12500KVA工業(yè)硅礦熱爐的設(shè)計剖析

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1、35第五章 工業(yè)硅冶煉能源節(jié)約技術(shù)的研究5.1概述能源安全已構(gòu)成我國整體戰(zhàn)略安全的一個極大隱患， 成為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的瓶 頸。我國人均煤炭、石油、天然氣資源量僅為世界平均水平的60、10和5。 目前，我國已成為世界第二大能源消費(fèi)國和第二大石油消費(fèi)國， 能源供應(yīng)緊張局面日趨嚴(yán)重81。與此同時，我國也存在嚴(yán)重能源利用效率低的問題。近年來的快速增長在很 大程度上是靠消耗大量物質(zhì)資源實(shí)現(xiàn)的。 我國單位產(chǎn)出的能耗和資源消耗水平明 顯高于國際先進(jìn)水平，如火電供煤消耗高達(dá)22.5，噸鋼可比能耗高21，水 泥綜合能耗高達(dá)45。據(jù)測算，我國每創(chuàng)造一美元GDP所消耗的能源是美國的4.3倍，是日本的11.5倍。能源利

2、用率僅為美國的26.9，日本的11.582。因 此，提高能源使用效率是在能源總量不變條件成為中國發(fā)展中的刻不容緩的任 務(wù)。工業(yè)硅生產(chǎn)是高能耗行業(yè)，平均每噸工業(yè)硅需要消耗13000KWh電以上， 全國年產(chǎn)100萬噸工業(yè)硅需要13億KWh以上。而國外先進(jìn)水平噸硅消耗量為IIOOOKWh，我國工業(yè)硅電耗比國外先進(jìn)水平高1020%,能源節(jié)約潛力仍很大 （預(yù)計年節(jié)約0.2億KWh，相當(dāng)0.1億元）。另外，國外先進(jìn)水平也不是最理想 的能耗水平， 我國如能在國外先進(jìn)水平基礎(chǔ)上再配以精工細(xì)作， 噸硅消耗量應(yīng)該 在10000 11000KWh間。我國工業(yè)硅生產(chǎn)能源消耗高主要是因?yàn)樵O(shè)計上不合理、 控制水平與管理水

3、平 不高。設(shè)計上不合理體現(xiàn)在我國普遍使用的是6300KVA左右的小爐型（散熱大、 產(chǎn)量低）、爐型設(shè)計上為隔熱措施不嚴(yán)密、電路設(shè)計不合理、極心圓尺寸大小不 合理等許多細(xì)節(jié)方面。 控制水平不高體現(xiàn)在人工操作范圍大、 爐況穩(wěn)定性差、 造 成因調(diào)整爐況波動費(fèi)時較長而使得非生產(chǎn)性能耗損失大。 管理水平不高體現(xiàn)在管 理上不嚴(yán)、制度不健全、操作細(xì)節(jié)缺乏，造成物資或能源上的消耗浪費(fèi)。 目前工業(yè)硅生產(chǎn)中能源節(jié)約途徑主要有：1）爐型的大型化方向；2）爐型的密 閉化方向；3）余熱利用化方向；4）提高爐子電效率措施如改進(jìn)短網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、 改善變壓器性能、改善電參數(shù)、采用低頻電源等；5）提高爐子熱效率；6） 改變爐內(nèi)反應(yīng)

4、機(jī)制；7）改變原料性能方向；8）采用自動控制方向；9）管理制 度建設(shè)方向。由于上述諸多途徑尚處于討論階段， 形成固定技術(shù)并推廣者僅有短 網(wǎng)改進(jìn)、 管理制度建設(shè)上，許多技術(shù)細(xì)節(jié)缺乏，因此真正意義上可以直接使用的 工業(yè)硅生產(chǎn)中能源節(jié)約技術(shù)還需要研究與試驗(yàn)。36經(jīng)過多年的摸索探討，目前我國工業(yè)硅電弧爐的電效率平均在92%以上，各 種提高電效率的技術(shù)或措施也比較成熟如改進(jìn)短網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、使用優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電材 質(zhì)、采用低壓補(bǔ)償技術(shù)、改善電參數(shù)等方面。但是，我國工業(yè)硅電弧爐的熱效率 普遍比較低，這是導(dǎo)致我國工業(yè)硅生產(chǎn)能耗高、 能源利用效率低的主要原因，表5-1是我國某廠6300KVA電弧爐的熱平衡分析表21o表

5、5-1 我國某廠 6300KVA 電弧爐的熱平衡分析熱收入項(xiàng)熱量（千卡/h）百分比熱支出項(xiàng)熱量（千卡/h）百分比1、電熱能432494095.981、氧化物還原耗熱183446240.712、電極氧化熱1006802.2342、金屬硅帶走熱2694565.983、還原劑反應(yīng)放熱805201.783、逸出氣體帶走熱82663318.354、爐面散熱2693335.975、爐體散熱1664483.696、短網(wǎng)熱損失3367387.477、冷卻水帶走熱75000016.468、其他533701.19合計45061401004506140100從表5-1可以看出6300KVA電弧爐在工業(yè)硅生產(chǎn)過程中，

