

综合考虑，在本工程中，选择了针形管受热面+乙炔(C2H2)爆燃除灰方式的余热锅炉。建议在类似项目开展过程中，应加大收资力度，通过调查走访，多了解目前余热锅炉厂主要的受热面形式和清灰方式组合，尤其要多调查了解已有的余热电站运行情况，对余热锅炉实际运行效果进行分析比较，再结合项目实际烟气参数情况，选择最合适的余热发电锅炉。

余热发电综合利用能耗及环保效益

工业硅生产是高能耗行业，无论从国家节能降耗政策，还是企业自身发展的需要，采用先进节能技术，大幅度降低消耗和生产成本，消除安全隐患，是生产企业目前迫切需要解决的问题。该余热发电综合利用项目成功实施，可以对企业生产系统用能进行优化，提高能源利用效率，对降低企业产品成本，实现节能降耗，增强企业的可持续发展能力具有重要意义。同时也为地区行业内规模化开展节能减排、综合利用工作起到积极示范和推动作用。