某矿热炉烟气余热利用系统测量与诊断

邓波，严雨林，江潇

（盾安（天津）节能系统有限公司，天津300072）

某矿热炉烟气余热利用系统测量与诊断

邓波，严雨林，江潇

（盾安（天津）节能系统有限公司，天津300072）

对某铁合金厂2台硅铁矿热炉烟气参数进行了现场测量，测量结果表明，测点烟气温度偏低，流量偏大。通过对原始测量数据进行筛选整理，得到了更加真实的测量结果；通过分析测量数据，诊断出导致现有余热锅炉进口烟气温度偏低的主要原因，并给出相应的对策建议。

矿热炉；余热利用；测量；诊断

进入21世纪以来，我国铁合金产量逐年以较高速度递增，2001年我国铁合金产量仅为450万t，经过10多年的高速增长，2013年我国铁合金的总产量达到了3 776万t，约占世界总产量的40%，成为世界第一铁合金生产大国和消费大国。铁合金生产过程中会产生大量中低温烟气余热，以75%硅铁为例，我国目前75%硅铁的平均电耗约为8 500 kW·h/t，普遍比发达国家高10%～20%，矿热炉排放的烟气携带的热量占总输入热量的36%，并且一般温度在300～700℃，具有很高的利用价值。近几年，由于余热锅炉技术的逐渐成熟，矿热炉烟气余热利用技术在我国的铁合金行业开始兴起，在青海、甘肃等地出现了一些较为成功的案例。但是通过实地调研发现，全国也出现许多失败案例，例如一些企业建设矿热炉余热利用系统过于草率，在没有测量矿热炉烟气温度的情况下建设余热发电系统，等余热发电系统投运后发现烟气温度过低，无法达到发电要求；一些厂家余热锅炉没有靠近冶炼车间布置，造成较大烟道热损失；一些厂家上项目前未充分调研业内成败案例，使用的设备无法满足发电要求（主要是余热锅炉）等，这些问题严重制约了铁合金矿热炉余热利用的经济性。因此，准备建设铁合金余热发电系统的企业应该引起重视，尽量全面调研行业现状，并且在项目建设时，尊重科学，不盲目建设。

1 烟气测量简介

某铁合金厂2013年投产一套2×25 500 kVA半封闭矮烟罩硅铁矿热炉（分别称为1#、2#矿热炉）系统，系统配置了2台卧式余热锅炉（单台设计容量为15 t/h，额定蒸汽参数为0.8 MPa饱和蒸汽），利用矿热炉产生的烟气余热生产蒸汽供厂区其他工艺使用（见图1）。余热锅炉投产后不久发现，由于到达余热锅炉进口的烟气温度较低，平均温度＜300℃（余热锅炉的设计进口烟气温度为350℃），余热锅炉出力严重不足（单台锅炉产汽量一般低于8 t/h），并且，两台矿热炉经常性故障导致余热锅炉的产汽量进一步下滑，无法保证稳定充足地向下游工艺供汽。为了找到余热锅炉进口温度偏低的原因，进而寻找解决的对策，对其两台矿热炉烟气余热利用系统进行测量、诊断。

图1 矿热炉系统简图

对该铁合金厂两台25 500 kVA硅铁矿热炉的烟气余热进行为期15天的测量，实际有效测量时间为96 h（一天只测量一班，且刨去了测量期间矿热炉进行检修的时间）。

1.1 测量方法

1.1.1 测点选择

每台矿热炉的炉盖上分别有两个烟囱，矿热炉底层冶炼产生的高温气态物质（CO，SiO等）溢出料面后与炉口进入的冷空气在炉膛中混合并发生氧化反应，形成较高温度的烟气进入烟囱，在烟囱自身抽力和除尘风机的作用下，烟气延烟囱上升到矿热炉车间屋顶后，两个烟囱的烟气汇集到一个横向烟道中（见图1、图2）。烟道外径Dw=2.92 m，管壁厚度为10 mm，管内保温浇筑保温层厚度为50 mm，烟道内径Dn=2.8 m，保温材料的导热系数为0.35 W/m·K，在两个矿热炉对应横向烟道的中部偏下位置各开一40 cm小孔，作为矿热炉的烟气测点；测点到余热锅炉进口之间的烟道长度为150 m。

图2 矿热炉测点位置及车间外观照片

1.1.2 测量方法

采用S型毕托管测量烟气的动压、静压[1]，使用手持热电偶测烟气温度，参数采集时间间隔≤15 min；另外，安排相应人员在矿热炉操作平台记录矿热炉中控室数据及矿热炉的冶炼状态。