6、電效率為92.21%, 熱效率為65%，能源大部分由于熱效率低而被損失掉，損失途徑主要是逸出氣 體帶走熱、爐面散熱、爐體散熱、短網(wǎng)熱損失、冷卻水帶走熱。因此，提高工業(yè) 硅電弧爐冶煉過程中的熱效率應(yīng)當(dāng)是今后研究的重點(diǎn)。在本文研究中，我主要從提高工業(yè)硅礦熱爐冶煉過程中的熱效率角度來研究 工業(yè)硅冶煉能源節(jié)約技術(shù)。提高工業(yè)硅冶煉能源的熱效率是一項(xiàng)綜合性能源節(jié)約技術(shù)，它應(yīng)當(dāng)包括所有 能夠能夠提高熱效率、減少熱損失的技術(shù)或措施。但是在本文中只研究爐型的大 型化方向、爐型的密閉化方向、余熱利用化方向、隔熱設(shè)計技術(shù)四個方面來提高 工業(yè)硅冶煉過程中的熱效率。因?yàn)閺谋?-1可以看出，工業(yè)硅礦熱爐熱效率低就 是因?yàn)?/p>

7、逸出氣體帶走熱、爐面散熱、爐體散熱、短網(wǎng)熱損失、冷卻水帶走熱這五 個方面熱損失大。爐型大型化則單位熱容率增大， 能量供應(yīng)集中， 通過外圍表面單位面積散熱 小、爐子熱穩(wěn)定增強(qiáng)， 有利于降低熱損失。 同時爐型大型化也是今后工業(yè)硅行業(yè) 發(fā)展的方向，大型爐具有熱容量大、產(chǎn)量高、有利于二次精煉提高產(chǎn)品質(zhì)量、單 位產(chǎn)品成本低、 便于煙氣37余熱利用等諸多好處。 因此，研究爐型大型化不僅是降 低熱損失的需要，也是滿足今后工業(yè)硅行業(yè)長期發(fā)展的需要，具有雙重意義。爐型密閉化或近密閉化不僅可以減少爐面熱輻射損失， 而且也可以減少煙氣 從6個爐門逸出帶走的熱， 也是降低熱損失、 增加煙氣回收能力、 改善爐前操作 環(huán)

8、境的有力措施。從表5-1可以看出，煙氣帶走熱占據(jù)了供應(yīng)總熱量的18.35%，這部分熱量 又被散發(fā)到大氣中， 造成了能源損耗， 致使能源利用率低， 國內(nèi)包頭鋼鐵研究設(shè) 計院曾經(jīng)依據(jù)鋼鐵行業(yè)余熱利用方式設(shè)計過余熱回收裝置， 在某廠應(yīng)用取得較好 的使用效果， 但是由于該余熱回收裝置初期投資過大， 國內(nèi)工業(yè)硅企業(yè)又大多數(shù) 是私營企業(yè)，他們不愿意做這么大的投資，所以研究一種新型低造價、多用途、 適用于大多數(shù)企業(yè)的余熱利用裝置 （熱材聯(lián)產(chǎn)裝置） 很有必要， 開辟一條已經(jīng)被 浪費(fèi)掉的巨大熱能集熱道路具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義?？萍济繒r每刻都在變化，上世紀(jì)60年代所作的設(shè)計不應(yīng)當(dāng)在這個世紀(jì)仍然 被當(dāng)作模范來應(yīng)用。

9、當(dāng)前，由于國內(nèi)沒有實(shí)力研究機(jī)構(gòu)來重新對上世紀(jì)60年代 所作的工業(yè)礦熱爐設(shè)計作改進(jìn)， 致使大多數(shù)企業(yè)仍用老的設(shè)計來建爐子， 并且施 工隊(duì)伍都非正規(guī)研究機(jī)構(gòu)或有能力去開發(fā)建設(shè)新型爐子， 所以我國目前的工業(yè)硅 礦熱爐普遍都能耗高、 設(shè)計未能跟上時代發(fā)展的需要。 問題的重要一方面反映在 爐體隔熱設(shè)計多年來沒有多大改變，普遍使用的是碳磚層、耐火磚層、纖維板、 鋼板四層結(jié)構(gòu)， 隨著科技的發(fā)展這種結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)革新， 因?yàn)閲H國內(nèi)新材料領(lǐng)域發(fā) 生的一系列創(chuàng)新已經(jīng)給我們帶來了重新設(shè)計爐體結(jié)構(gòu)的機(jī)遇。上述四個以提高工業(yè)硅冶煉能源的熱效率為目的的研究是目前工業(yè)硅冶煉 能源節(jié)約方面尚未涉及完善但又非常重要的領(lǐng)域， 需要既

10、具備豐富的科學(xué)理論知 識、又掌握國際國內(nèi)工業(yè)硅冶煉情況的人員才能完成，它涉及到的冶金、工藝、 傳熱、設(shè)備、設(shè)計等多方面的知識與創(chuàng)新要求， 使得這方面的工作既具體又復(fù)雜、 既藝術(shù)又有意義。5.2大容量半密閉式12500KVA工業(yè)硅礦熱爐的設(shè)計5.2.1設(shè)計依據(jù)本項(xiàng)工作采用如下設(shè)計規(guī)范：中國節(jié)能技術(shù)政策大綱 （2005）；冶金企業(yè)安全衛(wèi)生設(shè)計暫行規(guī)定 （1988）；建筑設(shè)計防火規(guī)范 （GBJ16-87）；工業(yè)爐窯大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn) （GB9078-1996）； 工業(yè)爐砌筑工程施工及驗(yàn)收規(guī)范 （GB50211-2004）。385.2.2設(shè)計內(nèi)容5.2.2.1變壓器選型大容量礦熱爐具有單爐產(chǎn)量大、 能量

11、供應(yīng)均衡性好、 便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、 便于 余熱綜合利用、 熱穩(wěn)定性好、 便于操作等一系列優(yōu)點(diǎn)， 是業(yè)界一致認(rèn)可的礦熱爐 發(fā)展的方向。 為了促進(jìn)國內(nèi)工業(yè)硅行業(yè)冶煉水平的提高和設(shè)備裝備的現(xiàn)代化， 因 此此次設(shè)計采用12500KVA容量的礦熱爐變壓器。12500KVA礦熱爐變壓器具體技術(shù)參數(shù)如下：型號：HKSSPZ20-12500/35殼式強(qiáng)油水冷礦熱爐變壓器；額定容量：12500KVA可超載30%冷卻方式：OFW；F一次電壓（KV）：35；二次額定電壓（V）：151；二次電壓（V）:175,172,169,166,163,160,157，154,151,148,145,142,139，136，133

