工業硅行業作為現代工業的重要組成部分，每年消耗大量能源，據統計，中國平均每噸工業硅需要消耗13 000 kW˙h電以上，全國年產100×104 t工業硅需要耗電13×108 kW˙h以上。隨著中國逐步建立全社會的資源循環利用體系和節能減排工作的深入進行，工業硅作為能耗大戶，佘熱回收勢在必行。實施節能技術改造，提高能源綜合效率，既是響應國家號召，建設節約型社會的客觀需要，也是企業降低成本，提高企業市場競爭力的需要[1]。文章結合工業硅煙氣余熱
發電綜合利用項目，對當前工業硅爐煙氣余熱發電技術進行了研究和探討。
工業硅煙氣余熱特點
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(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]。
煙氣余熱發電改造前狀況
自原工業硅廠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)經卸料機卸出，進行包裝。經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。
余熱發電改造方案
余熱資源
高溫煙氣的流量和溫度參數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。經現場實測，原工業硅廠2臺礦熱爐煙氣余熱參數如下：
煙氣總量： 2×70 000 Nm³/h;
煙氣溫度： 450 ℃;
表1 煙氣成分和參數
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電工藝，煙氣經廢熱鍋爐利用后，溫度可從450 ℃降至200 ℃左右。根據熱力學公式，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。
根據設計及工程實施的數據及工程經驗，余熱鍋爐對余熱的利用效率90%，發電機組的效率為40%。本項目計算取余熱鍋爐80%的能效，取發電機組的能效40%。則2臺礦熱爐產生煙氣的計算余熱發電平均功率為4 293 kW。考慮到余熱發電受礦熱爐工況影響較大，煙氣溫度和流量等參數具有一定的波動性，且波動范圍較大等因素，本項目確定裝機方案2×8 t/h硅業煙氣專用余熱鍋爐+ 1×3 MW純凝汽式汽輪發電機組。三大主機主要參數如下：
工藝流程
利用硅廠工業硅礦熱爐高溫煙氣進行回收用于發電，達到節能減排、綜合利用、保護環境的目的[3]。煉硅產生的高溫余熱煙氣經煙道送入余熱鍋爐經過換熱后，產生的高溫高壓蒸氣推動汽輪發電機組發電，高溫煙氣經余熱鍋爐吸熱降溫后，再進入原有除塵器，經除塵后排放。發電機所發電能通過升壓變壓器升壓后接入硅爐35 kV配電裝置母線，余熱電站與現有電力系統實現并網運行，運行方式為并網不上網。在不改變原有供電及運行方式的前提下，發電機發出的電量將全部用于全廠負荷。
按照煙氣余熱發電方案，已經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，根據煙氣余熱梯級利用原理，其熱量可以被用來產生余熱鍋爐補汽。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。
余熱發電技術改造重點和難點
煙氣參數測量
余熱電站能否到達設計要求的額定出力，能否取得良好的經濟效益和環保效益，高溫余熱煙氣的流量、溫度等參數起到至關重要的作用。根據實際調研，并結合工業硅生產行業目前普遍的發展水平，大多數工業硅廠不能提供煙氣監測參數，在原工廠建設時也沒有考慮預留煙氣監測接口，而現場工業硅爐處于全天24小時不間斷生產狀態，要實時的測量煙道的高溫煙氣參數，需要面臨現場高溫帶電作業、高空墜落等危險因素的考驗。但若不測量煙氣參數，則設計無重要原則性輸入的支撐。因此，建議委托專業的熱工測量隊伍，依托專業的測量技術和專業儀器設備，采取有效的安全防范措施和手段，對余熱煙氣參數進行實地測量，以取得最直接的原始設計參數。
總平面布置
工業硅高溫余熱煙氣發電綜合利用均在原有硅廠廠區內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。而根據調研，大多數工業硅廠的現狀是建設時缺乏統一規劃，廠區內管線縱橫交錯，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，即節約用地、合理利用地形、方便集中管理，又保證縮短管線、工藝系統布局走向合理;既要滿足項目的安全、穩定、經濟性要求，又要滿足項目施工及投產后的安全性要求，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電綜合利用工程相關的原廠建構筑物及其基礎設計原始資料，在確保安全、可靠、經濟并有利于總平面優化布置的前提下，經過和業主的充分溝通，征得業主同意的前提下，可以考慮利用原廠即有的一些設備支吊架、廠區管架進行項目的設計。否則，從安全可靠的角度出發，余熱電站的設備支吊架等建構筑物應全部考慮新建，不應與原廠建構筑物發生聯系，但這同時對余熱電站總圖的優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，工業硅余熱鍋爐的難點在于：工業硅礦熱爐煙氣中的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定運行能力及發電量的大小。
據調查了解，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。根據調查了解到的目前一些余熱鍋爐生產廠家的情況，通過對一些硅鐵余熱發電廠運營情況的調查，考慮到螺旋鰭片管因自身結構原因，對硅微粉積灰很難清理。硅微粉有很強的粘結性，遇水或水蒸汽更容易粘結。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，再結合項目實際煙氣參數情況，選擇最合適的余熱發電鍋爐。
余熱發電綜合利用能耗及環保效益
工業硅生產是高能耗行業，無論從國家節能降耗政策，還是企業自身發展的需要，采用先進節能技術，大幅度降低消耗和生產成本，消除安全隱患，是生產企業目前迫切需要解決的問題。該余熱發電綜合利用項目成功實施，可以對企業生產系統用能進行優化，提高能源利用效率，對降低企業產品成本，實現節能降耗，增強企業的可持續發展能力具有重要意義。同時也為地區行業內規模化開展節能減排、綜合利用工作起到積極示范和推動作用。