测量期间，在保证不影响矿热炉正常冶炼的情况下，一般使变频除尘主风机尽量保持在较低频率运行（本系统控制在28～30 Hz），同时，要求冶炼人员在捣炉完毕后及时关闭炉门，通过这两种方式降低矿热炉的冷风渗入量，提高测点烟温。

1.2 测量数据

1.2.1 测量数据初步分析

通过测量，得到了测点位置的烟气动压（Pd）、静压（Ps）及温度（ts）等数据，带入公式（1）中，计算得出烟气的流速（Vs），其中皮托管修正系数Kp取0.83，当地大气压B0为89 220 Pa，烟气分子量Ms为29 kg/kmol。

由烟气流速和烟道内径求得标况烟气流量Qf：

进而根据烟气的定压比热Cp得到烟气热功率：

在矿热炉操作平台记录的数据有矿热炉的有功功率、除尘系统主风机频率等。

下面用图和表格的形式展示此次测量结果，图3、图4分别为1#、2#矿热炉测点烟气温度随时间的变化；表1、表2分别为1#、2#矿热炉采集数据的整理结果，包括测点的烟气温度、烟气流量、烟气热功率及矿热炉有功功率的算术平均值（代表烟气参数的平均水平）、标准差（代表参数的波动水平）、标准差/算术平均值（代表参数的波动水平）。

图3 1#矿热炉烟气温度随时间变化

表1 1#矿热炉烟气参数分析结果

由图3、表1可知，1#矿热炉在测量期间，烟气温度在250～400℃波动，平均温度为310℃，标准差为44℃，烟气温度较低，波动幅度较大；烟气流量平均值为17.6万Nm3/h，标准差为3.21万Nm3/h，流量较大（25 500k VA矿热炉，烟气平均温度应控制在400℃左右，才适合发电[2]，为此需将烟气流量降低为10～13万Nm3/h）。

图4 2#矿热炉烟气温度随时间变化

表2 2#矿热炉烟气参数分析结果

由图4、表2可知，2#矿热炉在测量期间，烟气温度在200～400℃波动，平均温度为307℃，标准差为48℃，烟气温度较低，波动幅度较大；烟气流量平均值为14.3万Nm3/h，标准差为2.53万Nm3/h，流量仍然较大。

2 烟气温度偏低原因分析

2.1 测点到余热锅炉进口温降粗算

测量得到烟道表面温度t3=65℃，烟道钢管的导热系数λ1=42 W/m3·K，烟气温度为测点温度，测点到锅炉进口之间烟道长度为L=150 m，保温浇筑料厚度为d=50 mm，导热系数λ2=0.35 W/m3·K，烟道外径Dw=2.92 m，烟道内径Dn=2.8 m。

将以上数据代入公式（4）计算测点处延烟道单位长度热流量：

从测点到锅炉进口之间烟道热损失：

余热锅炉进口烟气热功率：

则余热锅炉进口烟气比热：

由C'p可得出余热锅炉进口烟气温度t2'，则烟气的温降为：

表3 圆#矿热炉烟气参数分析结果

由表3可以看出，在现有的保温条件下，由于从测点到余热锅炉进口之间烟道较长，2台矿热炉对应烟道的热损失都较大，烟气温降较大，需要适当加强烟道保温。

2.2 矿热炉冶炼状态对烟气热量的影响

根据矿热炉的物料平衡和热平衡可知[3-4]，矿热炉的烟气热量主要来源于炉底反应生成并溢出料面的高温气态物质（CO，SiO等），矿热炉的冶炼状况决定了高温气态物质的生成量，当矿热炉电极输入的有功功率低于额定功率时（额定有功功率为25.5 MW），矿热炉的冶炼反应变慢，产生的高温气态物质减少，烟气热量降低，当烟气流量不变时，烟气温度会降低；此外，当矿热炉炉况恶化，发生频繁刺火时，烟气热量会有所增加。

图5 为矿热炉（包含1#、2#）有功功率和烟气热功率在测量期间的对应关系，测量期间两台矿热炉正常生产运行的电压档位为6～8档（有功功率＞20 MW），在电极烧结、供料不足等不正常运行状况下，档位较高为15～17档（有功功率＜20 MW），由图5可知，烟气热功率比矿热炉有功功率低，并且与矿热炉有功功率呈正相关性，当矿热炉不正常运行即有功功率较低时，烟气热功率随之下降，这和冶炼的实际情况是相符的。

