12500KVA工业硅矿热炉的设计

第五章工业硅冶炼能源节约技术的研究5.1 概述能源安全已构成我国整体战略安全的一个极大隐患，成为经济社会发展的瓶颈。我国人均煤炭、 石油、天然气资源量仅为世界平均水平的60、10和 5。目前，我国已成为世界第二大能源消费国和第二大石油消费国， 能源供应紧张局面日趋严重 81。与此同时，我国也存在严重能源利用效率低的问题。近年来的快速增长在很大程度上是靠消耗大量物质资源实现的。我国单位产出的能耗和资源消耗水平明显高于国际先进水平，如火电供煤消耗高达22.5，吨钢可比能耗高21，水泥综合能耗高达 45。据测算，我国每创造一美元 GDP 所消耗的能源是美国的 4.3 倍，是日本的 11.5 倍。能源利用率仅为美国的 26.9，日本的 11.5 82。因此，提高能源使用效率是在能源总量不变条件成为中国发展中的刻不容缓的任务。工业硅生产是高能耗行业，平均每吨工业硅需要消耗13000KWh 电以上，全国年产 100 万吨工业硅需要13 亿 KWh 以上。而国外先进水平吨硅消耗量为11000KWh，我国工业硅电耗比国外先进水平高 1020%，能源节约潜力仍很大（预计年节约 0.2 亿 KWh ，相当 0.1 亿元）。另外，国外先进水平也不是最理想的能耗水平，我国如能在国外先进水平基础上再配以精工细作， 吨硅消耗量应该在 10000 11000KWh 间。我国工业硅生产能源消耗高主要是因为设计上不合理、 控制水平与管理水平不高。设计上不合理体现在我国普遍使用的是6300KVA 左右的小炉型 （散热大、产量低）、炉型设计上为隔热措施不严密、电路设计不合理、极心圆尺寸大小不合理等许多细节方面。 控制水平不高体现在人工操作范围大、炉况稳定性差、 造成因调整炉况波动费时较长而使得非生产性能耗损失大。管理水平不高体现在管理上不严、制度不健全、操作细节缺乏，造成物资或能源上的消耗浪费。目前工业硅生产中能源节约途径主要有：1）炉型的大型化方向； 2）炉型的密闭化方向； 3）余热利用化方向； 4）提高炉子电效率措施如改进短网结构设计、改善变压器性能、改善电参数、采用低频电源等；5）提高炉子热效率； 6）35改变炉内反应机制； 7）改变原料性能方向； 8）采用自动控制方向； 9）管理制度建设方向。由于上述诸多途径尚处于讨论阶段， 形成固定技术并推广者仅有短网改进、管理制度建设上， 许多技术细节缺乏， 因此真正意义上可以直接使用的工业硅生产中能源节约技术还需要研究与试验。经过多年的摸索探讨， 目前我国工业硅电弧炉的电效率平均在 92%以上，各种提高电效率的技术或措施也比较成熟如改进短网结构设计、使用优质导电材质、采用低压补偿技术、改善电参数等方面。但是，我国工业硅电弧炉的热效率普遍比较低， 这是导致我国工业硅生产能耗高、 能源利用效率低的主要原因， 表 5-1 是我国某厂 6300KVA 电弧炉的热平衡分析表 21。表 5-1 我国某厂 6300KV A电弧炉的热平衡分析热收入项热量（千卡 /h） 百分比热支出项热量（千百分比卡 /h）、电热能432494095.98、氧化物还原耗热183446240.71、电极氧化热1006802.234、金属硅带走热2694565.98、还原剂反应放热805201.78、逸出气体带走热82663318.35、炉面散热2693335.97、炉体散热1664483.69、短网热损失3367387.47、冷却水带走热75000016.46、其他533701.19合计45061401004506140100从表 5-1 可以看出 6300KVA 电弧炉在工业硅生产过程中， 电效率为 92.21，热效率为 65，能源大部分由于热效率低而被损失掉，损失途径主要是逸出气体带走热、炉面散热、炉体散热、短网热损失、冷却水带走热。因此，提高工业硅电弧炉冶炼过程中的热效率应当是今后研究的重点。在本文研究中，我主要从提高工业硅矿热炉冶炼过程中的热效率角度来研究工业硅冶炼能源节约技术。提高工业硅冶炼能源的热效率是一项综合性能源节约技术， 它应当包括所有能够能够提高热效率、 减少热损失的技术或措施。 但是在本文中只研究炉型的大型化方向、炉型的密闭化方向、 余热利用化方向、 隔热设计技术四个方面来提高工业硅冶炼过程中的热效率。因为从表 5-1 可以看出，工业硅矿热炉热效率低就36是因为逸出气体带走热、炉面散热、炉体散热、短网热损失、冷却水带走热这五个方面热损失大。炉型大型化则单位热容率增大， 能量供应集中， 通过外围表面单位面积散热小、炉子热稳定增强， 有利于降低热损失。 同时炉型大型化也是今后工业硅行业发展的方向，大型炉具有热容量大、产量高、有利于二次精炼提高产品质量、单位产品成本低、 便于烟气余热利用等诸多好处。 