工業(yè)硅行業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)的重要組成部分，每年消耗大量能源，據(jù)統(tǒng)計，中國平均每噸工業(yè)硅需要消耗13 000 kW˙h電以上，全國年產(chǎn)100×104 t工業(yè)硅需要耗電13×108 kW˙h以上。隨著中國逐步建立全社會的資源循環(huán)利用體系和節(jié)能減排工作的深入進行，工業(yè)硅作為能耗大戶，佘熱回收勢在必行。實施節(jié)能技術改造，提高能源綜合效率，既是響應國家號召，建設節(jié)約型社會的客觀需要，也是企業(yè)降低成本，提高企業(yè)市場競爭力的需要[1]。文章結(jié)合工業(yè)硅煙氣余熱
發(fā)電綜合利用項目，對當前工業(yè)硅爐煙氣余熱發(fā)電技術進行了研究和探討。
工業(yè)硅煙氣余熱特點
a)煙氣余熱屬于中溫余熱、廢氣流量較少，熱品位較低;
b)煙氣余熱的參數(shù)(溫度、流量)具有一定的波動性，波動范圍大;
c)煙氣中的硅灰(俗稱硅微粉)極細，有極強粘附力和非常高的熱阻。受熱外管壁粘灰后會大大降低熱交換率[2]。
煙氣余熱發(fā)電改造前狀況
自原工業(yè)硅廠2臺礦熱爐來的400 ℃~600 ℃高溫煙氣，通過混風，達到降溫的目的。溫度降低到220 ℃~230 ℃后，首先進入到雙效旋風除塵器中，進行第一次除塵處理，除塵得到的煙塵(即SiO2粉)經(jīng)卸料機卸出，進行包裝。經(jīng)過第一次除塵處理的煙氣，在進入風機之前，通過向煙氣管到噴淋冷卻水，進行二次降溫處理，經(jīng)冷卻水冷卻的煙塵溫度降低到180 ℃~200 ℃左右，通過引風機進入布袋除塵器，凈化后煙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，但需耗費大量電能和水資源，同時煙道的高溫煙氣的熱能沒有得到合理的利用造成熱能的浪費。
余熱發(fā)電改造方案
余熱資源
高溫煙氣的流量和溫度參數(shù)決定了余熱電站的裝機方案，高溫煙氣的煙塵成分及其含量決定了余熱鍋爐的清灰方式。經(jīng)現(xiàn)場實測，原工業(yè)硅廠2臺礦熱爐煙氣余熱參數(shù)如下：
煙氣總量： 2×70 000 Nm³/h;
煙氣溫度： 450 ℃;
表1 煙氣成分和參數(shù)
煙氣成分單位N2H2OCO2O2
體積含量%772318
表2 煙塵成分及含塵量
煙塵成分單位SiO2Al2O3Fe2O3CaO
體積含量%86～900.2～1.70.3～6.00.2～0.5
煙氣含塵量：7 g/Nm³。
裝機方案
按目前成熟的余熱發(fā)電工藝，煙氣經(jīng)廢熱鍋爐利用后，溫度可從450 ℃降至200 ℃左右。根據(jù)熱力學公式，可以計算出每小時1臺礦熱爐可利用的煙氣余熱量為2 415×104 kJ/h。
根據(jù)設計及工程實施的數(shù)據(jù)及工程經(jīng)驗，余熱鍋爐對余熱的利用效率90%，發(fā)電機組的效率為40%。本項目計算取余熱鍋爐80%的能效，取發(fā)電機組的能效40%。則2臺礦熱爐產(chǎn)生煙氣的計算余熱發(fā)電平均功率為4 293 kW。考慮到余熱發(fā)電受礦熱爐工況影響較大，煙氣溫度和流量等參數(shù)具有一定的波動性，且波動范圍較大等因素，本項目確定裝機方案2×8 t/h硅業(yè)煙氣專用余熱鍋爐+ 1×3 MW純凝汽式汽輪發(fā)電機組。三大主機主要參數(shù)如下：
工藝流程
