基于工業礦爐余熱發電的建模分析

陳業麟

摘 要：工業礦爐在生產時有大量的余熱資源被白白浪費、本文針以某工業礦爐為例，對工業礦爐生產時產生的尾氣進行采樣分析，并運用先進的Thermoflow軟件建模分析，提出可以采用余熱發電的方法減少能源需求，降低能源浪費。

關鍵詞：工業礦爐；余熱發電；建模；節能減排

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.182

0 引言

能源、原材料、水和土地等自然資源是人類賴以生存和發展的重要物質基礎，是整個社會可持續發展的保證。但隨著經濟發展，資源約束的矛盾日益凸顯。2016年12月，國家發改委、能源局聯合發布了能源發展“十三五”規劃，規劃中明確指出：“在‘十三五期間，單位國內生產總值能耗下降18.4%，二氧化碳排放強度下降20%以上”。鐵合金行業是典型的能耗大，效率低，污染大的行業，若能以先進適用的技術加以改造，淘汰落后工藝設備，促進工藝裝備升級，不僅可以提高能源利用效率，同時也可以大大降低對環境的影響。

本文采用模擬軟件對工業礦爐進行余熱發電技術的建模分析，利用熱回收裝置將礦熱爐排放的尾氣余熱回收并轉換為電能再用于冶煉生產，尾氣溫度大幅降低并處理后排入大氣，這對降低鐵合金生產綜合能耗、碳排放、減少對環境的熱污染將是非常有效的途徑。

1 改造前狀況

業主方原有兩臺2臺25MVA的礦熱爐生產工業硅、鐵合金等產品，在生產的同時會產生大量的高溫煙氣。根據現場實測數據，1#爐的煙氣平均溫度為440℃，2#爐的煙氣平均溫度為460℃。通常的做法是利用空氣和尾氣混合，當溫度降至220℃左右，利用旋風除塵器進行除塵。之后在進入引風機之前，利用冷卻水對煙管進行噴淋（二次降溫處理），冷卻后的尾氣溫度降低到180℃左右，通過引風機進入布袋除塵器，處理后的尾氣由除塵器上部排入大氣。目前這種煙氣處理方法，基本能滿足環保要求，但缺點是需耗費大量電能和水資源，同時尾氣的熱能沒有得到充分的利用造成能源浪費。

2 模擬軟件簡介

美國Thermoflow公司是一家專門從事電廠熱平衡類計算的專業軟件公司。其主要產品包括燃氣輪機系統和火力發電STEAM系列，其主要作用是幫助技術人員解決電廠設計前期所涉及到的熱平衡，電廠費用估算及經濟性分析等。

3 改造方案

3.1 煙氣資源

在對余熱電站進行詳細的建模分析之前，首先必須對煙氣的余熱資源進行詳細的采樣分析。根據現場實測，煙氣的余熱參數如下表1：

3.2 改造工藝模型介紹

3.2.1 改造工藝介紹

改造方案擬在每臺礦熱爐的煙氣出口和原有的除塵器煙道中間增加一套余熱發電系統，將原有的尾氣處理系統旁通。改造后，從礦爐中產生的高溫尾氣經余熱鍋爐放熱后，再經過原袋式除塵器，而后由引風機送至大氣。若余熱鍋爐和發電系統故障，則尾氣仍可以利用原除塵系統，并不會對排放造成任何影響。這兩套系統之間的切換由煙道上的閥門來控制，如此可以確保這兩套系統靈活切換使用。其工藝流程圖如下圖所示：

3.2.2 余熱電站模型

將工業礦爐的出口煙氣參數輸入進Thermoflow軟件，根據軟件模擬可以得到整個余熱電站的系統圖如下：

該余熱電站的三大主機參數如下：

（1）1#余熱鍋爐主要熱力參數（1臺）：

鍋爐蒸發量 13.66t/h

蒸汽出口壓力 1.70MPa

蒸汽出口溫度 420℃

（2）2#余熱鍋爐主要熱力參數（1臺）：

鍋爐蒸發量 14.70t/h

蒸汽出口壓力 1.70MPa

蒸汽出口溫度 440℃

（3）汽輪機主要技術參數（1臺）：

型式：單缸、沖動、純凝式汽輪機組

額定輸出功率： 6，000kW

主蒸汽壓力： 1.60MPa

主蒸汽溫度： 420℃

工況主蒸汽流量： 28.36t/h

（4）發電機主要技術參數（1臺）：

額定功率： 6，000kW

額定電壓： 10KV

功率因素： 0.8

勵磁方式：靜止可控硅勵磁

3.3 軟件模擬結果

3.4 項目實施的難點和重點

3.4.1 改造重點

（1）進口風管保溫隔熱處理，最大限度利用好系統尾氣資源，確保尾氣溫度不低于結露溫度；

（2）優化余熱系統與主工藝協調，確保礦熱爐原有生產不受影響的情況下做到發電量最大化；

（3）智能化控制系統。將余熱發電系統分解為多個分系統，先由DCS或PLC實現各分系統或分步驟的自啟停，再通過項目編程根據機組的啟停順序將以上分系統或分步驟進行有機串聯，從而達到系統智能啟停的目的，實現遠程智能操作。

3.4.2 改造難點

（1）本項目新建余熱電站需增加一系列的大型設備，因此，如何更合理的布置這些設備以及與原來系統的連接以達到最經濟的方式是下個階段需要仔細克服的難題；

（2）本項目的尾氣煙塵含量是8g/m3，且煙塵粒度較小，具有極強的粘附力和非常高的阻熱、隔熱力。如果清理不凈，余熱鍋爐換熱面被煙塵附著，短期將造成余熱鍋爐蒸發量下降，發電量減小等問題。長期運氣會導致鍋爐換熱管擊穿，造成重大事故。因此，根據本項目煙氣含塵濃度較高的特點，建議采用光管管束，以減少煙塵附著在換熱面上。目前，余熱鍋爐清灰裝置有多種方式可供選擇，如機械振打、介質（蒸汽或壓縮空氣）吹灰、沖擊波吹灰、鋼珠清灰等。建議采用鋼珠清灰的裝置。能更好的達到吹除積灰保證受熱面清潔，提高傳熱效率，恢復余熱鍋爐出力。

4 項目效益分析

4.1 經濟效益分析

根據模型計算，整個項目的投資大約為3，800萬元。按照大工業用電價格0.45元/kWh計算，年節省電費約為1，847萬元。再扣除水費、人員工資、折舊等費用，年凈節省約為1，300萬元。簡單投資回報年限為3年左右，經濟效益顯著。

4.2 環境效益分析

模型中，年發電量達到4，414×104kWh，扣除自用電后年供電量達到4，105×104kWh，按目前全國火電機組的平均供電煤耗為330g/kWh標準煤計算，年節約標準煤13，546t，每年減少CO2排放量33，771t，SO2排放量1，015t，NOx排放量507t。

5 結論

鐵合金行業是高能耗高污染的行業，無論從國家節能減排的角度，還是從企業自身發展的需要，都對采用先進的節能技術，降低消耗和生產成本有迫切的需求。本文就工業礦爐的余熱發電項目進行建模分析，分析證明，余熱發電作為一種循環經濟生產模式，提升了經濟發展質量，降低生產成本，并起到了節能減排，最大限度地減少污染物排放的作用，對國民經濟效益和社會效益都是起到了積極示范和推動的作用。

參考文獻：

[1]沈宏濤.工業硅礦熱爐煙氣余熱發電技術探討[J].能源與節能，2013（10）.

[2]高志宏，高志明.基于工業硅余熱發電的循環經濟分析研究[J].河南電力，2011（03）.