12、共15檔；阻抗電壓（短路電壓） ：ex%=4-6%。5.2.2.2礦熱爐電氣參數(shù)的確定在工業(yè)硅冶煉過程中礦熱爐的狀態(tài)與電氣參數(shù)的變化密切相關(guān), 控制最佳的 供電制度對保證取得好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)十分重要。一般而言, 提高礦熱爐的二次電壓在功率一定情況下電流就可以降下來, 這 有利于提高線路功率因數(shù)和減少電損失, 但是過分提高礦熱爐電壓, 電極就不能深插，爐膛料面就會過熱，熱損失增加，硅回收率降低，因此每臺電爐都有其適 宜的二次電壓值。在設(shè)計電爐時往往利用米古林斯基公式68、83來確定礦熱爐正常工作時的二次電壓：V2=KP1/3式中：K為電壓系數(shù)，取6.0-7.5;P是變壓器額定功率，KVA。因此這

13、次設(shè)計時取二次電壓V2=6.5X125001/3=150.85151V，P二次電流12=47795.2A。N/3V2522.3礦熱爐結(jié)構(gòu)設(shè)計正確設(shè)計礦熱爐的結(jié)構(gòu)是保障礦熱爐工作性能的先決條件，是設(shè)計工作者面39臨的最大困難。好的礦熱爐結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅有利于爐子保障高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低能耗、 少故障的生產(chǎn)，而且有利于節(jié)約筑爐成本、方便其它設(shè)備布置、保證操作順暢。1、電極直徑的選取在確定礦熱爐其它結(jié)構(gòu)尺寸之前，必須先確定電極直徑，它決定著礦熱爐其 它結(jié)構(gòu)尺寸的大小。電極直徑有許多計算方法，一般根據(jù)電極電流和電極電流密 度確定：式中12為電極電流，A，I為電極電流密度5.5-6.1A/cm2,取5.8計算。根

14、據(jù)國內(nèi)廠家生產(chǎn)碳素電極的標(biāo)準(zhǔn)，取電極直徑為1050mm。2、極心圓直徑計算極心圓直徑是一個對冶煉過程有很大影響的設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，電極極心圓直徑選得適當(dāng)（圖5-1），三根電極電弧作用區(qū)域部分剛好相交于爐心，各電極反應(yīng)區(qū)既相互相連又重疊部分最小，在這種情況下，爐內(nèi)熱量分配合理，坩堝熔池最大, 吃料均勻，爐況穩(wěn)定，爐況也易于調(diào)節(jié)。如果一設(shè)計就不適當(dāng)，則熱量不是過分 集中（圖5-2）就是熱量分散（圖5-3），這都會造成爐況調(diào)節(jié)頻繁或根本無法調(diào) 節(jié)的嚴(yán)重錯誤。設(shè)計中極心圓直徑可按下式計算：Dg=ad=2.3X1050=2415mm式中a為極心圓倍數(shù)，a=2.2-2.3,這里取2.3計算=102.4cm=1

15、024mm,40結(jié)合礦熱爐容量、可調(diào)極心圓范圍、實(shí)際電氣參數(shù)調(diào)節(jié)空間這里取極心圓直徑為2500mm。3、爐膛內(nèi)徑計算在選擇爐膛內(nèi)徑時， 要保證電流流過電極一爐料一爐壁時所受的阻力大于經(jīng) 過電極一爐料一電極或爐底時所受的阻力。否則，爐膛內(nèi)徑選擇尺寸過大，礦熱爐表面散熱面積大，還原劑燒損嚴(yán)重，出硅口溫度低，出硅困難，爐況會惡化。 爐膛內(nèi)徑選擇過小，電極一爐料一爐壁回路上通過的電流增加， 反應(yīng)區(qū)偏向爐壁， 將使?fàn)t內(nèi)熱量分散，爐心反應(yīng)區(qū)溫度低，爐壁腐蝕嚴(yán)重，爐況也會惡化。爐膛內(nèi)徑可按下面經(jīng)驗(yàn)公式計算：Dn=rd=5.8X1050=6090mm式中r為爐膛內(nèi)徑倍數(shù)，r=5.8-6.0,這里取5.8。爐膛

16、內(nèi)徑這次設(shè)計中取為6200mm。4、爐膛深度計算在選擇爐膛深度時，要保證電極端部與爐底之間有一定的距離、電極有效插 入的深度和料層有一定的厚度。爐膛深度若過深，電極與爐底距離遠(yuǎn)，電極不能 深插，高溫區(qū)上移，爐底溫度低，爐底SiC會沉積，爐底上抬，堵塞出硅口，爐 況變差。爐膛深度若太淺，料層厚度將很薄，爐口溫度升高，硅揮發(fā)損失增加， 容易露弧操作，能耗增大。合適的爐膛深度可按下面經(jīng)驗(yàn)公式計算：h=Bd=2.5X1050=2625mm式中B為爐膛深度倍數(shù)，B=2.5-2.8,這里取2.5。爐膛深度這次設(shè)計中取為2700mm。5、爐襯與爐底的結(jié)構(gòu)、尺寸及材料選擇圖 5-1 極心圓適當(dāng)圖 5-2 極心

