硅铁矿热炉烟气余热发电技术研究及案例分析

Alexandria2020

硅铁矿热炉烟气余热发电技术研究及案例分析

摘要：介绍了硅铁矿热炉烟气余热发电系统的发展及应用。硅铁矿热炉烟气余热发电技术在近十年来在我国得到了迅速发展，随着设备国产化技术改造和人力资源的整合，在硅铁矿热炉烟气余热发电系统建设运行管理中各个总包商都有不同的技术措施和方法。本文通过多案例的数据比较分析，总结在设备、安全、经济性、技术管理等方面需要关注的问题，有助于硅铁矿热炉烟气余热发电系统更快速的发展，为今后相同及相似工程的实施提供参考。

硅铁余热发电技术是利用硅铁冶炼矿热炉烟气余热进行发电的技术。铁合金行业作为钢铁工业的重要组成部分，每年消耗大量能源，其产品是高能载体，而且冶炼过程中产生的高温烟气和设备散热带走了大量的能量。作为三大铁合金系列产品之一的硅铁，消耗的电能几乎占到整个铁合金工业的50%。

1 行业能耗现状

1.1 行业现状

铁合金是钢铁工业非常重要的原材料，在炼钢过程中用作脱氧剂、脱硫剂、合金元素添加剂等，按主要元素可分为：硅系铁合金、锰系铁合金、铬系铁合金和特种铁合金。

硅铁就是铁和硅组成的铁合金。硅铁是以焦炭、钢屑、石英(或硅石)为原料，用电炉冶炼制成的铁硅合金。由于硅和氧很容易化合成二氧化硅，所以硅铁常用于炼钢时作脱氧剂，同时由于SiO2生成时放出大量的热，在脱氧的同时，对提高钢水温度也是有利的。

同时，硅铁还可作为合金元素加入剂，广泛应用于低合金结构钢、弹簧钢、轴承钢、耐热钢及电工硅钢之中，硅铁在铁合金生产及化学工业中，常用作还原剂。

财政部、税务总局发布《财政部、税务总局关于取消部分钢铁产品出口退税的公告》(以下简称《公告》)，自5月1日起，取消部分钢铁产品出口退税。同时，国务院关税税则委员会发布公告， 5月1日起，调整包括生铁和还原铁，钢坯钢锭、再生钢铁原料和铬铁等四大类钢铁产品进口关税为零关税。

除了经济措施之外，停滞了近一年半的钢铁产能置换工作将于6月1日重启。工信部发布新的《钢铁行业产能置换实施办法》，大幅提高钢铁置换比例，扩大大气污染防治重点区域，明确置换范围，严守不新增产能红线。这一实施办法将于6月1日起实施。

从需求端看，硅铁需求分为四个部分，分别为钢厂、金属镁、出口、铸造。2020年受疫情影响，硅铁产量总体略有下降。其中，2020年我国粗钢产量10.53亿吨，同比增长5.2%，创下历史新高，对应硅铁在钢铁行业中产量略有上升，但疫情影响下，金属镁以及出口均有所下降，导致全年硅铁产量538万吨，同比下降5.9%。预计2021年硅铁需求稳中略升，疫情影响消退，国内外需求恢复，硅铁四大下游需求均有所回暖。全年总需求达到560-570万吨左右水平，同比增长在5%上下。

从产能端看，我国硅铁现有产能约800万吨，有250万吨不具备生产条件，实际产能为550万吨。内蒙古、青海、陕西、宁夏和甘肃为我国目前硅铁五大产区。2020年全国共生产硅铁538.09万吨，内蒙古产区硅铁产量为196.76万吨，占全国总产量的36.6%。内蒙古产区的硅铁产量会直接影响全国硅铁供给能力。鄂尔多斯单家产能160万吨，占全国产能的30%。

