基于工業(yè)礦爐余熱發(fā)電的建模分析

陳業(yè)麟

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

關(guān)鍵詞：工業(yè)礦爐；余熱發(fā)電；建模；節(jié)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(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是整個社會可持續(xù)發(fā)展的保證。但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，資源約束的矛盾日益凸顯。2016年12月，國家發(fā)改委、能源局聯(lián)合發(fā)布了能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃，規(guī)劃中明確指出：“在‘十三五期間，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗下降18.4%，二氧化碳排放強(qiáng)度下降20%以上”。鐵合金行業(yè)是典型的能耗大，效率低，污染大的行業(yè)，若能以先進(jìn)適用的技術(shù)加以改造，淘汰落后工藝設(shè)備，促進(jìn)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(huán)境的影響。

本文采用模擬軟件對工業(yè)礦爐進(jìn)行余熱發(fā)電技術(shù)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(zhuǎn)換為電能再用于冶煉生產(chǎn)，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(chǎn)綜合能耗、碳排放、減少對環(huán)境的熱污染將是非常有效的途徑。

1 改造前狀況

業(yè)主方原有兩臺2臺25MVA的礦熱爐生產(chǎn)工業(yè)硅、鐵合金等產(chǎn)品，在生產(chǎn)的同時會產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?。根?jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，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(dāng)溫度降至220℃左右，利用旋風(fēng)除塵器進(jìn)行除塵。之后在進(jìn)入引風(fēng)機(jī)之前，利用冷卻水對煙管進(jìn)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(fēng)機(jī)進(jìn)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(huán)保要求，但缺點(diǎn)是需耗費(fèi)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(fèi)。

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(yè)軟件公司。其主要產(chǎn)品包括燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)和火力發(fā)電STEAM系列，其主要作用是幫助技術(shù)人員解決電廠設(shè)計前期所涉及到的熱平衡，電廠費(fèi)用估算及經(jīng)濟(jì)性分析等。

3 改造方案

3.1 煙氣資源

在對余熱電站進(jìn)行詳細(xì)的建模分析之前，首先必須對煙氣的余熱資源進(jìn)行詳細(xì)的采樣分析。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，煙氣的余熱參數(shù)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(fā)電系統(tǒng)，將原有的尾氣處理系統(tǒng)旁通。改造后，從礦爐中產(chǎn)生的高溫尾氣經(jīng)余熱鍋爐放熱后，再經(jīng)過原袋式除塵器，而后由引風(fēng)機(jī)送至大氣。若余熱鍋爐和發(fā)電系統(tǒng)故障，則尾氣仍可以利用原除塵系統(tǒng)，并不會對排放造成任何影響。這兩套系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)礦爐的出口煙氣參數(shù)輸入進(jìn)Thermoflow軟件，根據(jù)軟件模擬可以得到整個余熱電站的系統(tǒng)圖如下：

該余熱電站的三大主機(jī)參數(shù)如下：

（1）1#余熱鍋爐主要熱力參數(shù)（1臺）：

鍋爐蒸發(fā)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(shù)（1臺）：

鍋爐蒸發(fā)量 14.70t/h

蒸汽出口壓力 1.70MPa

蒸汽出口溫度 440℃

（3）汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)（1臺）：

型式：單缸、沖動、純凝式汽輪機(jī)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(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)（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(jié)果

3.4 項(xiàng)目實(shí)施的難點(diǎn)和重點(diǎn)

3.4.1 改造重點(diǎn)

（1）進(jìn)口風(fēng)管保溫隔熱處理，最大限度利用好系統(tǒng)尾氣資源，確保尾氣溫度不低于結(jié)露溫度；

（2）優(yōu)化余熱系統(tǒng)與主工藝協(xié)調(diào)，確保礦熱爐原有生產(chǎn)不受影響的情況下做到發(fā)電量最大化；

（3）智能化控制系統(tǒng)。將余熱發(fā)電系統(tǒng)分解為多個分系統(tǒng)，先由DCS或PLC實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)或分步驟的自啟停，再通過項(xiàng)目編程根據(jù)機(jī)組的啟停順序?qū)⒁陨戏窒到y(tǒng)或分步驟進(jìn)行有機(jī)串聯(lián)，從而達(dá)到系統(tǒng)智能啟停的目的，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能操作。

3.4.2 改造難點(diǎn)

（1）本項(xiàng)目新建余熱電站需增加一系列的大型設(shè)備，因此，如何更合理的布置這些設(shè)備以及與原來系統(tǒng)的連接以達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的方式是下個階段需要仔細(xì)克服的難題；

（2）本項(xiàng)目的尾氣煙塵含量是8g/m3，且煙塵粒度較小，具有極強(qiáng)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(fā)量下降，發(fā)電量減小等問題。長期運(yùn)氣會導(dǎo)致鍋爐換熱管擊穿，造成重大事故。因此，根據(jù)本項(xiàng)目煙氣含塵濃度較高的特點(diǎn)，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(jī)械振打、介質(zhì)（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(dá)到吹除積灰保證受熱面清潔，提高傳熱效率，恢復(fù)余熱鍋爐出力。

4 項(xiàng)目效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)模型計算，整個項(xiàng)目的投資大約為3，800萬元。按照大工業(yè)用電價格0.45元/kWh計算，年節(jié)省電費(fèi)約為1，847萬元。再扣除水費(fèi)、人員工資、折舊等費(fèi)用，年凈節(jié)省約為1，300萬元。簡單投資回報年限為3年左右，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4.2 環(huán)境效益分析

模型中，年發(fā)電量達(dá)到4，414×104kWh，扣除自用電后年供電量達(dá)到4，105×104kWh，按目前全國火電機(jī)組的平均供電煤耗為330g/kWh標(biāo)準(zhǔn)煤計算，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)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(jié)論

鐵合金行業(yè)是高能耗高污染的行業(yè)，無論從國家節(jié)能減排的角度，還是從企業(yè)自身發(fā)展的需要，都對采用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，降低消耗和生產(chǎn)成本有迫切的需求。本文就工業(yè)礦爐的余熱發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行建模分析，分析證明，余熱發(fā)電作為一種循環(huán)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)模式，提升了經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，并起到了節(jié)能減排，最大限度地減少污染物排放的作用，對國民經(jīng)濟(jì)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(xiàn)：

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