17、圓過小圖 5-3 極心圓過大41一般而言，爐襯、爐底結(jié)構(gòu)包含了工作層、保溫層、隔熱層、絕熱層、鋼板 層5個主要層次，但是每個層次的具體尺寸卻是很有技術(shù)含量的，因?yàn)檫@涉及到 筑爐成本、爐子性能、爐子壽命等許多經(jīng)濟(jì)因素。爐襯厚度過厚，引起筑爐成本上升，占地面積擴(kuò)大，爐襯表面積增加，散熱 面積也增大；爐襯厚度過薄，抑或爐襯強(qiáng)度不夠，抑或無法保溫。爐底厚度亦是 如此。國內(nèi)外對爐襯、爐底散熱強(qiáng)度計算表明，保持爐襯與爐底熱損失為2-4%是合理的范圍內(nèi)84，或者保持爐襯表面溫度在70-120E是允許的。因此按照這個 條件以及結(jié)合所選擇材料的使用溫度，根據(jù)傳熱學(xué)知識可確定爐襯與爐底工作 層、保溫層、隔熱層、絕

18、熱層的厚度，鋼板層的厚度根據(jù)強(qiáng)度需要而定。我們在這次設(shè)計中，工作層都使用自焙碳磚、保溫層選用新型隔熱耐火粘土 磚（熱導(dǎo)率0.44W/m?k）、隔熱層使用納米隔熱材料、絕熱層使用復(fù)合硅酸鋁纖 維毯、鋼板層選用14mm厚的普通鋼（爐底鋼板厚18mm），如圖5-4。111111111IIIIII1 電極孔 2 煙罩上蓋板 3 煙囪孔 4 冷卻水道 5 觀測孔 6 搗料爐門 7 紅磚 8 隔熱耐火磚9 納米絕熱材料10 復(fù)合硅酸鋁纖維毯11 鋼板 12 出硅口 13 高鋁磚 14 自焙炭磚圖 5-4 12500KVA 工業(yè)硅礦熱爐結(jié)構(gòu)圖6、出硅口位置、結(jié)構(gòu)、尺寸與材料選擇出硅口是礦熱爐上非常重要的一個

19、部位，它的位置、結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、材料 選擇都是需要仔細(xì)斟酌的。 位置布置不當(dāng)， 出硅口部位溫度低， 出硅不暢或者是 操作不方便；結(jié)構(gòu)形狀尺寸不當(dāng)， 也會導(dǎo)致出硅不暢或者封堵困難或者出硅時間 延長；材料選擇不當(dāng)，容易氧化42腐蝕，維修頻繁。在這次設(shè)計中，出硅口設(shè)計二個，每個出硅口水平位置與爐底齊平并比爐底 水平線下傾斜3C,角度位置它處于爐心與電極中心兩點(diǎn)的延長線與爐壁的焦點(diǎn) 上。出硅口應(yīng)當(dāng)設(shè)計成圓形， 便于燒穿與封堵， 尺寸根據(jù)出硅時間要求計算并結(jié) 合實(shí)際操作需要來決定大小為直徑100-120mm材料選擇上容易氧化的外側(cè)使用 石英材料與碳糊。7、 爐門結(jié)構(gòu)、尺寸與材料選擇 大容量爐最大的問題是

20、爐緣距離爐心遠(yuǎn)，上料困難，特別是國內(nèi)強(qiáng)調(diào)以人工精細(xì)加料來取得好質(zhì)量與低能耗產(chǎn)品的觀點(diǎn)下， 普遍認(rèn)為在大容量爐子在國內(nèi)不 如6300KVA爐子的性能，因此一次又一次的阻礙了投資方建造大容量爐子的熱 情。我們在這次設(shè)計中僅設(shè)計了3個搗料爐門，上料操作通過采用前述第三章開 發(fā)設(shè)計的自動上料系統(tǒng)來完成， 克服了大容量爐存在的最大惱人的問題。 自動上 料裝置將料布放在料面各處， 搗爐功能通過窺視孔根據(jù)需要打開搗料爐門進(jìn)行搗 爐操作。搗爐爐門門檻下部與爐沿等高，門檻長1200mm,高1500mm,使用單 獨(dú)水冷結(jié)構(gòu)。不需要搗爐時，爐門關(guān)上，密閉冶煉。8、 煙罩結(jié)構(gòu)、尺寸與材料選擇大容量礦熱爐爐膛尺寸跨度大

21、， 煙罩設(shè)計較困難， 同時從煙罩通過的電流大， 處理不好渦流損失大。 為了解決煙罩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與防止渦流損失， 我們采取用水冷 鋼管（防磁）做骨架并起吊，上下蓋采用石板與水泥構(gòu)筑，用細(xì)鋼筋做支撐，既 減輕了煙罩整體重量又防止了筑砌或制作上的不便。煙罩高度離爐沿2300mm，直徑與爐殼直徑等同，厚度160mm，上下蓋間通水冷卻。5.2.3技術(shù)指標(biāo)設(shè)計完成以后有關(guān)該爐的技術(shù)參數(shù)與性能如下：電極直徑：1050mm；極心圓直徑：2500mm；爐膛直徑：6200mm；爐膛深度：2700mm；爐殼直徑：8000mm；爐殼高度：4618mm；43煙罩高度：2300mm； 理論日產(chǎn)量：20噸； 理論電單耗量：13

