硅铁矿热炉余热锅炉选型分析

Alexandria2020

硅铁矿热炉余热锅炉选型分析

前言

    目前, 硅铁矿热炉余热利用越来越得到硅铁企业的重视, 尤其是利用硅铁矿热炉生产过程中排放的烟气余热进行发电,发出的电力再回用于硅铁生产, 既可以降低硅铁的生产电耗, 节约企业的硅铁冶炼成本, 提高企业的经济效益, 又可以提高企业的环保水平, 因此, 硅铁矿热炉余热发电正处于蓬勃的发展阶段。

    在硅铁矿热炉余热发电系统中, 余热锅炉是余热回收的第一道门槛。余热锅炉能否正常运行, 直接关系到余热发电工程的成败, 余热锅炉效率的高低, 则直接影响余热发电量, 从而关系到余热发电工程投资的可行性, 因此, 余热锅炉的选型, 对硅铁矿热炉余热发电至关重要, 必须重视。

    本文对目前硅铁矿热炉余热利用中的余热锅炉的选型进行了介绍, 分析了各种布置型式的优缺点, 为硅铁矿热炉余热发电余热锅炉的选型提供参考。

1 余热锅炉型式

    目前, 硅铁矿热炉配套的余热锅炉的布置型式主要有立式布置、卧式布置、L型布置 (部分立式部分卧式布置) 、Π型布置等几种布置型式。

1.1 立式布置余热锅炉

立式锅炉, 锅炉采用立式布置, 烟气自上向下通过锅炉。

在硅铁矿热炉余热发电中, 立式布置锅炉是最早采用的布置型式。立式布置余热锅炉余热发电工艺流程如图1所示[1]。

硅铁矿热炉烟气一般从厂房上半部或顶部引出, 管道布置较高, 烟气管道直接从锅炉顶部或侧顶部进入锅炉, 然后, 烟气自上向下通过锅炉内部的受热面, 最后从锅炉底部或侧底部排出, 再回到原来的硅铁矿热炉工艺系统。

图1 立式布置余热锅炉发电工艺流程Fig.1 Generating process of vertically arranged waste heat boiler   下载原图

1.2 卧式布置余热锅炉

卧式锅炉, 锅炉采用卧式布置, 烟气自前向后通过锅炉。

在硅铁矿热炉余热发电中, 卧式布置余热锅炉是近几年采用较多的布置型式。卧式布置余热锅炉余热发电工艺流程如图2所示[1]。

矿热炉烟气从厂房顶部或侧顶部引出厂房, 一般采用两种方式接入卧式布置锅炉, 一种是将卧式锅炉高位布置, 烟气管道直接引入锅炉;另一种是将卧式锅炉低位布置, 从矿热炉排出的烟气管道首先降低标高, 然后再接入卧式锅炉。两种方式的烟气进入锅炉后, 均是从前部依次通过内部受热面, 最后从锅炉尾部水平排出, 再接入原来的工艺系统。

图2 卧式布置余热锅炉发电工艺流程Fig.2 Generating process of horizontally arranged waste heat boiler   下载原图

1.3 L型布置余热锅炉

    L型锅炉, 锅炉采用部分立式部分卧式布置, 前段采用立式、后段采用卧式, 立式部分主要布置过热器、蒸发器, 卧式部分主要布置省煤器, 烟气从上部或侧部进入锅炉, 自上向下先通过锅炉立式部分, 经过蒸发器后转为水平方向, 经过卧式水平段, 最后排出锅炉。

    在硅铁矿热炉余热发电中, L型布置余热锅炉未见采用, 在工业硅矿热炉余热发电上有采用。L型布置余热锅炉工艺流程如图3所示。

    L型布置余热锅炉, 前半部分采用立式布置, 与立式锅炉布置型式相似, 烟气从顶部或侧顶部进入;后半部分又与卧式锅炉类似, 烟气从立式部分排出后, 进入水平部分, 最后水平排出, 再回到原来的工艺系统。

图3 L型布置余热锅炉发电工艺流程Fig.3 Generating process of L shape arranged waste heat boiler   下载原图