因此，研究炉型大型化不仅是降低热损失的需要，也是满足今后工业硅行业长期发展的需要，具有双重意义。炉型密闭化或近密闭化不仅可以减少炉面热辐射损失，而且也可以减少烟气从 6 个炉门逸出带走的热， 也是降低热损失、 增加烟气回收能力、 改善炉前操作环境的有力措施。从表 5-1 可以看出，烟气带走热占据了供应总热量的18.35%，这部分热量又被散发到大气中， 造成了能源损耗， 致使能源利用率低， 国内包头钢铁研究设计院曾经依据钢铁行业余热利用方式设计过余热回收装置，在某厂应用取得较好的使用效果，但是由于该余热回收装置初期投资过大，国内工业硅企业又大多数是私营企业，他们不愿意做这么大的投资，所以研究一种新型低造价、多用途、适用于大多数企业的余热利用装置（热材联产装置） 很有必要， 开辟一条已经被浪费掉的巨大热能集热道路具有非常重要的现实意义。科技每时每刻都在变化，上世纪60 年代所作的设计不应当在这个世纪仍然被当作模范来应用。当前，由于国内没有实力研究机构来重新对上世纪60 年代所作的工业矿热炉设计作改进，致使大多数企业仍用老的设计来建炉子，并且施工队伍都非正规研究机构或有能力去开发建设新型炉子， 所以我国目前的工业硅矿热炉普遍都能耗高、 设计未能跟上时代发展的需要。 问题的重要一方面反映在炉体隔热设计多年来没有多大改变，普遍使用的是碳砖层、耐火砖层、纤维板、钢板四层结构， 随着科技的发展这种结构应当革新， 因为国际国内新材料领域发生的一系列创新已经给我们带来了重新设计炉体结构的机遇。上述四个以提高工业硅冶炼能源的热效率为目的的研究是目前工业硅冶炼能源节约方面尚未涉及完善但又非常重要的领域，需要既具备丰富的科学理论知识、又掌握国际国内工业硅冶炼情况的人员才能完成，它涉及到的冶金、工艺、传热、设备、设计等多方面的知识与创新要求，使得这方面的工作既具体又复杂、既艺术又有意义。375.2 大容量半密闭式12500KVA 工业硅矿热炉的设计设计依据本项工作采用如下设计规范：中国节能技术政策大纲 （2005）；冶金企业安全卫生设计暂行规定 （1988）；建筑设计防火规范（GBJ16-87）；工业炉窑大气污染排放标准 （ GB9078-1996）；工业炉砌筑工程施工及验收规范 （GB50211-2004）。设计内容变压器选型大容量矿热炉具有单炉产量大、 能量供应均衡性好、 便于实现机械化、 便于余热综合利用、 热稳定性好、 便于操作等一系列优点， 是业界一致认可的矿热炉发展的方向。为了促进国内工业硅行业冶炼水平的提高和设备装备的现代化， 因此此次设计采用 12500KVA 容量的矿热炉变压器。12500KVA 矿热炉变压器具体技术参数如下：型号： HKSSPZ20-12500/35 壳式强油水冷矿热炉变压器；额定容量： 12500KVA，可超载 30%；冷却方式： OFWF；一次电压（ KV）： 35；二次额定电压（ V）： 151；二次电压（V）：175,172,169,166,163,160,157，154，151，148，145，142，139， 136，133 共 15 档；阻抗电压（短路电压）： ex%=4-6%。矿热炉电气参数的确定在工业硅冶炼过程中矿热炉的状态与电气参数的变化密切相关， 控制最佳的供电制度对保证取得好的经济技术指标十分重要。一般而言，提高矿热炉的二次电压在功率一定情况下电流就可以降下来， 这有利于提高线路功率因数和减少电损失， 但是过分提高矿热炉电压， 电极就不能38深插，炉膛料面就会过热，热损失增加，硅回收率降低，因此每台电炉都有其适宜的二次电压值。在设计电炉时往往利用米古林斯基公式 68 、83 来确定矿热炉正常工作时的二次电压：V2=KP 1/3式中： K 为电压系数，取 6.0-7.5；P 是变压器额定功率， KVA 。因此这次设计时取二次电压V21/3151V，=6.512500=150.85二次电流 I2=P=47795.2A。3V2矿热炉结构设计正确设计矿热炉的结构是保障矿热炉工作性能的先决条件，是设计工作者面临的最大困难。好的矿热炉结构设计不仅有利于炉子保障高产、优质、低能耗、少故障的生产，而且有利于节约筑炉成本、方便其它设备布置、保证操作顺畅。1、电极直径的选取在确定矿热炉其它结构尺寸之前，必须先确定电极直径， 它决定着矿热炉其它结构尺寸的大小。 电极直径有许多计算方法， 一般根据电极电流和电极电流密度确定：d= 2I 2=102.4cm=1024mm，I式中 I 2 为电极电流， A ， I 为电极电流密度5.5-6.1A/cm2，取 5.8 计算。根据国内厂家生产碳素电极的标准，取电极直径为1050mm。2、极心圆直径计算极心圆直径是一个对冶炼过程有很大影响的设备结构参数， 电极极心圆直径选得适当（图 5-1），三根电极电弧作用区域部分刚好相交于炉心， 各电极反应区既相互相连又重叠部分最小， 在这种情况下，炉内热量分配合理， 坩埚熔池最大，吃料均匀，炉况稳定，炉况也易于调节。