利用硅廠工業(yè)硅礦熱爐高溫煙氣進行回收用于發(fā)電，達到節(jié)能減排、綜合利用、保護環(huán)境的目的[3]。煉硅產(chǎn)生的高溫余熱煙氣經(jīng)煙道送入余熱鍋爐經(jīng)過換熱后，產(chǎn)生的高溫高壓蒸氣推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，高溫煙氣經(jīng)余熱鍋爐吸熱降溫后，再進入原有除塵器，經(jīng)除塵后排放。發(fā)電機所發(fā)電能通過升壓變壓器升壓后接入硅爐35 kV配電裝置母線，余熱電站與現(xiàn)有電力系統(tǒng)實現(xiàn)并網(wǎng)運行，運行方式為并網(wǎng)不上網(wǎng)。在不改變原有供電及運行方式的前提下，發(fā)電機發(fā)出的電量將全部用于全廠負荷。
按照煙氣余熱發(fā)電方案，已經(jīng)被利用過的煙氣從余熱鍋爐出來后，溫度仍然有200 ℃，由于溫度較低，其熱能品位降低，利用難度加大。為充分利用好能源，提高能源利用效率，根據(jù)煙氣余熱梯級利用原理，其熱量可以被用來產(chǎn)生余熱鍋爐補汽。但是從補汽鍋爐出來的煙氣溫度仍然有150 ℃左右，這部分煙氣仍包含熱量，對此，這部分熱量可以用來產(chǎn)生熱水用于洗澡用，然后被冷卻到120 ℃以下的煙氣可以符合標準的進入布袋除塵器進行處理。
該方案從能源利用與工藝角度來講，它能源利用比較充分，能源利用率高，出口煙氣溫度能立即達到布袋塵除塵器的要求，不需要另外投資降溫裝置，工藝配合性好。
余熱發(fā)電技術改造重點和難點
煙氣參數(shù)測量
余熱電站能否到達設計要求的額定出力，能否取得良好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，高溫余熱煙氣的流量、溫度等參數(shù)起到至關重要的作用。根據(jù)實際調(diào)研，并結(jié)合工業(yè)硅生產(chǎn)行業(yè)目前普遍的發(fā)展水平，大多數(shù)工業(yè)硅廠不能提供煙氣監(jiān)測參數(shù)，在原工廠建設時也沒有考慮預留煙氣監(jiān)測接口，而現(xiàn)場工業(yè)硅爐處于全天24小時不間斷生產(chǎn)狀態(tài)，要實時的測量煙道的高溫煙氣參數(shù)，需要面臨現(xiàn)場高溫帶電作業(yè)、高空墜落等危險因素的考驗。但若不測量煙氣參數(shù)，則設計無重要原則性輸入的支撐。因此，建議委托專業(yè)的熱工測量隊伍，依托專業(yè)的測量技術和專業(yè)儀器設備，采取有效的安全防范措施和手段，對余熱煙氣參數(shù)進行實地測量，以取得最直接的原始設計參數(shù)。
總平面布置
工業(yè)硅高溫余熱煙氣發(fā)電綜合利用均在原有硅廠廠區(qū)內(nèi)依托原有高溫煙道進行技術改造，新增汽機房、余熱鍋爐、冷卻塔、主變壓器等設施。而根據(jù)調(diào)研，大多數(shù)工業(yè)硅廠的現(xiàn)狀是建設時缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，廠區(qū)內(nèi)管線縱橫交錯，能有效利用的場地較少，且普遍存在原有建構(gòu)筑物缺少或遺失原始土建或工藝設計資料的情況。因此，如何利用有限的場地資源合理布置分區(qū)，即節(jié)約用地、合理利用地形、方便集中管理，又保證縮短管線、工藝系統(tǒng)布局走向合理;既要滿足項目的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟性要求，又要滿足項目施工及投產(chǎn)后的安全性要求，是擺在設計面前的一個重大課題。