22、000KVAh/噸。5.3余熱利用化研究5.3.1余熱利用思路余能是在一定經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下， 在能源利用設(shè)備中沒有被利用的能源， 也就 是多余、廢棄的能源。它包括高溫廢氣余熱、冷卻介質(zhì)余熱、廢汽廢水余熱、高 溫產(chǎn)品和爐渣余熱、化學(xué)反應(yīng)余熱、 可燃廢氣廢液和廢料余熱以及高壓流體余壓 等七種。其中最主要的是余熱。根據(jù)調(diào)查， 各行業(yè)的余熱總資源約占其燃料消耗 總量的17%67%，可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的60%85。余熱的回收利用途徑很多。一般說來，綜合利用余熱最好；其次是直接利用；第三是間接 利用（產(chǎn)生蒸汽、熱水和熱空氣） 。余熱蒸汽的合理利用順序是：1）動力供熱聯(lián) 合使用；2）發(fā)電供熱聯(lián)

23、合使用；3）生產(chǎn)工藝使用；4）生活使用；5）冷凝發(fā)電用。 余熱熱水的合理利用順序是：1）供生產(chǎn)工藝常年使用；2）返回鍋爐使用；3）生活 用。余熱空氣的合理利用順序是：1）生產(chǎn)用；2）暖通空調(diào)用；3）動力用；4）發(fā)電 用。但是這不是絕對的，需要每個工廠根據(jù)自己實(shí)際生產(chǎn)條件和需要而定。5.3.2工業(yè)硅冶煉中不同種類余熱的利用在工業(yè)硅冶煉中所有能源供入項(xiàng)為電能和化學(xué)反應(yīng)能， 能源支出項(xiàng)為氧化物 還原、金屬硅潛熱、逸出氣體、爐面、爐體、短網(wǎng)、冷卻水帶走熱。由于國內(nèi)外 在電能節(jié)約方面研究得比較多和透切，目前工業(yè)硅冶煉電效率基本都在92%以上。但是，電能最終要轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿攀欠磻?yīng)所需的，而從表5-1可知，礦

24、熱爐冶 煉系統(tǒng)的熱效率一般僅有60-70%，因此，整個冶煉系統(tǒng)能源利用效率都低于70%，這樣大量的熱被逸出氣體、爐面、爐體、短網(wǎng)、冷卻水、金屬硅所帶走和 散失。從表5-1可知，金屬硅帶走的熱占熱量總供入量的5.98%,即269456千卡/h。這部分熱是以金屬硅潛熱形式存在，硅液1600-1800C，硅錠為常溫20-30C,其熱具有間斷性（出硅前后） 、釋放緩慢性，存在能量密度低、不便于接觸、不 便于引出等特點(diǎn)。 在目前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下， 金屬硅的潛熱只能以熱輻射與對流的 方式將這部分熱引導(dǎo)出來， 其可能的利用方式為烘干物料、 預(yù)熱物料、 加熱洗澡 用水（該余熱每小時能使2.7噸水從0C升到100

25、C）、加熱生活用水。爐面損失的熱占總熱量的5.97%,即26933千卡/h,與金屬硅帶走的熱相當(dāng)。 這部分熱44總量大、能流持續(xù)平穩(wěn)、密度小，主要以熱輻射與對流形式損失，但是 由于在爐口損失，受制于場地?zé)o法加以再利用， 只能想辦法減少其損失。 節(jié)約辦 法是爐型密閉化、控制料面溫度、料面燃燒狀況、厚料操作與防止刺火大量、多 次發(fā)生。爐體損失的熱占總熱量的3.69%，即166448千卡/h。這部分熱與料面損失 的熱性質(zhì)相同， 它以熱傳導(dǎo)形式損失， 利用也很困難， 也只能想辦法減少其損失。 減少辦法是加強(qiáng)爐體隔熱性能。短網(wǎng)損失的熱占總熱量的7.47%，即336738千卡/h。這部分熱主要損失在 電纜

26、、銅瓦、電極對外熱輻射上，數(shù)量很大，但是受制于場地、能流密度小等限 制，也是無法利用的熱損，只能想辦法減少。減少辦法就是縮短短網(wǎng)，使用適當(dāng) 電流冶煉，選用制造后導(dǎo)電性能好的短網(wǎng)。注意不能使用保溫材料包裹的辦法， 這樣會適得其反。冷卻水帶走的熱占總熱量的16.46%，即750000千卡/h。這部分熱產(chǎn)生于變 壓器、電纜母線、銅瓦，是種功能用水，一般要求入口20-30E，出口30-40C,水在循環(huán)池中來回循環(huán)使用， 所以冷卻水帶走的熱量雖然很大， 但是不能夠被利 用。這部分熱可以想辦法減少，具體措施為：1）變壓器方面要求硅鋼片性能好， 材料、制造都要選技術(shù)好的廠家來做。減少短網(wǎng)閃變，避免過大電流操

27、作。2）電纜母線方面要求選用材料熱阻小并要求制造水平高的廠家來生產(chǎn)， 盡量減少電 纜布置長度， 避免過大電流操作。3）銅瓦基本要求也如此， 要求使用鍛造工藝制 造。逸出氣體（煙氣）帶走的熱量占總熱量的18.35%，即826633千卡/h。煙氣 從爐內(nèi)部產(chǎn)生，透過料面以后，溫度在400-600C,6300KVA的礦熱爐煙氣流量 為4-8萬NM/h，煙氣成分為 2、Q、CQ HO及少量其他氣體。以往國內(nèi)企業(yè)大多數(shù)直接排放，不僅污染了環(huán)境，而且造成能源損失。 近年來在環(huán)保部門要求下， 各企業(yè)相繼安裝了布袋除塵器。煙氣在進(jìn)入布袋除塵器之前溫度必須降到120C以下，降溫措施為混風(fēng)冷卻、空冷、水冷，部分企