如果一设计就不适当，则热量不是过分集中（图 5-2）就是热量分散（图 5-3），这都会造成炉况调节频繁或根本无法调节的严重错误。设计中极心圆直径可按下式计算：Dg=ad=2.31050=2415mm式中 a 为极心圆倍数， a=2.2-2.3，这里取 2.3 计算。39结合矿热炉容量、可调极心圆范围、实际电气参数调节空间这里取极心圆直径为 2500mm。图 5-1 极心圆适当图 5-2 极心圆过小图 5-3 极心圆过大3、炉膛内径计算在选择炉膛内径时， 要保证电流流过电极炉料炉壁时所受的阻力大于经过电极炉料电极或炉底时所受的阻力。否则，炉膛内径选择尺寸过大， 矿热炉表面散热面积大，还原剂烧损严重，出硅口温度低，出硅困难，炉况会恶化。炉膛内径选择过小，电极炉料炉壁回路上通过的电流增加，反应区偏向炉壁，将使炉内热量分散，炉心反应区温度低，炉壁腐蚀严重，炉况也会恶化。炉膛内径可按下面经验公式计算：Dn=rd=5.81050=6090mm式中 r 为炉膛内径倍数， r=5.8-6.0，这里取 5.8。炉膛内径这次设计中取为6200mm。4、炉膛深度计算在选择炉膛深度时，要保证电极端部与炉底之间有一定的距离、电极有效插入的深度和料层有一定的厚度。炉膛深度若过深， 电极与炉底距离远， 电极不能深插，高温区上移，炉底温度低，炉底SiC 会沉积，炉底上抬，堵塞出硅口，炉况变差。炉膛深度若太浅，料层厚度将很薄，炉口温度升高，硅挥发损失增加，容易露弧操作，能耗增大。合适的炉膛深度可按下面经验公式计算：h=d=2.51050=2625mm式中 为炉膛深度倍数， =2.5-2.8，这里取 2.5。炉膛深度这次设计中取为2700mm。5、炉衬与炉底的结构、尺寸及材料选择40一般而言，炉衬、炉底结构包含了工作层、保温层、隔热层、绝热层、钢板层 5 个主要层次，但是每个层次的具体尺寸却是很有技术含量的， 因为这涉及到筑炉成本、炉子性能、炉子寿命等许多经济因素。炉衬厚度过厚，引起筑炉成本上升，占地面积扩大，炉衬表面积增加，散热面积也增大；炉衬厚度过薄，抑或炉衬强度不够，抑或无法保温。炉底厚度亦是如此。国内外对炉衬、炉底散热强度计算表明，保持炉衬与炉底热损失为2-4%是合理的范围内 84 ，或者保持炉衬表面温度在70-120是允许的。因此按照这个条件以及结合所选择材料的使用温度, 根据传热学知识可确定炉衬与炉底工作层、保温层、隔热层、绝热层的厚度，钢板层的厚度根据强度需要而定。我们在这次设计中，工作层都使用自焙碳砖、保温层选用新型隔热耐火粘土砖（热导率 0.44W/m?k）、隔热层使用纳米隔热材料、绝热层使用复合硅酸铝纤维毯、钢板层选用14mm 厚的普通钢（炉底钢板厚18mm），如图 5-4。1电极孔 2 烟罩上盖板 3 烟囱孔 4 冷却水道5 观测孔 6 捣料炉门7 红砖 8 隔热耐火砖9纳米绝热材料 10 复合硅酸铝纤维毯11 钢板12 出硅口 13 高铝砖14 自焙炭砖图 5-4 12500KV A 工业硅矿热炉结构图6、出硅口位置、结构、尺寸与材料选择出硅口是矿热炉上非常重要的一个部位，它的位置、结构形状、尺寸、材料41选择都是需要仔细斟酌的。 位置布置不当， 出硅口部位温度低， 出硅不畅或者是操作不方便；结构形状尺寸不当， 也会导致出硅不畅或者封堵困难或者出硅时间延长；材料选择不当，容易氧化腐蚀，维修频繁。在这次设计中，出硅口设计二个，每个出硅口水平位置与炉底齐平并比炉底水平线下倾斜 3，角度位置它处于炉心与电极中心两点的延长线与炉壁的焦点上。出硅口应当设计成圆形， 便于烧穿与封堵， 尺寸根据出硅时间要求计算并结合实际操作需要来决定大小为直径 100-120mm，材料选择上容易氧化的外侧使用石英材料与碳糊。7、炉门结构、尺寸与材料选择大容量炉最大的问题是炉缘距离炉心远，上料困难，特别是国内强调以人工精细加料来取得好质量与低能耗产品的观点下， 普遍认为在大容量炉子在国内不如 6300KVA 炉子的性能，因此一次又一次的阻碍了投资方建造大容量炉子的热情。我们在这次设计中仅设计了 3 个捣料炉门，上料操作通过采用前述第三章开发设计的自动上料系统来完成， 克服了大容量炉存在的最大恼人的问题。 自动上料装置将料布放在料面各处， 捣炉功能通过窥视孔根据需要打开捣料炉门进行捣炉操作。捣炉炉门门槛下部与炉沿等高，门槛长 1200mm，高 1500mm，使用单独水冷结构。不需要捣炉时，炉门关上，密闭冶炼。8、烟罩结构、尺寸与材料选择大容量矿热炉炉膛尺寸跨度大， 烟罩设计较困难，同时从烟罩通过的电流大，处理不好涡流损失大。 为了解决烟罩结构强度与防止涡流损失， 我们采取用水冷钢管（防磁）做骨架并起吊，上下盖采用石板与水泥构筑，用细钢筋做支撑，既减轻了烟罩整体重量又防止了筑砌或制作上的不便。