由此可见，提高对矿热炉的操作水平，加强矿热炉的维护保养，改进阻碍矿热炉正常生产的一切不利因素，以使矿热炉尽量稳定、接近满负荷运行，对保持较高烟气温度至关重要。

图5 矿热炉烟气热功率及矿热炉有功功率随时间变化

2.3 除尘系统主风机运行频率对烟气温度的影响

2台矿热炉各配置一台除尘风机，除尘风机的全压为6 000 Pa，额定流量为41万m3/h（假设烟气温度为200℃，则换算成标况流量为23.7万Nm3/h，远超出适合发电的烟气流量范围10～13万Nm3/h），风机的额定转速为980 r/min，并采用变频调节。进行测量诊断前，风机频率一直保持在较高频率下（38～44 Hz）运行，导致矿热炉的烟气量过大，即从矿热炉炉口混入的冷风过多，由于矿热炉在稳定运行时溢出的气态高温物质的热量是基本固定的，因此，烟气量过大会显著降低烟气温度，不利于余热锅炉的正常运行。

在此次测量期间，通过降低风机频率（降至28 Hz左右），烟气温度得到明显提升，但是在本系统上过分降低风机频率会导致矿热炉炉口冒烟，使操作环境变差，因此没有进一步降低频率，并且测量时为避免对冶炼操作造成影响，采用逐步降低风机频率的方式进行调节，因此，测量数据实际对应的风机频率不是固定的，调节范围为26～38 Hz。

2.4 出铁口冷空气灌入对烟气温度的影响

该型号矿热炉有3个出铁口，每个出铁口对应有一个吸尘口，在出铁时，吸尘口会打开，将出铁时产生的烟尘抽走（其中大部分是冷风）；在本系统中，原设计将3个出铁吸尘口的烟气通过一套辅助除尘系统进行除尘，由于该系统设计不合理而在停用改造，临时将其中的两个吸尘口直接连接到二层平台的矿热炉烟囱上（见图6），因此，当这两个出铁口出铁时，会有大量冷风进入烟囱，导致测点所测得的烟气温度显著降低。可见，为了提高余热锅炉进口烟气温度，必须修复原辅助除尘系统，并将出铁口的吸尘管道从矿热炉烟囱上移除。

图6

3 测量数据筛选

由以上分析可知，矿热炉运行故障（导致电极功率偏低），除尘风机频率过大（导致混入冷风过多）及出铁吸尘口与烟囱直接连接（使冷风从吸尘口进入烟囱）是降低测点位置烟气温度的3个主要因素；为了尽量真实地反映矿热炉的烟气品质，测量期间需保证3点：矿热炉满负荷稳定运行，除尘风机保持较低频率（28 Hz左右）运行，在非出铁时间段内测量。

图3、图4、表1、表2中所示测量结果没有考虑以上3点要求，得到的测点温度较低，因此为了得到更为准确的测量数据，对原始数据进行如下处理：（1）去除矿热炉有功功率＜20 MW的测量数据；（2）去除风机频率＞30 Hz且烟气温度低于300℃的点，排除风机高频率运行的不利影响；（3）除出铁时间段内，温度低于300℃的点，排除出铁口灌入冷风对烟气温度的不利影响（由于3个出铁口中只有两个出铁除尘口与烟囱连接，另一个未与烟囱连接，该出铁口出铁时，测点烟气温度不受影响）。

按照以上整理方法，对1#、2#矿热炉的测量数据进行筛选并作分析处理。图5、图6为处理后1#、2#矿热炉烟气温度随时间的变化，表3、表4分别为筛选后1#、2#矿热炉采集数据的整理结果。

图7 1#矿热炉烟气温度随时间变化（筛选后）

表4 1#矿热炉烟气参数分析结果（筛选后）

图8 2#矿热炉烟气温度随时间变化（筛选后）

表5 2#矿热炉烟气参数分析结果（筛选后）

烟气平均温度有所上升，1#为332℃，2#为324℃。

4 结语

（1）通过测量得到1#、2#矿热炉的烟气参数实测数据，数据显示两台矿热炉的测点烟气平均温度较低，平均烟气流量较大，证实了业主的反馈。

（2）根据所采集数据粗略计算1#、2#矿热炉烟道热损失显示，虽然烟道内部有浇注料保温，但由于测点到余热锅炉进口之间烟道较长，烟道热损失和烟气温降仍然很大。

（3）分析得出了导致测点位置烟气温度偏低的主要影响因素有3个：矿热炉故障（导致电极负荷的偏低）、除尘风机频率过大（导致烟气量过大）、出铁口与烟囱直接连接（导致出铁吸尘口冷空气灌入烟囱）。考虑以上3点，对测量数据进行筛选处理，结果显示，测点位置烟气温度有所升高，但是升高幅度不大，且烟气流量仍然偏大，这说明除尘风机频率还要进一步下降。

（4）为了进一步提高余热锅炉进口烟气温度，提出以下几点建议：①强化测点到余热锅炉进口之间烟道保温措施，使温降控制在10℃左右；②不断完善和优化矿热炉的操作水平和系统工艺，使矿热炉保持稳定高效运行；③修复原有辅助除尘系统，并且将与烟囱连接的出铁吸尘口移除；④优化矿热炉主除尘系统工艺，以降低矿热炉烟气流量，提高烟气温度。

[1]GB16157-1996，固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法[S].