28、業(yè)的水冷方式產(chǎn)生的熱水被用 于生產(chǎn)（洗原料、解凍）或生活（洗澡、洗碗） ，但是混風(fēng)方式占多數(shù)，空冷也 有少量， 它們吸收或交換的熱都被再次損失掉。從當(dāng)前煙氣處理來看， 煙氣余熱都沒有得到利用或很好的利用（利用價值不高） 。5.3.3工業(yè)硅冶煉中煙氣余熱的利用 煙氣余熱利用是余熱種類當(dāng)中最便于利用的一種形式，一般煙氣具有較高的 溫度，流量較大，攜帶的熱量較多，回收利用方便（用對流換熱即可回收） ，不 受場地限制，轉(zhuǎn)換容易（轉(zhuǎn)換為蒸汽） 。因此，對煙氣的余熱回收應(yīng)好好的珍惜與做文章。煙氣余熱回收得到的能量利用方向?yàn)樯a(chǎn)用與生活用或者是二者聯(lián)合 使用。生產(chǎn)45用一是為本工藝流程服務(wù)如預(yù)熱物料、 解凍

29、，二是為其他工藝服務(wù)如 余熱發(fā)電、烘干其他物料、 加熱其他產(chǎn)品或是二者的復(fù)合。 生活用一是洗澡洗碗， 二是供暖制冷或是二者的復(fù)合。在這里，我提出二種工業(yè)硅冶煉系統(tǒng)煙氣余熱利用方案：一是余熱發(fā)電綜合 利用方案，二是余熱加熱配套產(chǎn)品綜合利用方案。5.3.3.1煙氣余熱發(fā)電綜合利用方案從一臺6300KVA工業(yè)硅礦熱爐中逸出的煙氣流量為4-8萬NM3/h,煙氣溫度為400-600C,400E煙氣比熱為1.12 kJ/kgC，密度1.295 kg/Nm3，煙氣相對 于300r時含熱量=CpX p X AT=1.12X4X1.295X100=580.16萬KJ/h=1381333千卡/h,此熱量能使13.

30、8噸水從0C升至U 100C,能使得5.5噸水從40C升到290E（此為蒸汽發(fā)電要求過熱溫度） 。根據(jù)青島4308廠提供的BN型汽輪機(jī)技術(shù)參數(shù)： 進(jìn)汽壓力0.35-0.7Mpa進(jìn)汽溫度250-290C,排汽壓力0.15Mpa,抽汽壓力0.5Mpa, 則發(fā)電量可達(dá)1000KW。由此計算，設(shè)電價0.5元/度，則一年（7000小時）發(fā) 電可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益350萬元。為實(shí)現(xiàn)煙氣余熱發(fā)電,需要投資余熱鍋爐2臺30萬、汽輪機(jī)1臺20萬、 發(fā)電機(jī)組1臺20萬、變壓器2臺40萬、控制柜若干100萬左右,總投資210萬左右,承上述計算7個月即可收回投資。對于上規(guī)模企業(yè)，如有2臺以上6300KVA工業(yè)硅礦熱爐或者多

31、臺12500KVA46工業(yè)硅礦熱爐，則上馬煙氣余熱發(fā)電項(xiàng)目更有價值與必要。 因此，國內(nèi)投資者應(yīng) 盡快打消煙氣余熱利用是微不足道且費(fèi)事的念頭， 重視余熱利用與投身國家能源 節(jié)約行動當(dāng)中。按照上述煙氣余熱發(fā)電規(guī)劃，已經(jīng)被利用過的煙氣從余熱鍋爐出來后，溫度仍然有300C，由于溫度較低，其熱能品位降低，禾I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(bǔ)汽。但是從補(bǔ)汽鍋爐出來的煙氣溫度仍然有200r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)生熱水用于預(yù)熱物料、解凍（北方 地區(qū)）、洗澡、洗碗用，然后被冷卻到120C以下的煙氣可以符合標(biāo)

32、準(zhǔn)的進(jìn)入布 袋除塵器進(jìn)行處理。整個煙氣余熱發(fā)電綜合利用方案系統(tǒng)示意圖如圖5-5。圖 5-5 煙氣余熱發(fā)電綜合利用方案系統(tǒng)示意圖I、 400r煙氣 2、余熱鍋爐 3、300r煙氣 4、補(bǔ)汽鍋爐 5、200r煙氣 6、換熱器 7、100r煙氣 8、布袋除塵器 9、可排放煙氣 10、循環(huán)水II、 80r熱水 12、預(yù)熱解凍 13、洗澡洗碗 14、20r補(bǔ)水 15、150r補(bǔ)汽 16、290r蒸汽 17、汽輪機(jī) 18、變壓器 1 19、變壓器 2 20、用戶47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(dá)到布袋塵除塵器的要求， 不需要另外投資降溫裝置， 工藝

33、 配合性好。但是從經(jīng)濟(jì)性角度來考慮，也許還有更好的方案。5.3.3.1煙氣余熱加熱配套產(chǎn)品綜合利用方案工業(yè)硅礦熱爐煙氣寓含的大量熱量可以實(shí)現(xiàn)多種用途， 除了發(fā)電之外， 實(shí)際 上，電還只是一種低附加值產(chǎn)品（3600KJ熱量換成電為1度，產(chǎn)值為0.5元， 而由于目前蒸汽發(fā)電效率為30-45%左右，所以要10000KJ熱量才換回0.5元）。 大家往往局限于原有的思維，一想到余熱利用就是發(fā)電、預(yù)熱產(chǎn)品、制冷供暖、 燒水洗澡，對于開拓創(chuàng)新利用余熱研究不夠。我的看法是要用熱來轉(zhuǎn)換為另外一種產(chǎn)品， 轉(zhuǎn)換形式并非一定是從一種能源 產(chǎn)品到另外一種能源產(chǎn)品， 可以是一種能源產(chǎn)品到另外一種物質(zhì)產(chǎn)品， 只要該物 質(zhì)產(chǎn)