烟罩高度离炉沿 2300mm，直径与炉壳直径等同，厚度 160mm，上下盖间通水冷却。技术指标设计完成以后有关该炉的技术参数与性能如下：电极直径： 1050mm；极心圆直径： 2500mm；炉膛直径： 6200mm；42炉膛深度： 2700mm；炉壳直径： 8000mm；炉壳高度： 4618mm；烟罩高度： 2300mm；理论日产量： 20 吨；理论电单耗量： 13000KVAh/ 吨。5.3 余热利用化研究余热利用思路余能是在一定经济技术条件下， 在能源利用设备中没有被利用的能源， 也就是多余、废弃的能源。它包括高温废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、 化学反应余热、 可燃废气废液和废料余热以及高压流体余压等七种。其中最主要的是余热。 根据调查， 各行业的余热总资源约占其燃料消耗85总量的 17%67%，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60%。余热的回收利用途径很多。一般说来，综合利用余热最好；其次是直接利用；第三是间接利用（产生蒸汽、热水和热空气） 。余热蒸汽的合理利用顺序是：1)动力供热联合使用； 2)发电供热联合使用；3)生产工艺使用； 4)生活使用； 5)冷凝发电用。余热热水的合理利用顺序是：1)供生产工艺常年使用；2)返回锅炉使用； 3)生活用。余热空气的合理利用顺序是：1)生产用； 2)暖通空调用； 3)动力用； 4)发电工业硅冶炼中不同种类余热的利用在工业硅冶炼中所有能源供入项为电能和化学反应能，能源支出项为氧化物还原、金属硅潜热、逸出气体、炉面、炉体、短网、冷却水带走热。由于国内外在电能节约方面研究得比较多和透切，目前工业硅冶炼电效率基本都在92%以上。但是，电能最终要转变为热能才是反应所需的，而从表5-1 可知，矿热炉冶炼系统的热效率一般仅有60-70%，因此，整个冶炼系统能源利用效率都低于70%，这样大量的热被逸出气体、炉面、炉体、短网、冷却水、金属硅所带走和散失。从表 5-1 可知，金属硅带走的热占热量总供入量的5.98%，即 269456 千卡 /h。43这部分热是以金属硅潜热形式存在，硅液 1600-1800，硅锭为常温 20-30，其热具有间断性（出硅前后） 、释放缓慢性，存在能量密度低、不便于接触、不便于引出等特点。 在目前经济技术条件下， 金属硅的潜热只能以热辐射与对流的方式将这部分热引导出来， 其可能的利用方式为烘干物料、 预热物料、加热洗澡用水（该余热每小时能使 2.7 吨水从 0升到 100）、加热生活用水。炉面损失的热占总热量的 5.97%，即 26933 千卡 /h，与金属硅带走的热相当。这部分热总量大、能流持续平稳、密度小，主要以热辐射与对流形式损失，但是由于在炉口损失， 受制于场地无法加以再利用， 只能想办法减少其损失。 节约办法是炉型密闭化、控制料面温度、料面燃烧状况、厚料操作与防止刺火大量、多次发生。炉体损失的热占总热量的3.69%，即 166448 千卡 /h。这部分热与料面损失的热性质相同，它以热传导形式损失， 利用也很困难，也只能想办法减少其损失。减少办法是加强炉体隔热性能。短网损失的热占总热量的7.47%，即 336738 千卡 /h。这部分热主要损失在电缆、铜瓦、电极对外热辐射上，数量很大，但是受制于场地、能流密度小等限制，也是无法利用的热损，只能想办法减少。减少办法就是缩短短网，使用适当电流冶炼，选用制造后导电性能好的短网。注意不能使用保温材料包裹的办法，这样会适得其反。冷却水带走的热占总热量的 16.46%，即 750000 千卡 /h。这部分热产生于变压器、电缆母线、铜瓦，是种功能用水，一般要求入口 20-30，出口 30-40，水在循环池中来回循环使用， 所以冷却水带走的热量虽然很大， 但是不能够被利用。这部分热可以想办法减少，具体措施为： 1) 变压器方面要求硅钢片性能好，材料、制造都要选技术好的厂家来做。减少短网闪变，避免过大电流操作。2)电缆母线方面要求选用材料热阻小并要求制造水平高的厂家来生产， 尽量减少电缆布置长度， 避免过大电流操作。 3) 铜瓦基本要求也如此， 要求使用锻造工艺制造。逸出气体（烟气）带走的热量占总热量的 18.35%，即 826633 千卡 /h。烟气从炉内部产生，透过料面以后，温度在 400-600， 6300KVA的矿热炉烟气流量3为 4-8 万 NM/h ，烟气成分为 N2、O2、CO2、H2O及少量其他气体。以往国内企业大44多数直接排放，不仅污染了环境， 而且造成能源损失。 近年来在环保部门要求下，各企业相继安装了布袋除尘器。