[2]惠兆森，李国芳.硅铁炉余热发电系统设计[J].铁合金，2011(5)：33-36.

[3]栾心汉，唐琳，李小明，等.铁合金生产节能及精炼技术[M].西安：西北工业大学出版社，2006:89.

[4]Γ.В.САМОХВАЛОВ，钱玉麟.矿热炉的能量平衡[J].铁合金，1987(4):44-46.

2014中国循环经济发展论坛在京召开

2014年11月1—2日，由中国循环经济协会主办的2014中国循环经济发展论坛（以下简称论坛）在北京会议中心隆重召开。主论坛由中国循环经济协会执行会长赵家荣主持。

论坛的主要议题是：贯彻落实党的十八大、十八届三中和四中全会精神，紧紧围绕“发展循环经济，建设生态文明，促进经济转型”的主题，总结10年来发展循环经济的成效、经验和问题，分析经济新常态下循环经济发展面临的机遇和挑战，研讨加快循环经济发展的战略和政策，如何将依法治国战略贯彻到推动循环经济发展的过程中，提出促进资源循环利用产业发展和构建循环型社会的新思路、新举措。

第十届全国政协副主席、中国工程院原院长、主席团名誉主席、中国工程院院士徐匡迪,国家发展和改革委员会副主任解振华，全国政协经济委员会副主任石军，环境保护部原副部长张力军，中国城市科学研究会秘书长李迅在论坛上发表了主旨演讲。国务院参事室特约研究员、第十届全国人大环资委副主任冯之浚主持了高端对话，围绕“循环经济十年回顾与展望”这一主题，第十届全国人大环资委主任毛如柏，国务院参事室参事、科技部原副部长刘燕华，第十届全国人大环资委副主任委员、中国工程院院士、清华大学学术委员会主任钱易，中国工程院院士、清华大学教授金涌，国家发展改革委环资司司长何炳光，中国建筑材料集团有限公司副董事长姚燕等嘉宾进行了精彩对话。

主论坛着重研讨了循环经济与经济转型发展、循环经济与生态文明建设、循环经济与新型城镇化建设、循环经济与产业优化升级、循环经济与污染防治战略等重要议题；总结了10年来中国循环经济发展取得的成效和经验，对如何加快循环经济发展、构建循环型社会进行了战略思考，提出了应对策略。论坛还对产业循环经济、园区循环化改造、资源再生利用、再制造、垃圾资源化利用、投融资等重点领域的难点和热点问题进行了深入研讨。本论坛对推动循环经济发展，加快生态文明建设将产生积极影响。

在主论坛上，中国循环经济协会发布了《中国循环经济大事记》、《中国循环经济最佳实践》等研究成果。同时还举行了“碳中和”交易证书颁发仪式，中国循环经济协会通过天津排放权交易所交易所购买了中国首批签发的核证自愿减排量（CCER），实现了论坛二氧化碳的“零”排放，这是循环经济领域的社会团体首次开展自愿碳减排活动，对倡导低碳发展具有引领示范意义，对论坛各项活动中产生的碳排放量核算是由中国质量认证中心完成的。

2014中国循环经济发展论坛设主论坛和产业循环经济、园区循环化改造、资源再生利用、再制造、垃圾资源化、投融资6个分论坛，国家和地方有关部门、行业协会、院士专家、有关机构、企业和媒体代表1 200余人参加论坛。

Detection and diagnosis of ore smelting furnace's residual-heat utilization system

DENG Bo，YAN Yulin，JIANG Xiao
（DunAn（Tianjin）Energy Reservation System CO.,LTD,Tianjin,300072,China）

A measurement was carried out on fuel gas parameters from two ferrosilicon furnace，the measuring result showed that the temperature was lower and flow was higher at the measure point than the fact.By screening the original measurement data,a more realistic measurementresult was obtained.According to the analysis of measurement data,the main reason to the flue gas with lower temperature in the waste heat boiler inlet was found out,and the corresponding suggestion was given.

ore smelting furnace;waste-heat utilization;detection;diagnosis

X753

A

1674-0912（2014）11-0037-05

2014-09-28）

邓波（1977-），男，江西萍乡人，博士，高级工程师，专业方向：暖通空调及节能。