1.2 能耗现状

铁合金的生产是一个高耗能(电力)行业，因此铁合金的生产受到能源电力供应成本的影响。随着世界范围内能源的消耗和短缺，电力成本对铁合金行业的影响将愈来愈大。

以硅铁为例，硅铁生产成本中60% ～ 75%为电力成本，充足、稳定的电力能源供应是硅铁生产的基本保障。因此，电价的调整将明显影响硅铁企业的经营成本，生产一吨硅铁所消耗的电能在8400 ～ 9000 kWh，目前在宁夏地区电价为0.42 ～ 0.43 元/kWh，以此计算每吨硅铁所需电力成本为3740 元。

硅铁冶炼能源的输入与输出：

输入：在硅铁冶炼过程中，输入电炉能量的45%为电能，其余的大部分能量来自于冶炼化学反应。

输出：硅铁冶炼输入的能源，在冶炼中大部分传递到烟气以及熔融的成品（硅铁合金）中，其中烟气所携带的显热可以利用。

硅铁电炉烟气中的大量热能-约相当于总输入能量的50%左右，目前的利用率相当低，大部分被烟气带走排入大气。

2 市场分析及发展前景

2.1 行业市场

近年来硅铁行业依旧深陷价格战的泥潭。在市场预期不佳，产能却持续增长的背景下，如何从企业本身做出结构性的产业转型，提升企业的盈利水平是当务之急。2014 年青海地区多数铁合金企业完成余热发电、烟气粉尘回收等多项技术改造。

当前，中国硅铁行业依旧面临产能过剩、产品结构、环保压力增大等诸多难题，唯有深层次的变革才能赢得生存发展空间。同时，随着一带一路战略的持续推进，在基建大量需求钢材的大背景下，硅铁等原材料需求将得到进一步提升，相信在未来硅铁行业必将迎来一个产业春天。但基于目前的市场行情，硅铁企业必须优化自身的产业结构，提高自身生产效率，例如广泛推进余热发电项目、发展产业链模式完善循环经济、大力推进中小企业的兼并重组等，只有降低企业自身生产成本才能迎来市场新的契机。

新疆某镁业有限公司规划建设年产150 万t 铁合金生产线，共需建设54 台33000 kVA 半封闭矿热炉，建设完成后，预计余热发电的装机容量可达120 MW；宁夏某镁业有限公司规划建设年产40 万t硅铁合金生产线，建设完成后，预计余热发电的装机容量可达50 MW。

2.2 行业前景

1）淘汰落后产能、兼并重组。
2）降低能耗提升企业经济效益。

2.3 发展前景

2.3.1 政策鼓励

1）《铁合金行业准入条件》(2015 年修订)中规定铁合金生产企业能源消耗必须满足《铁合金单位产品能源消耗限额》（GB21341）、《工业硅单位产品能源消耗限额》（GB31338）要求。

2）《2017 年工业结构调整指导目录》鼓励铁合金新工艺、新技术开发应用。

3）《中华人民共和国节约能源法》第24 条制定电力、钢铁、有色金属、石油化工、煤炭等主要耗能行业的节能技术政策，推动企业节能技术改造。

4）十三五规划纲要提出要重点建设生态文明，预计将每年投资2 万亿元左右使资源更高效利用，环境质量有所改善。并要求到2020 年单位GDP 碳排放要比2005年下降40% ～ 45%的国际承诺低碳目标，同时要在大气污染防治等环境指标方面取得明显成效。

5）财政部、国家发改委联合下发《节能技术改造财政奖励资金管理暂行办法》规定余热余压利用项目可以作为节能技术改造项目的财政奖励，标准为中西部地区每节约1t 标准煤奖励250 元。

2.3.2 企业降低成本增强竞争力的必须途径

硅铁余热发电项目节能显著，系统运行正常的情况下余热发电量可到达电炉耗电量的10%左右，降低了企业生产成本，也是企业可持续发展的必由之路，同时也增加了产品的竞争力。

2.3.3 环保需求

硅铁矿热炉烟气余热发电技术具有粉尘减排、废热利用、相对于燃煤电站减少各种排放等优点。根据上述条件及目前国家对污染的治理，特别是频繁出台的污染治理政策，硅铁矿热炉烟气余热发电技术必将全面推广和发展。