烟气在进入布袋除尘器之前温度必须降到120以下，降温措施为混风冷却、空冷、水冷，部分企业的水冷方式产生的热水被用于生产（洗原料、解冻）或生活（洗澡、洗碗） ，但是混风方式占多数，空冷也有少量，它们吸收或交换的热都被再次损失掉。 从当前烟气处理来看， 烟气余热都没有得到利用或很好的利用（利用价值不高） 。工业硅冶炼中烟气余热的利用烟气余热利用是余热种类当中最便于利用的一种形式，一般烟气具有较高的温度，流量较大，携带的热量较多，回收利用方便（用对流换热即可回收） ，不受场地限制，转换容易（转换为蒸汽） 。因此，对烟气的余热回收应好好的珍惜与做文章。烟气余热回收得到的能量利用方向为生产用与生活用或者是二者联合使用。生产用一是为本工艺流程服务如预热物料、 解冻，二是为其他工艺服务如余热发电、烘干其他物料、加热其他产品或是二者的复合。 生活用一是洗澡洗碗，二是供暖制冷或是二者的复合。在这里，我提出二种工业硅冶炼系统烟气余热利用方案： 一是余热发电综合利用方案，二是余热加热配套产品综合利用方案。烟气余热发电综合利用方案从一台 6300KVA 工业硅矿热炉中逸出的烟气流量为4-8 万 NM 3/h，烟气温度为 400-600， 400烟气比热为 1.12 kJ/kg，密度 1.295 kg/Nm3，烟气相对于 300时含热量 CpT=1.1241.295 100=580.16万 KJ/h=1381333千卡 /h，此热量能使 13.8 吨水从 0升到 100，能使得 5.5 吨水从 40升到 290 （此为蒸汽发电要求过热温度） 。根据青岛 4308 厂提供的 BN 型汽轮机技术参数：进汽压力 0.35-0.7Mpa,进汽温度 250-290，排汽压力 0.15Mpa,抽汽压力 0.5Mpa，则发电量可达 1000KW。由此计算，设电价 0.5 元/度，则一年（ 7000 小时）发电可创造经济效益350 万元。为实现烟气余热发电，需要投资余热锅炉 2 台 30 万、汽轮机 1 台 20 万、发电机组 1 台 20 万、变压器 2 台 40 万、控制柜若干 100 万左右，总投资 210 万左右，承上述计算 7 个月即可收回投资。对于上规模企业，如有 2 台以上 6300KVA 工业硅矿热炉或者多台12500KVA45工业硅矿热炉， 则上马烟气余热发电项目更有价值与必要。 因此，国内投资者应尽快打消烟气余热利用是微不足道且费事的念头， 重视余热利用与投身国家能源节约行动当中。按照上述烟气余热发电规划，已经被利用过的烟气从余热锅炉出来后，温度仍然有 300，由于温度较低，其热能品位降低，利用难度加大。为充分利用好能源，提高能源利用效率， 根据烟气余热梯级利用原理， 其热量可以被用来产生余热锅炉补汽。但是从补汽锅炉出来的烟气温度仍然有 200左右，这部分烟气仍包含热量，对此，这部分热量可以用来产生热水用于预热物料、解冻（北方地区）、洗澡、洗碗用，然后被冷却到 120以下的烟气可以符合标准的进入布袋除尘器进行处理。整个烟气余热发电综合利用方案系统示意图如图5-5 。2019189M1781637121124613511514101、 400 烟气2 、余热锅炉3、 300 烟气4 、补汽锅炉 5、200烟气6 、换热器7 、 100烟气8 、布袋除尘器 9、可排放烟气10 、循环水11 、 80 热水12 、预热解冻13 、洗澡洗碗14 、20 补水15 、 150 补汽16 、290 蒸汽17 、汽轮机18 、变压器1 19 、变压器2 20 、用户图 5-5 烟气余热发电综合利用方案系统示意图46该方案从能源利用与工艺角度来讲，它能源利用比较充分，能源利用率高，出口烟气温度能立即达到布袋尘除尘器的要求，不需要另外投资降温装置， 工艺配合性好。但是从经济性角度来考虑，也许还有更好的方案。烟气余热加热配套产品综合利用方案工业硅矿热炉烟气寓含的大量热量可以实现多种用途， 除了发电之外， 实际上，电还只是一种低附加值产品（ 3600KJ 热量换成电为 1 度，产值为 0.5 元，而由于目前蒸汽发电效率为 3045%左右，所以要 10000KJ 热量才换回 0.5 元）。大家往往局限于原有的思维，一想到余热利用就是发电、预热产品、制冷供暖、烧水洗澡，对于开拓创新利用余热研究不够。我的看法是要用热来转换为另外一种产品，转换形式并非一定是从一种能源产品到另外一种能源产品， 可以是一种能源产品到另外一种物质产品，只要该物质产品能与热存在一定的联系。对于烟气余热而言， 就是要寻找到一种与这种中温、低温热能想适应的物质产品。这种产品在化工、轻纺等领域广泛存在，例如塑料生产、造纸、纺织、有色金属蒸汽浸出等。另外要解放的一个思想是我本来是生产工业硅的，如果我为了利用余热而去生产另外一个物质产品造成投资过大或不应有的多元化生产造成的精力分散问题。