建議如果能夠收集到與余熱發(fā)電綜合利用工程相關的原廠建構(gòu)筑物及其基礎設計原始資料，在確保安全、可靠、經(jīng)濟并有利于總平面優(yōu)化布置的前提下，經(jīng)過和業(yè)主的充分溝通，征得業(yè)主同意的前提下，可以考慮利用原廠即有的一些設備支吊架、廠區(qū)管架進行項目的設計。否則，從安全可靠的角度出發(fā)，余熱電站的設備支吊架等建構(gòu)筑物應全部考慮新建，不應與原廠建構(gòu)筑物發(fā)生聯(lián)系，但這同時對余熱電站總圖的優(yōu)化布置提出了更高的要求。
鍋爐清灰方式選擇
余熱鍋爐為本工程最關鍵設備之一，工業(yè)硅余熱鍋爐的難點在于：工業(yè)硅礦熱爐煙氣中的SiO2極細，其微小的顆粒被稱為硅微粉。硅微粉的平均粒徑200 nm ~400 nm，粉塵壁表面積20 m2/g(極易產(chǎn)生靜電、極易吸附而且隔熱性能非常好)，其煙氣中硅微粉塵含量在灰 5 g/Nm3~7 g/Nm3(濃度較高)，粉塵堆積密度：0.18 t/m3(特輕);其具有極強的粘附力，和非常高的阻熱、隔熱力。如果硅微粉清理不凈，鍋爐很難正常運行，進而將直接影響機組的長期穩(wěn)定運行能力及發(fā)電量的大小。
據(jù)調(diào)查了解，余熱鍋爐受熱面有螺旋鰭片管、光管、針形管等主要形式，而余熱鍋爐除灰有蒸汽吹灰、激波吹灰、機械振打清灰、鋼刷除灰 、乙炔爆燃除灰等形式，余熱鍋爐清灰是否徹底和干凈，既和鍋爐受熱面的形式息息相關，又和鍋爐清灰的方式密切聯(lián)系。只有選擇了合適的受熱面形式和與之相適應的清灰方式，才能有效解決余熱鍋爐的積灰問題。根據(jù)調(diào)查了解到的目前一些余熱鍋爐生產(chǎn)廠家的情況，通過對一些硅鐵余熱發(fā)電廠運營情況的調(diào)查，考慮到螺旋鰭片管因自身結(jié)構(gòu)原因，對硅微粉積灰很難清理。硅微粉有很強的粘結(jié)性，遇水或水蒸汽更容易粘結(jié)。激波吹灰能量相對較低，對吸附性極好的硅微粉的清除比較困難。采用光管+機械擦刷式清灰方式，清灰效果雖然較好，但是在滿足總圖緊湊布置要求的情況下將增加工程土建投資。
綜合考慮，在本工程中，選擇了針形管受熱面+乙炔(C2H2)爆燃除灰方式的余熱鍋爐。建議在類似項目開展過程中，應加大收資力度，通過調(diào)查走訪，多了解目前余熱鍋爐廠主要的受熱面形式和清灰方式組合，尤其要多調(diào)查了解已有的余熱電站運行情況，對余熱鍋爐實際運行效果進行分析比較，再結(jié)合項目實際煙氣參數(shù)情況，選擇最合適的余熱發(fā)電鍋爐。
余熱發(fā)電綜合利用能耗及環(huán)保效益
工業(yè)硅生產(chǎn)是高能耗行業(yè)，無論從國家節(jié)能降耗政策，還是企業(yè)自身發(fā)展的需要，采用先進節(jié)能技術，大幅度降低消耗和生產(chǎn)成本，消除安全隱患，是生產(chǎn)企業(yè)目前迫切需要解決的問題。該余熱發(fā)電綜合利用項目成功實施，可以對企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)用能進行優(yōu)化，提高能源利用效率，對降低企業(yè)產(chǎn)品成本，實現(xiàn)節(jié)能降耗，增強企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力具有重要意義。同時也為地區(qū)行業(yè)內(nèi)規(guī)模化開展節(jié)能減排、綜合利用工作起到積極示范和推動作用。