3 技术介绍

3.1 技术简介

硅铁余热发电技术将原本通过空冷器排放到空气中的烟气余热，通过余热锅炉回收后进行发电，既回收热能，减少环境污染，同时能促进矿热炉更加稳定运行。

硅铁合金生产采用的是耗电量巨大的矿热炉冶炼，冶炼产生的烟气携带了大量的热量，采用余热锅炉回收该部分热量进行发电，可为硅铁冶炼大幅度节能。硅铁余热发电技术解决了烟气含尘量大容易粘附在管壁上影响锅炉性能这个关键问题，技术较为成熟。

与硅铁合金生产类似的还有铬铁合金、硅锰合金、电石、工业硅等，它们都采用耗电量大的矿热炉进行冶炼，同时排放的烟气量大、携带的热能多，烟尘具有很高的粘附性等，硅铁余热发电技术也适用于这些领域的余热回收。

表1 硅铁烟气余热发电系统适用的矿热炉炉型

3.2 技术难点

硅铁烟气余热发电的核心设备是余热锅炉，余热锅炉的难点在于：硅铁电炉烟气中的SiO2极细，其微小的颗粒被称为硅微粉。硅微粉的平均粒径为200 ～ 400 nm，粉尘壁表面积20 m2/g（极易产生静电、极易吸附而且隔热性能非常好），其烟气中硅微粉尘含量在灰5 ～ 7 g/Nm3（浓度较高），粉尘堆积密度：0.18 t/m3（特轻）；其具有极强的粘附力，和非常高的阻热、隔热力。如果硅微粉清理不净，锅炉很难正常运行。

表2 主要的硅铁余热锅炉形式对比

3.3 主要清灰方式优缺点

3.3.1 机械刷式清灰

结构简单，清洁效果好，采用机械刷直接清扫，对于清洁矿热炉内吸附性强且颗粒细的粉尘积灰具有良好的效果。但存在如下缺点：

1）清灰存在死点，钢刷清灰主要能清洁到与钢丝球直接接触面；
2）因卧式锅炉模块式组装，每一个模块下面需安装一个灰斗，漏风偏大；
3）机械故障率偏高，更换钢刷较频繁，设备的磨损和维护工作量较大；
4）余热锅炉只能卧式布置，占用场地较大。

3.3.2 抛丸方式(钢珠)除灰

炉顶布置有一钢珠播撒装置，炉底灰斗下方设置钢珠分离收集装置。在钢珠播撒装置和钢珠分离收集装置之间设置循环式钢珠机械输运装置。除灰效果不错，缺点是造价高，整个装置耗钢量大。

3.3.3 燃气脉冲(激波)除灰

采用乙炔、天然气或液化气和空气混合，经高频点火，生成高温、高压的爆燃气体。通过瞬间释放，以冲击动能、热能和声能的形式冲入炉内，作用在锅炉受热面使积灰脱落。此种清灰方式效果良好，无操作运动部件，主要缺点是需要消耗燃料，增加运行费用。

3.4 三种形式适应性和发展方向分析

根据以上分析，笔者认为三种系统形式都有各自的优缺点和应用市场需求，具体分析见表3。

表3 三种形式适应性和发展方向

3.5 主要技术指标

1）硅铁炉烟气温度：300 ～ 700℃
2）余热电站主汽参数：1.25 MPa、 350℃
3）余热锅炉效率：约50%
4）吨硅铁耗电量：8300 ～ 9000 KW（75 硅）
5）吨硅铁发电量：800 ～ 900 KW（75 硅）
6）单位千瓦投资：7000 元（国产技术）
7）发电成本：约0.15 元（其中折旧费占37% ～ 39%，运行费占25% ～ 28%，其他费用占18% ～ 22%）。
8）厂用电率：约7%