其实，生产该种产品如果叫投资过大，则可以贷款融资解决 （因为你本业已经立下基础，当地贷款应该不会再成问题，也可通过股东融资比例分配来解决），如果生产该种产品带来精力分散（主要是市场开拓上的分散） ，这可以通过挂靠形式来解决（比如自己主动挂靠到该种产品行业中一个大型或中型厂家，由它解决市场问题，自己只管生产）。现在这个时代是合作时代， 要把合作（其实是资源合理组配） 放在观念更新的第一位。当投资者到某地去投资时， 该地已经存在一定工业基础， 则可以把厂建造在该厂附近，为其提供烟气余热以生产该产品。或者结合当地政府招商行为，与被招进来的企业联合投资， 本厂产生的烟气余热成为合作伙伴的供热基础。或者先联系某类投资者（比如塑料厂投资者） ，跟他协商好，共同投资于某地，共享烟气余热去生产一种新产品。 总之，作为投资者应当在烟气余热问题上要全盘考虑，怕麻烦的可以请研究所、 行业专家、 投资顾问、行业分析师代为考虑要结合产品的具体类型。475.4 隔热技术研究在工业生产中节能渠道基本分为三大类。 第一类是先进的技术工艺流程， 第二类是先进精良生产设备， 第三类是优良的节能材料。 在这里我将重点研究节能材料在工业硅冶炼领域的应用， 这是在工业硅冶炼领域近年较少涉及与更新的方面，已经与新材料、新技术不断更新的今天不相适应。节能材料主要体现在材料的隔热 （绝热）性能上，对于工业硅冶炼系统而言，材料隔热性能好坏直接影响到矿热炉的热效率。从表5-1 可见，从矿热炉炉体散发的热损失为166448 千卡 /h，占总热量收入项的3.69%（这还是较低的，国内大部分为 6-8%），与国外相比存在1-2 倍的差距。这主要是因为我国工业硅矿热炉炉体结构与材料通常是工作层用碳砖（上部用耐火砖），保温层用耐火砖，绝热层用石棉板或硅酸铝纤维毯，保护层（炉壳）用钢板的原因。这种结构和材料构成在今天看来已经不合理（但许多单位缺乏设计能力，仍在使用），原因一方面是我国矿热炉使用的材料导热系数大，隔热性能差，另一方面由于在筑炉时没有对材料结构进行合理设置，在同样大小导热系数材料条件下隔热效果也不理想。因此，为提高矿热炉热效率而对矿热炉炉体的结构和用材进行改革在目前相当必要。改革开放以前， 我国筑炉材料的品种非常单一， 基本以天然矿物质加工制品为主，工业硅矿热炉筑炉时工作层主要是碳砖， 保温层主要是粘土砖， 绝热层主要是硅藻土、石棉板，而且各材料的适用性能也比较落后。 随着节能、降低成本、新技术的应用、 其他领域对材料的特定要求， 我国科研人员在吸收消化国外材料制造技术与经验的基础上， 积极自主创新， 发展研究了一大批筑炉材料如陶瓷纤维、纳米微孔隔热材料、多层复合反射绝热板、漂珠高强隔热砖等。无论从高科技的航天器、 小到手中的保暖杯， 人们都对材料的导热性能、 强度要求等方面进行了广泛的研究和改进， 直至今日，筑炉材料品种已大大得到丰富、 产品的性能已得到大大提高， 生产工艺不断进步、 品种不断更新， 材料发展逐渐走上科学精细发展的道路。 在工业硅矿热炉筑炉中， 我们应当积极应用当代科技成果， 与时俱进地革新改进矿热炉的工作性能。表 5-2、表 5-3、表 5-4 分别列出了当今工业硅矿热炉筑炉时可供选用的工作层、保温层、隔热层与绝热层用材。48表 5-2当今工业硅矿热炉筑炉时可供选用的工作层用材名称2kgf/cm2荷使用温度常温耐压 强热导率热膨胀系数 ()重软化点 ( )( )度 (kgf/cm2)（ w/m ?） 10-6硅砖1520-16201600-1650175-5001.05+0.93t/100011.5-13碳砖20002000250-50023.26+3.49t/10003.7石墨砖1800-19002000250162.8-40.7t/10005.2-5.8碳 化 硅1500-17001600550-75014.2(600 )4.76砖11.9(800 )10.9(1000 )表 5-3 当今工业硅矿热炉筑炉时可供选用的保温层（坚固层）用材名称粘土砖高铝砖刚玉砖硅砖碳化硅砖刚玉莫来石砖普通型耐火浇注料轻质隔热砖高铝质隔热耐火砖密度（ g/cm3） 使用温度常温耐压强度热导率( )(kgf/cm2)（ w/m ?）2.071400150-3000.18-0.601500390-4901.43.201700200-7000.70-1.501.91600-1650175-5001.05+0.93t/10002.4-2.51600550-75014.2(600 )11.9(800 )10.9(1000 )1.5-1.71800200-5000.35-0.802.014002951.17-2.800.4-1.514009.8-590.25-0.700.4-1.514008-400.20-0.50注：碱性耐火材料如镁砖、镁铝砖、白云石砖、镁铬砖、镁橄榄石砖、氧化钙质砖等不能用于工业硅矿热炉。