1.4 Π型布置余热锅炉

Π型锅炉, 锅炉采用Π型布置, 烟气从锅炉下部进入, 先向上通过受热面, 再转而向下, 最后烟气从下部排出。

在硅铁矿热炉余热发电中, Π型布置余热锅炉未见采用, 在工业硅矿热炉余热发电中有采用。Π型布置余热锅炉工艺流程如图4所示。

Π型布置余热锅炉型式与火电燃煤锅炉类似, 前半部分为炉膛结构型式, 四周布置水冷壁, 后半部分为对流受热面, 主要布置过热器、蒸发器和省煤器。烟气自下部或侧部进入余热锅炉, 向上经前半部分水冷壁吸热降温后, 转而向下进入余热锅炉后半部分, 进一步释放热量后, 从下部或侧部排出, 再回到原来的工艺系统。

图4 Π型布置余热锅炉发电工艺流程Fig.4 Generating process of II shape arranged waste heat boiler   下载原图

2 影响余热锅炉结构型式的因素

锅炉型式受影响因素较多, 主要受现场位置、余热锅炉清灰方式、余热锅炉汽水循环方式等因素影响。

2.1 现场位置的影响

    对于已经建成投产的硅铁矿热炉, 当初规划建设时往往没有考虑余热锅炉位置, 余热锅炉选型时, 需要根据现场平面位置确定锅炉型式。如果现场位置充足, 则可以根据需要进行锅炉结构型式选型, 如果现场位置狭小, 则可能只能根据现场可使用的平面面积考虑采用立式等占地面积较小的余热锅炉进行布置。

2.2 余热锅炉清灰方式的影响

    目前, 硅铁矿热炉余热锅炉使用的清灰方式主要有:机械振打除灰、钢珠抛丸清灰、机械管刷清灰、燃气爆燃脉冲激波吹灰、钢钉受热面+燃气爆燃激波清灰、压缩空气除灰等。

    机械振打除灰。锅炉受热面采用悬挂结构, 在受热面上设置振打装置, 通过连续振打使受热面积灰脱落, 保证锅炉效率。该清灰方式适用于疏松低粘附性和密度较大的烟尘[2], 为连续性清灰, 烟气波动小;不适合粘附性强和密度较低的烟尘。机械振打清灰方式在立式和卧式锅炉上均可以采用。早期硅铁矿热炉余热锅炉曾经采用机械振打除灰, 效果极差。

    钢珠抛丸清灰。余热锅炉设置一套钢珠抛丸清灰装置, 钢珠由炉顶钢珠收集器向下通过锁气器、缓冲器、均匀撒在受热面上, 通过不规则的漫散射弹跳撞击管子, 将管子表面的积灰击落, 从而达到清洁受热面的目的。这种方式在国外和国内的硅铁及工业硅矿热炉余热锅炉上均有采用, 有一定的清灰效果。钢珠抛丸清灰适合于立式锅炉。

    燃气爆燃脉冲激波吹灰。该系统原理是将乙炔、天然气或液化石油气等可燃气和空气按一定比例混合, 经高能点火点燃, 在脉冲发生器内形成可控强度的脉冲, 靠动能冲击、声波振荡和热能清洗的综合作用来完成吹灰[3]。这种清灰方式在硅铁和工业硅等矿热炉余热锅炉上均有采用, 为断续清灰, 烟气波动大, 清灰效果差, 可以作为余热锅炉的辅助清灰方式, 如果作为单一的清灰方式则效果无法保证。燃气爆燃脉冲激波吹灰适合于立式和卧式锅炉。

    压缩空气除灰。该方式与燃气爆燃脉冲激波吹灰原理类似, 清灰效果差, 硅铁矿热炉余热锅炉上未见采用。

    机械管刷清灰。用不锈钢金属丝或金属丝扁线团状材料制造的圆形刷子或两个半圆装配后为一个整圆的刷子, 刷子套装在余热锅炉传热管外, 再将多把刷子连接为一个整体的网架结构, 网架结构与金属网架相连, 通过卷扬机、减速器、电动机系统带动, 每隔一段时间, 在余热锅炉传热管外壁上来回运动一次, 将粘附于管壁上的粉尘抹去, 保证锅炉的高效运行。该清灰方式为接触式清灰, 间断运行, 清灰彻底, 效果好。硅铁矿热炉余热锅炉上使用较多。机械钢刷清灰目前主要使用在卧式锅炉上。

    钢钉受热面+燃气爆燃激波清灰。余热锅炉的受热面采用钢钉翅片管结构, 钢钉长度约为50 mm, 在每组受热面进口布置燃气爆燃激波清灰装置。该清灰方式在硅铁矿热炉余热锅炉上试用, 效果较差。钢钉受热面+燃气爆燃激波清灰适合于立式和卧式锅炉。