4 案例分析

4.1 典型用户及投资收益

笔者参与建设的新疆某2×25500 kVA 矿热炉余热发电项目简介

本项目拟利用新疆某公司2×25500 kVA 矿热炉冶炼烟气余热进行余发电，系统配置两台15 t/h余热锅炉（机械擦拭式），装机功率6 MW。项目建成后，所生产的电能供给新疆某公司生产自用，减少企业外购电量、降低企业生产成本，达到节能、环保的效果。

项目建成后年发电量为44.7×106 kW·h ( 年利用小时数按7450 h 计)，年供电量为41.67×106 kW·h（厂自用电按6.76%计），年回收利用的硅铁冶炼电炉废气余热发电总供电量折合标准煤约1.36万吨，减少热污染排放1.5×108 MJ/a。

项目总投资额约为4396.61 万元（约合7327元/kW），项目年销售收入1875.39 万元；年均总成本费用670.93 万元；年均净利润883.62 万元；所得税后投资回收期（不含建设期）4.56 年；所得税后内部收益率26.27%。本项目的绝对工期为10个月。

4.2 三个运行项目数据比较

表4 三个运行项目数据比较

由上述分析可以总结出：

（1）设计要合理，特别是硅铁炉到锅炉烟气管道；一要内保温，二要距离尽量短（靠近硅铁炉布置，卧式锅炉要架高）。烟道过长会使烟气的压力损失和温度损失偏大，造成项目实际运行参数低于设计额定参数。

（2）各管路包括锅炉的保温及密封要做好，防止散热、漏风及冰冻。对余热锅炉的监造把关不严容易导致锅炉密封、保温以及旁路的密封没有做到完美，漏风率、散热率偏大。

（3）锅炉清灰方式要合理，目前三种清灰方式，机械擦拭式、激波清灰方式及抛丸方式，建议选用机械擦拭式。

（4）汽机房到锅炉距离要短，以减少主蒸气压力与温降。

（5）硅铁生产与锅炉发电系统要紧密配合。业主方擅自对矿热炉进行改造，导致矿热炉炉况不稳，容易影响锅炉的产汽量。

（6）有项目案例余热锅炉的排气温度达到200℃，实际上可以降到160℃，烟气余热没有利用充分。

（7）矿热炉的加料、捣炉、出料等操作对余热发电效率影响很大，提高矿热炉生产与余热发电生产的配合程度能有效提高发电功率。硅铁生产企业自身投资建设的余热发电系统和矿热炉生产配合较为紧密，由投资方建设的余热发电项目中矿热炉生产和余热发电系统存在配合不到位现象。

（8）余热发电并网手续办理要重视及前瞻。

5 风险点

5.1 政策风险

硅铁行业属于产能过剩行业，目前国家正在对硅铁行业进行整合，淘汰落后小产能，上大并小。

5.2 经营风险

业主方由于市场原因改造原有矿热炉，使之生产其他硅合金产品，导致烟气温度降低或系统稳定性降低，影响余热发电系统的正常运行；由于硅铁产品市场不好矿热炉开工率不足导致余热发电系统停止发电。

5.3 技术风险

目前有案例的三种余热锅炉都存在很大的风险因素，比如使用量最多的卧式机械擦刷式清灰余热锅炉，就存在清灰机构机械故障、冬季停炉时很难防冻、冬季锅炉维护较为困难、受热管长时间被钢刷摩擦变薄等隐患。

5.4 运营风险

矿热炉的开启和停炉对余热发电系统的正常运行至关重要，业主方在停炉前应该及时告知余热发电运行人员，使之做好相应准备，否则可能导致机组不正常停机，影响机组安全。

6 项目评价标准

1）硅铁产量达到一定规模≥4 万t/a，此时余热发电装机容量≥3MW，一千瓦造价相对合理；

2）业主方信用状况优良，同时硅铁产品上下游通畅，不会出现长期停炉现象；

3）当地电价水平较高（大于0.4 元/kWh)，投资收益率＞20%；

4）尽职调查达标；

5）业主方利用余热发电的意向较为强烈。


内容来源：余热余能再利用