表 5-4当今工业硅矿热炉筑炉时可供选用的隔热层与绝热层用材名称导热系数 w/m.k比重 kg/m3使用温度 oC石棉板0.1-0.423110017000.13-0.151300600硅酸铝纤维毯0.09-0.161281200复合硅酸铝纤维毯0.036-0.09245-100600硅藻土0.13-0.40500-7001000膨胀珍珠岩0.447-0.0740-500800蛭石0.046-0.0780-9001100泡沫玻璃0.058155 200450泡沫石棉0.03520-2250049微孔硅酸钙0.065-0.13140-2701000矿渣棉0.048-0.1477-160650岩棉制品0.026-0.03580-150700玻璃棉0.043 0.1148350陶瓷纤维毯0.08-0.2926001260-1600空心微珠0.028-0.05450-200800纳米微孔隔热材料0.025-0.038400-5001000各种反射涂料0.03,80-90% 的 反 射450-1500150-1800率表 5-2、表 5-3、表 5-4 中，有许多是上世纪 80 年代后开发制造出来的材料，材料品种与性能与其 80 年代前有很大的改变，例如高铝砖是德国奥托焦炭公司1956 年前后开发出来的，其强度与导热系数与今天高铝砖的性能相距较远，当时其高铝砖作为炼焦炉枪其强度较松散，承受压力大约为100-200 kgf/cm2，导热系数为 3.47 w/m?。硅酸铝纤维毯作为广泛应用的炉体保温材料，我国1971研制成功，到 1990 年代前，其品种单一，性能也不好，但是现在生产企业200家左右，总生产能力超过 4 万吨年，品种繁多，包括普通硅酸铝纤维、高纯硅酸铝纤维、高铝纤维、多晶莫来石纤维、多晶氧化铝纤维和多晶氧化锆纤维等。空心微珠保温材料是另一种最近开发出来的保温材料， 它是一种以电厂粉煤灰微珠和膨胀珍珠岩为基料， 配以专用粘结剂， 经高温烧结后制成的轻质成型料。 据近年来国内外文献报道， 粉煤灰中的一种空心微珠是在粉煤燃烧时， 在炉温超过 1350 1500的高暖区域内产生的一种中空球形圆珠，其内部包含有氮和二氧化碳等气体，其表面耐磨性好，压强高，并有很好的耐酸性，是一种新兴的多功能材料。经试验研究表明，空心微珠具有颗粒小、质轻、中空、隔音、隔热、耐高温、绝缘、耐低温、耐磨、强度高等优异的多功能特性。另外现代筑炉与建筑还广泛使用薄层隔热保温材料反射绝热涂料。上世纪 90 年代 ,美国国家航空航天局的科技人员为解决航天飞行器的传热控制问题开发了一种太空绝热瓷层(Therma-Cover)，我国于 2001 年也开发成功，在现代筑炉中已经开始广泛使用。这种材料由一些悬浮于惰性乳胶中的微小陶瓷颗粒构成，具有高反射率、 高辐射率、低导热系数、低蓄热系数等热工性能，只要在表面喷涂0.3-0.5毫米涂层，就能有效抑制露天常温物体受太阳辐射热和红外辐射热，抑制效率达 90左右。科技进步为我们提供了更好的、更多的筑炉材料，我们必须切合顺应当前条件，50更好的利用这些条件为能源节约服务。在利用这些筑炉材料时， 除了节能方面的考虑之外， 还必须考虑它在炉衬中的用途所带来的强度、使用温度、膨胀特性、耐腐蚀性、价格等因素。对工业硅矿热炉的工作层来说，它要求：1、耐火度高。因工业硅冶炼温度在1800-2200之间， 工作层炉壁与炉底温度 1800左右，材料应该有足够高的软化、熔化温度。2、耐热强度高。在高温下，材料应该还能够承受炉子载荷、操作中产生的机械力、热膨胀力的作用而不变形、开裂。3、导热系数低。从工作层开始就应该具备优良的隔热性能，才能有利于节能。4、抗渣性能优良。工作层直接与炉料接触，选用的材料应该能承受炉料的侵蚀和冲刷。5、价格适当。投资者总喜欢低成本建造矿热炉。根据工业硅矿热炉工作层的上述要求，工作层用材目前只能选择碳砖。它使用温度高、强度好、抗渣性好，尽管导热系数和价格还比较高。工业硅矿热炉的保温层要求：1、耐火度高。对于工业硅矿热炉保温层同样也要求耐火度高，因为工作层隔热性能一般较差， 同时保温层也有部分与炉料直接接触，所以也要求保温层能耐受高温而不软化变形。2、耐热强度高。在高温下，保温层材料也应该还能够承受炉子载荷、操作中产生的机械力、热膨胀力的作用而不变形、开裂。3、导热系数低。从节能角度出发，保温层也应该具备优良的隔热性能，才能有利于节能。4、抗渣性能优良。保温层也有部分地方直接与炉料接触，所以要求其也应具备一定的抗渣性能。5、价格适当。保温层用料量较大，价格上应当追求较低材料。从保温层上述要求出发， 工业硅矿热炉保温层材料可以用粘土砖、轻质隔热砖、高铝质隔热耐火砖，这三种材料性能上差不多，主要是比较价格。