基于工业矿炉余热发电的建模分析

陈业麟

摘 要：工业矿炉在生产时有大量的余热资源被白白浪费、本文针以某工业矿炉为例，对工业矿炉生产时产生的尾气进行采样分析，并运用先进的Thermoflow軟件建模分析，提出可以采用余热发电的方法减少能源需求，降低能源浪费。

关键词：工业矿炉；余热发电；建模；节能减排

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

0 引言

能源、原材料、水和土地等自然资源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，是整个社会可持续发展的保证。但随着经济发展，资源约束的矛盾日益凸显。2016年12月，国家发改委、能源局联合发布了能源发展“十三五”规划，规划中明确指出：“在‘十三五期间，单位国内生产总值能耗下降18.4%，二氧化碳排放强度下降20%以上”。铁合金行业是典型的能耗大，效率低，污染大的行业，若能以先进适用的技术加以改造，淘汰落后工艺设备，促进工艺装备升级，不仅可以提高能源利用效率，同时也可以大大降低对环境的影响。

本文采用模拟软件对工业矿炉进行余热发电技术的建模分析，利用热回收装置将矿热炉排放的尾气余热回收并转换为电能再用于冶炼生产，尾气温度大幅降低并处理后排入大气，这对降低铁合金生产综合能耗、碳排放、减少对环境的热污染将是非常有效的途径。

1 改造前状况

业主方原有两台2台25MVA的矿热炉生产工业硅、铁合金等产品，在生产的同时会产生大量的高温烟气。根据现场实测数据，1#炉的烟气平均温度为440℃，2#炉的烟气平均温度为460℃。通常的做法是利用空气和尾气混合，当温度降至220℃左右，利用旋风除尘器进行除尘。之后在进入引风机之前，利用冷却水对烟管进行喷淋（二次降温处理），冷却后的尾气温度降低到180℃左右，通过引风机进入布袋除尘器，处理后的尾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，但缺点是需耗费大量电能和水资源，同时尾气的热能没有得到充分的利用造成能源浪费。

2 模拟软件简介

美国Thermoflow公司是一家专门从事电厂热平衡类计算的专业软件公司。其主要产品包括燃气轮机系统和火力发电STEAM系列，其主要作用是帮助技术人员解决电厂设计前期所涉及到的热平衡，电厂费用估算及经济性分析等。

3 改造方案

3.1 烟气资源

在对余热电站进行详细的建模分析之前，首先必须对烟气的余热资源进行详细的采样分析。根据现场实测，烟气的余热参数如下表1：

3.2 改造工艺模型介绍

3.2.1 改造工艺介绍

改造方案拟在每台矿热炉的烟气出口和原有的除尘器烟道中间增加一套余热发电系统，将原有的尾气处理系统旁通。改造后，从矿炉中产生的高温尾气经余热锅炉放热后，再经过原袋式除尘器，而后由引风机送至大气。若余热锅炉和发电系统故障，则尾气仍可以利用原除尘系统，并不会对排放造成任何影响。这两套系统之间的切换由烟道上的阀门来控制，如此可以确保这两套系统灵活切换使用。其工艺流程图如下图所示：

3.2.2 余热电站模型

将工业矿炉的出口烟气参数输入进Thermoflow软件，根据软件模拟可以得到整个余热电站的系统图如下：

该余热电站的三大主机参数如下：

（1）1#余热锅炉主要热力参数（1台）：

锅炉蒸发量 13.66t/h

蒸汽出口压力 1.70MPa

蒸汽出口温度 420℃

（2）2#余热锅炉主要热力参数（1台）：

锅炉蒸发量 14.70t/h

蒸汽出口压力 1.70MPa

蒸汽出口温度 440℃

（3）汽轮机主要技术参数（1台）：

型式：单缸、冲动、纯凝式汽轮机组

额定输出功率： 6，000kW

主蒸汽压力： 1.60MPa

主蒸汽温度： 420℃

工况主蒸汽流量： 28.36t/h

（4）发电机主要技术参数（1台）：

额定功率： 6，000kW

额定电压： 10KV

功率因素： 0.8

励磁方式：静止可控硅励磁

3.3 软件模拟结果

3.4 项目实施的难点和重点

3.4.1 改造重点

（1）进口风管保温隔热处理，最大限度利用好系统尾气资源，确保尾气温度不低于结露温度；

（2）优化余热系统与主工艺协调，确保矿热炉原有生产不受影响的情况下做到发电量最大化；

（3）智能化控制系统。将余热发电系统分解为多个分系统，先由DCS或PLC实现各分系统或分步骤的自启停，再通过项目编程根据机组的启停顺序将以上分系统或分步骤进行有机串联，从而达到系统智能启停的目的，实现远程智能操作。

3.4.2 改造难点

（1）本项目新建余热电站需增加一系列的大型设备，因此，如何更合理的布置这些设备以及与原来系统的连接以达到最经济的方式是下个阶段需要仔细克服的难题；

（2）本项目的尾气烟尘含量是8g/m3，且烟尘粒度较小，具有极强的粘附力和非常高的阻热、隔热力。如果清理不净，余热锅炉换热面被烟尘附着，短期将造成余热锅炉蒸发量下降，发电量减小等问题。长期运气会导致锅炉换热管击穿，造成重大事故。因此，根据本项目烟气含尘浓度较高的特点，建议采用光管管束，以减少烟尘附着在换热面上。目前，余热锅炉清灰装置有多种方式可供选择，如机械振打、介质（蒸汽或压缩空气）吹灰、冲击波吹灰、钢珠清灰等。建议采用钢珠清灰的装置。能更好的达到吹除积灰保证受热面清洁，提高传热效率，恢复余热锅炉出力。

4 项目效益分析

4.1 经济效益分析

根据模型计算，整个项目的投资大约为3，800万元。按照大工业用电价格0.45元/kWh计算，年节省电费约为1，847万元。再扣除水费、人员工资、折旧等费用，年净节省约为1，300万元。简单投资回报年限为3年左右，经济效益显著。

4.2 环境效益分析

模型中，年发电量达到4，414×104kWh，扣除自用电后年供电量达到4，105×104kWh，按目前全国火电机组的平均供电煤耗为330g/kWh标准煤计算，年节约标准煤13，546t，每年减少CO2排放量33，771t，SO2排放量1，015t，NOx排放量507t。

5 结论

铁合金行业是高能耗高污染的行业，无论从国家节能减排的角度，还是从企业自身发展的需要，都对采用先进的节能技术，降低消耗和生产成本有迫切的需求。本文就工业矿炉的余热发电项目进行建模分析，分析证明，余热发电作为一种循环经济生产模式，提升了经济发展质量，降低生产成本，并起到了节能减排，最大限度地减少污染物排放的作用，对国民经济效益和社会效益都是起到了积极示范和推动的作用。

参考文献：

[1]沈宏涛.工业硅矿热炉烟气余热发电技术探讨[J].能源与节能，2013（10）.

[2]高志宏，高志明.基于工业硅余热发电的循环经济分析研究[J].河南电力，2011（03）.