34、品能與熱存在一定的聯(lián)系。 對于煙氣余熱而言， 就是要尋找到一種與這種中 溫、低溫?zé)崮芟脒m應(yīng)的物質(zhì)產(chǎn)品。這種產(chǎn)品在化工、輕紡等領(lǐng)域廣泛存在，例如 塑料生產(chǎn)、造紙、紡織、有色金屬蒸汽浸出等。另外要解放的一個思想是我本來 是生產(chǎn)工業(yè)硅的， 如果我為了利用余熱而去生產(chǎn)另外一個物質(zhì)產(chǎn)品造成投資過大 或不應(yīng)有的多元化生產(chǎn)造成的精力分散問題。 其實(shí)，生產(chǎn)該種產(chǎn)品如果叫投資過 大，則可以貸款融資解決 （因?yàn)槟惚緲I(yè)已經(jīng)立下基礎(chǔ)， 當(dāng)?shù)刭J款應(yīng)該不會再成問 題，也可通過股東融資比例分配來解決） ，如果生產(chǎn)該種產(chǎn)品帶來精力分散（主 要是市場開拓上的分散） ，這可以通過掛靠形式來解決（比如自己主動掛靠到該 種產(chǎn)品行業(yè)中

35、一個大型或中型廠家，由它解決市場問題，自己只管生產(chǎn)） ?，F(xiàn)在 這個時代是合作時代， 要把合作（其實(shí)是資源合理組配） 放在觀念更新的第一位。 當(dāng)投資者到某地去投資時， 該地已經(jīng)存在一定工業(yè)基礎(chǔ)， 則可以把廠建造在該廠 附近，為其提供煙氣余熱以生產(chǎn)該產(chǎn)品。 或者結(jié)合當(dāng)?shù)卣猩绦袨椋?與被招進(jìn) 來的企業(yè)聯(lián)合投資， 本廠產(chǎn)生的煙氣余熱成為合作伙伴的供熱基礎(chǔ)。 或者先聯(lián)系 某類投資者（比如塑料廠投資者） ，跟他協(xié)商好，共同投資于某地，共享煙氣余 熱去生產(chǎn)一種新產(chǎn)品。 總之，作為投資者應(yīng)當(dāng)在煙氣余熱問題上要全盤考慮， 怕 麻煩的可以請研究所、 行業(yè)專家、 投資顧問、行業(yè)分析師代為考慮要結(jié)合產(chǎn)品的 具體類

36、型。5.4隔熱技術(shù)研究在工業(yè)生產(chǎn)中節(jié)能渠道基本分為三大類。 第一類是先進(jìn)的技術(shù)工藝流程， 第 二類是先進(jìn)精良生產(chǎn)設(shè)備， 第三類是優(yōu)良的節(jié)能材料。 在這里我將重點(diǎn)研究節(jié)能 材料在工業(yè)硅冶煉領(lǐng)域的應(yīng)用， 這是在工業(yè)硅冶煉領(lǐng)域近年較少涉及與更新的方 面，已經(jīng)與新材料、新技48術(shù)不斷更新的今天不相適應(yīng)。節(jié)能材料主要體現(xiàn)在材料的隔熱 （絕熱）性能上，對于工業(yè)硅冶煉系統(tǒng)而言， 材料隔熱性能好壞直接影響到礦熱爐的熱效率。從表5-1可見，從礦熱爐爐體散 發(fā)的熱損失為166448千卡/h,占總熱量收入項(xiàng)的3.69%（這還是較低的，國內(nèi) 大部分為6-8%），與國外相比存在1-2倍的差距。這主要是因?yàn)槲覈I(yè)硅礦熱

37、 爐爐體結(jié)構(gòu)與材料通常是工作層用碳磚（上部用耐火磚），保溫層用耐火磚，絕 熱層用石棉板或硅酸鋁纖維毯，保護(hù)層（爐殼）用鋼板的原因。這種結(jié)構(gòu)和材料 構(gòu)成在今天看來已經(jīng)不合理（但許多單位缺乏設(shè)計能力，仍在使用） ，原因一方 面是我國礦熱爐使用的材料導(dǎo)熱系數(shù)大， 隔熱性能差， 另一方面由于在筑爐時沒 有對材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)置，在同樣大小導(dǎo)熱系數(shù)材料條件下隔熱效果也不理 想。因此，為提高礦熱爐熱效率而對礦熱爐爐體的結(jié)構(gòu)和用材進(jìn)行改革在目前相 當(dāng)必要。改革開放以前， 我國筑爐材料的品種非常單一， 基本以天然礦物質(zhì)加工制品 為主，工業(yè)硅礦熱爐筑爐時工作層主要是碳磚， 保溫層主要是粘土磚， 絕熱層主 要是硅

38、藻土、 石棉板，而且各材料的適用性能也比較落后。 隨著節(jié)能、 降低成本、 新技術(shù)的應(yīng)用、 其他領(lǐng)域?qū)Σ牧系奶囟ㄒ螅?我國科研人員在吸收消化國外材料 制造技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 積極自主創(chuàng)新， 發(fā)展研究了一大批筑爐材料如陶瓷纖 維、納米微孔隔熱材料、多層復(fù)合反射絕熱板、漂珠高強(qiáng)隔熱磚等。無論從高科 技的航天器、 小到手中的保暖杯， 人們都對材料的導(dǎo)熱性能、 強(qiáng)度要求等方面進(jìn) 行了廣泛的研究和改進(jìn)， 直至今日， 筑爐材料品種已大大得到豐富、 產(chǎn)品的性能 已得到大大提高， 生產(chǎn)工藝不斷進(jìn)步、 品種不斷更新， 材料發(fā)展逐漸走上科學(xué)精 細(xì)發(fā)展的道路。 在工業(yè)硅礦熱爐筑爐中， 我們應(yīng)當(dāng)積極應(yīng)用當(dāng)代科技成果