粘土砖是广泛应用且价格相对而言比较低的一种耐火材料，A12O3 含量一般在30%-50%51之间，导热与承重性能都比较好，是炉衬主要用材。工业硅矿热炉减少热损失起关键作用的地方是隔热层和绝热层，因此，选择好隔热材料与绝热材料非常重要。工业硅矿热炉隔热层和绝热层对材料的要求是：1、导热系数小。减少热量损失，保证炉膛内温度是隔热层和绝热层的主要用途，只有导热系数小，才能实现上述目的。2、弹性小。隔热材料与绝热材料一般是轻质、疏松、多孔的纤维状材料，膨胀收缩系数大，容易引起炉体松动，因此要求隔热材料与绝热材料收缩性小，以保证保温层与炉壳之间的严密性与整体性。3、能耐高温。由于保温层主要担负骨架承受负荷用，它主要作用不是节能，所以其外泄热量相当大， 其冷面温度也相当高， 对紧贴其冷面的隔热材料和绝热材料来说，应当能够耐受其高温。4、价格便宜。根据工业硅矿热炉隔热层和绝热层对材料的上述要求，可以选定纳米微孔隔热材料作为隔热层和绝热层的用材。纳米微孔隔热材料是 2000 年以后我国相关单位从美国引进并消化吸收后逐渐推广应用起来的优良隔热、 绝热材料，它能耐受较高的温度，且导热系数比通常用的隔热材料、绝热材料低 1-4 倍，节能效果突出。如果为了强化保温，还可以在纳米微孔隔热材料热面喷涂某种反射涂料。如果要求继续使用硅酸铝纤维毯， 则应当使用硅酸铝纤维毯泡沫石棉或泡沫玻璃或空心微珠结构，保温效果将更好。选用低热导率的材料来增强保温，是保温方法的一种， 砌筑时材料结构的合理设计也是一种重要的保温方法。它包括材料厚度设计、材料间合理搭配使用、材料使用位置三个方面的内容。好的结构设计在同样材料使用情况下，隔热效果与经济性更好。在材料厚度设计上， 既要能保温承重， 同时使用量还要适当， 才能保证经济性。材料过薄，起不到保温承重效果，易折、易松动；材料过厚，虽然承重和整体性增强，但是超过临界厚度，保温效果反而下降，同时造价也上去了。在材料间合理搭配使用上， 要注意材料使用温度限制、 材料导热系数、 材料价格上的差异。 使用温度高的材料应当靠近高温区， 在温度一致情况下， 导热系52数低的应当在高温区一侧。材料合理搭配还能适当降低造价成本。在材料使用位置上，在炉墙不同位置应该使用不同材料， 在温度许可范围内，尽量选用导热系数低、 强度高、造价低的材料， 在需要加强保温措施部位应当考虑追加绝热材料的使用； 对于容易腐蚀的出硅口位置， 应当使用耐腐蚀的材料如碳砖、碳化硅砖，而不是常规思路来安排材料使用；对于炉底基础部位，在温度许可范围内，应当选用强度高、导热系数低、整体性好、造价低的材料。有了上述研究基础，用来指导矿热炉炉体结构的设计将才能真正的把隔热技术的作用发挥出来，制造出在国际上具有先进节能水平的矿热炉。表5-5 比较了传统炉体结构 61 与按照上述思路设计的炉体结构的隔热性能。表 5-5 传统矿热炉炉体结构与新设计的炉体结构隔热性能的比较项目炉 墙 内炉壳钢板炉墙 厚炉 壁 热炉 底热总损失节能差率表 面 温外表面温度与 结损失 2、损 失 3(kw)度（）度 1（）构(kw)(kw)传统炉衬结构1420178图 5-569.7827.1796.950新式炉衬结构14201137图 5-643.7417.3361.0737%1 注：取平均温度。2注：炉壁散热面积、炉底散热面积取该文中56.58m2、 23.40 m 2。3注：计算方法同该文一致。从表 5-5 和图 5-7 可以看出，新式炉衬结构不仅厚度少，而且炉体热损失减少 37%，说明研究总结出来的隔热技术起到了明显的作用。53图 5-6 传统矿热炉炉体结构5412634751、钢板2、石棉板3、复合硅酸铝纤维毯4、纳米隔热材料5、粘土砖6、高铝隔热耐火砖7、自培炭砖序 号名 称炉 壁 厚 度 ( m m )炉 底 厚 度 ( m1钢 板14142石 棉 板10103复合硅酸铝纤维10毯04纳米隔热材料10105粘 土 砖240-7602406高铝隔热耐火砖2407120自焙炭砖400800合 计8041304图 5-7新式矿热炉炉体结构5.5 结论本章研究了工业硅冶炼过程中的能源节约技术，包括冶炼关键设备矿热炉炉体结构的设计、余热利用方案研究、隔热技术总计设计研究，从大的、主要的能源节约方面进行了探索。通过研究设计 12500KVA 大容量半密闭式工业硅矿热炉，在炉体结构设计、出硅口设计、炉门设计、烟罩设计、隔热技术等方面运用新技术，提高了矿热炉55的性能水平，为高效利用能源打下了基础和提供了实现方案。通过余热利用方案的研究， 提出了二种新的余热综合利用方案，一是烟气余热发电锅炉补汽预热物料生活用水（洗澡、洗碗）梯级能源利用方案，二是烟气余热加热配套产品生活用水综合利用方案，为充分提高能源利用效率、节约能源、降低企业生产成本提供了实现途径。通过隔