    目前, 在硅铁矿热炉余热锅炉上利用较多的是燃气爆燃脉冲激波吹灰、钢珠抛丸方式除灰、机械管刷清灰。其中燃气爆燃脉冲激波吹灰使用得最早, 从20世纪80年代就开始采用, 目前仍有部分锅炉采用, 但清灰效果差, 锅炉效率无法保证, 不宜作为硅铁矿热炉余热锅炉的主要清灰方式;钢珠抛丸方式国外应用较早, 只要在工业硅和硅铁矿热炉余热锅炉上使用, 国内近几年开始采用, 从使用效果来看, 余热锅炉受热面迎风面有一定积灰, 受热面背风面则由于钢珠无法击打积灰较为严重, 钢珠抛丸清灰效果一般, 清灰效果不理想。如果锅炉设计时灰垢系数的选取考虑了受热面的积灰厚度, 则可以保证锅炉的连续稳定运行;机械钢刷清灰为硅铁矿热炉余热锅炉使用的一种新型清灰方式, 钢刷紧贴换热管表面, 通过接触清灰, 效果比较理想。

    从目前余热锅炉运行效果看, 如果采用立式锅炉, 则采用钢珠抛丸清灰比较可靠;若采用卧式锅炉, 则采用机械管刷清灰比较可靠。燃气爆燃脉冲激波吹灰, 可以作为以上两种余热锅炉的辅助清灰方式。

2.3 余热锅炉汽水循环方式的影响

    一般情况下, 余热锅炉汽水循环方式有三种:自然循环、强制循环、自然循环+强制循环。

    余热锅炉的汽水循环方式与锅炉布置型式有关。由于硅铁矿热炉烟尘的特性, 余热锅炉需要采用蛇形光管受热面, 如果锅炉采用立式布置, 则可以采用自然循环或强制循环 (一般采用自然循环) ;如果采用卧式布置, 则必须采用强制循环。

    从目前已经建设的矿热炉余热发电来看, 自然循环和强制循环方式在硅铁矿热炉余热锅炉均有采用, 其中, 立式锅炉、L型锅炉、Π型锅炉一般采用自然循环, 卧式锅炉一般采用强制循环, 自然循环+强制循环很少采用。

3 余热锅炉的选型依据

    硅铁矿热炉余热锅炉选型时, 应依据现场位置, 确定可选用的锅炉型式, 再考虑合适的清灰方式、合理的汽水循环方式, 最终确定锅炉型式。

    从前边的分析可以看出, 硅铁矿热炉余热锅炉型式较多, 立式、卧式、L型、Π型等各种型式余热锅炉均有采用, 但是, 从目前已经投运的余热锅炉运行效果来看, 并不是选用哪一种型式的锅炉, 就一定能长期安全、可靠、高效运行, 不管选用哪一种余热锅炉型式, 都需要合理的锅炉结构设计、适合硅铁烟气特性的高效清灰方式、精心的运行操作、严密的维护保养等, 才能保证锅炉的安全可靠高效运行。在已经投运的部分型式余热锅炉, 由于设计不合理、清灰方式选型不当、材料选型错误等原因, 导致无法正常运行, 甚至有部分项目由于锅炉选型不当, 导致工程失败。

    可靠和高效是硅铁矿热炉余热锅炉选型的首要条件, 只有选择了能够长期安全、可靠、高效运行的余热锅炉, 才能保证余热发电工程成功。

4 结语

    在硅铁矿热炉余热发电中, 余热锅炉的选型非常重要, 直接影响余热发电工程的成败, 关乎投资的回收期, 工程建设时应充分重视。

    目前, 硅铁矿热炉和工业硅矿热炉烟气余热发电还处于探索推广阶段, 很多锅炉厂都在进行硅铁矿热炉余热锅炉技术研究, 技术水平参差不齐, 再加上用户对余热发电技术及设备性能认识不足, 导致部分项目投产初期, 就因为余热锅炉选型不当, 不能高效、连续、安全稳定运行, 刚投产就进行技术改造, 浪费资源, 影响余热回收。

    余热锅炉选型时, 应进行充分的理论论证和产品考察, 选择运行半年以上的高效可靠的余热锅炉, 保证余热发电的高效、安全、稳定运行, 提高企业的能源利用效率, 降低企业的生产成本, 达到节能环保的目的。

来源：网络