39、， 與時 俱進(jìn)地革新改進(jìn)礦熱爐的工作性能。表5-2、表5-3、表5-4分別列出了當(dāng)今工業(yè)硅礦熱爐筑爐時可供選用的工作 層、保溫層、隔熱層與絕熱層用材。49表 5-2 當(dāng)今工業(yè)硅礦熱爐筑爐時可供選用的工作層用材名稱2kgf/cm2 荷重軟化點(diǎn)(C)使用溫度(C)常溫耐壓強(qiáng)度(kgf/cm2)熱導(dǎo)率(w/m ?C)熱膨脹系數(shù)(C)x10-6硅磚1520-16201600-1650175-5001.05+0.93t/100011.5-13碳磚20002000250-50023.26+3.49t/10003.7石墨磚1800-19002000250162.8-40.7t/10005.2-5.8碳化硅磚

40、1500-17001600550-75014.2(600C)11.9(800C)10.9(1000C)4.76表 5-3 當(dāng)今工業(yè)硅礦熱爐筑爐時可供選用的保溫層(堅(jiān)固層)用材名稱密度(g/cm3)使用溫度(C)常溫耐壓強(qiáng)度(kgf/cm2)熱導(dǎo)率(w/m ?C)粘土磚2.071400150-3000.18-0.60高鋁磚1500390-4901.4剛玉磚3.201700200-7000.70-1.50硅磚1.91600-1650175-5001.05+0.93t/1000碳化硅磚2.4-2.51600550-75014.2(600C)11.9(800C)10.9(1000C)剛玉莫來石 磚1.

41、5-1.71800200-5000.35-0.80普誦型耐火 澆注料2.014002951.17-2.80輕質(zhì)隔熱磚0.4-1.514009.8-590.25-0.70高鋁質(zhì)隔熱耐火磚0.4-1.514008-400.20-0.50注：堿性耐火材料如鎂磚、鎂鋁磚、白云石磚、鎂鉻磚、鎂橄欖石磚、氧化鈣質(zhì)磚等不能用 于工業(yè)硅礦熱爐。表 5-4 當(dāng)今工業(yè)硅礦熱爐筑爐時可供選用的隔熱層與絕熱層用材名稱導(dǎo)熱系數(shù) w/m.k比重 kg/m3使用溫度 oC石棉板0.1-0.423110017000.13-0.151300600硅酸鋁纖維毯0.09-0.161281200復(fù)合硅酸鋁纖維毯0.036-0.092

42、45-100600硅藻土0.13-0.40500-7001000膨脹珍珠巖0.447-0.0740-500800蛭石0.046-0.0780-9001100泡沫玻璃0.058155-200450泡沫石棉-mm庁J書黔：護(hù)毘爐底.亠IH162石怖扳10V103経康粘土保親磚1154珪施鋁昨雄鉉2D5阿詡炭磚伽,6關(guān)酸鋁混碩上:仇17底郵圾磚151800底勵80? ,細(xì)趙石（狡度3 510）i礬10就火枯土磚23075011 .總厚度1 83。1700圖 5-6 傳統(tǒng)礦熱爐爐體結(jié)構(gòu)55圖 5-7 新式礦熱爐爐體結(jié)構(gòu)5.5結(jié)論本章研究了工業(yè)硅冶煉過程中的能源節(jié)約技術(shù)， 包括冶煉關(guān)鍵設(shè)備礦熱爐爐 體結(jié)

43、構(gòu)的設(shè)計、余熱利用方案研究、隔熱技術(shù)總計設(shè)計研究，從大的、主要的能 源節(jié)約方面進(jìn)行了探索。通過研究設(shè)計12500KVA大容量半密閉式工業(yè)硅礦熱爐，在爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計、 出硅口設(shè)計、爐門設(shè)計、煙罩設(shè)計、隔熱技術(shù)等方面運(yùn)用新技術(shù)，提高了礦熱爐、i W序號名稱爐壁1鋼板14142石棉板10103復(fù)合硅酸鋁纖維毯1004納米隔熱材料10105粘土磚240-7602406高鋁隔熱耐火磚1202407自焙炭磚400800合計8041304爐底厚度（m1、鋼板 2、石棉板 3、復(fù)合硅酸鋁纖維毯 4、納米隔熱材料5、粘土磚 6、高鋁隔熱耐火磚 7、自培炭磚厚度（mm）56的性能水平，為高效利用能源打下了基礎(chǔ)和提供了實(shí)現(xiàn)方案。通過余熱利用方案的研究， 提出了二種新的余熱綜合利用方案， 一是煙氣余 熱發(fā)電鍋爐補(bǔ)汽預(yù)熱物料生活用水（洗澡、洗碗）梯級能源利用方案，二 是煙氣余熱加熱配套產(chǎn)品生活用水綜合利用方案，為充分提高能源利用效率、 節(jié)約能源、降低企業(yè)生產(chǎn)成本提供了實(shí)現(xiàn)途徑。通過隔熱技術(shù)的研究， 總結(jié)了當(dāng)今先進(jìn)的隔熱材料， 提出了在結(jié)構(gòu)與材料方 面進(jìn)行改善礦熱爐隔熱性能的思路， 新設(shè)計出來的礦熱爐爐體結(jié)構(gòu)隔熱性能優(yōu)于 傳統(tǒng)爐體結(jié)構(gòu)30%以上。