12500KVA工業(yè)硅礦熱爐的設(shè)計(jì)

《12500KVA工業(yè)硅礦熱爐的設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《12500KVA工業(yè)硅礦熱爐的設(shè)計(jì)（35頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 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(guó)整體戰(zhàn)略安全的一個(gè)極大隱患， 成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的瓶 頸。我國(guó)人均煤炭、 石油、天然氣資源量?jī)H為世界平均水平的 60％、10％和 5％。 目前，我國(guó)已成為世界第二大能源消費(fèi)國(guó)和第二大石油消費(fèi)國(guó)， 能源供應(yīng)緊張局面日趨嚴(yán)重 [81]。 與此同時(shí)，我國(guó)也存在嚴(yán)重能源利用效率低的問(wèn)題。近年來(lái)的快速增長(zhǎng)在很 大程度上是靠消耗大量物質(zhì)資源實(shí)現(xiàn)的。 我國(guó)單位產(chǎn)出的能耗和資源消耗水平明 顯高于國(guó)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

2、 泥綜合能耗高達(dá) 45％。據(jù)測(cè)算，我國(guó)每創(chuàng)造一美元 GDP 所消耗的能源是美國(guó)的 4.3 倍，是日本的 11.5 倍。能源利用率僅為美國(guó)的 26.9％，日本的 11.5％ [82]。因 此，提高能源使用效率是在能源總量不變條件成為中國(guó)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(guó)年產(chǎn) 100 萬(wàn)噸工業(yè)硅需要 13 億 KWh 以上。而國(guó)外先進(jìn)水平噸硅消耗量為 11000KWh，我國(guó)工業(yè)硅電耗比國(guó)外先進(jìn)水平高 10—20%，能源節(jié)約潛力仍很大（預(yù)計(jì)年節(jié)約 0.2 億 KWh ，相當(dāng) 0.1 億元）。另外

3、，國(guó)外先進(jìn)水平也不是最理想的能耗水平，我國(guó)如能在國(guó)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(guó)工業(yè)硅生產(chǎn)能源消耗高主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)上不合理、 控制水平與管理水平 不高。設(shè)計(jì)上不合理體現(xiàn)在我國(guó)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(jì)上為隔熱措施不嚴(yán)密、電路設(shè)計(jì)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(dòng)費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)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

4、，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(jì)、 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） 35 改變爐內(nèi)反應(yīng)機(jī)制； 7）改變?cè)闲阅芊较颍?8）采用自動(dòng)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)

5、。 經(jīng)過(guò)多年的摸索探討， 目前我國(guó)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(jì)、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(guó)工業(yè)硅電弧爐的熱效率 普遍比較低， 這是導(dǎo)致我國(guó)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(guó)某廠 6300KVA 電弧爐的熱平衡分析表 [21]。 表 5-1 我國(guó)某廠 6300KV A 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 百分比 卡 /h） １、電熱能 4324940

6、 95.98 １、氧化物還原耗熱 1834462 40.71 ２、電極氧化熱 100680 2.234 ２、金屬硅帶走熱 269456 5.98 ３、還原劑反應(yīng)放熱 80520 1.78 ３、逸出氣體帶走熱 826633 18.35 ４、爐面散熱 269333 5.97 ５、爐體散熱 166448 3.69 ６、短網(wǎng)熱損失 336738 7.47 ７、冷卻水帶走熱 750000 16.46 ８、其他 53370 1.19 合計(jì) 4506140 100 450614

7、0 100 從表 5-1 可以看出 6300KVA 電弧爐在工業(yè)硅生產(chǎn)過(guò)程中， 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(guò)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(guò)程中的熱效率角度來(lái)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、

8、余熱利用化方向、 隔熱設(shè)計(jì)技術(shù)四個(gè)方面來(lái)提高工業(yè)硅冶煉過(guò)程中的熱效率。因?yàn)閺谋?5-1 可以看出，工業(yè)硅礦熱爐熱效率低就 36 是因?yàn)橐莩鰵怏w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(gè)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(guò)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(shí)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(zhǎng)期發(fā)展的需

9、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(gè)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)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(guó)內(nèi)包頭鋼鐵研究設(shè) 計(jì)院曾經(jīng)依據(jù)鋼鐵行業(yè)余熱利用方式設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)大， 國(guó)內(nèi)工業(yè)硅企業(yè)又大多數(shù) 是私營(yíng)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(jià)、多

10、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(kāi)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。 科技每時(shí)每刻都在變化，上世紀(jì) 60 年代所作的設(shè)計(jì)不應(yīng)當(dāng)在這個(gè)世紀(jì)仍然 被當(dāng)作模范來(lái)應(yīng)用。當(dāng)前，由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有實(shí)力研究機(jī)構(gòu)來(lái)重新對(duì)上世紀(jì) 60 年代 所作的工業(yè)礦熱爐設(shè)計(jì)作改進(jìn)， 致使大多數(shù)企業(yè)仍用老的設(shè)計(jì)來(lái)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(kāi)發(fā)建設(shè)新型爐子， 所以我國(guó)目前的工業(yè)硅礦熱爐普遍都能耗高、 設(shè)計(jì)未能跟上時(shí)代發(fā)展的需要。 問(wèn)題的重要一方面反映在爐體隔熱設(shè)計(jì)多年來(lái)沒(méi)有多大改變，普遍使用的是碳磚層、耐火磚

11、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?guó)際國(guó)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(lái)了重新設(shè)計(jì)爐體結(jié)構(gòu)的機(jī)遇。 上述四個(gè)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， 需要既具備豐富的科學(xué)理論知 識(shí)、又掌握國(guó)際國(guó)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(jì)等多方面的知識(shí)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。 37 5.2 大容量半密閉式 12500KVA 工業(yè)硅礦熱爐的設(shè)計(jì)

12、 設(shè)計(jì)依據(jù) 本項(xiàng)工作采用如下設(shè)計(jì)規(guī)范： 《中國(guó)節(jié)能技術(shù)政策大綱》 （2005）； 《冶金企業(yè)安全衛(wèi)生設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》 （1988）； 《建筑設(shè)計(jì)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）。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 變壓器選型 大容量礦熱爐具有單爐產(chǎn)量大、 能量供應(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(guó)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)

13、代化， 因此此次設(shè)計(jì)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(hào)： 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： OFWF； 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 共 15 檔； 阻抗電壓（短路電壓）： ex%=4-6%。 礦熱爐電氣參數(shù)

14、的確定 在工業(yè)硅冶煉過(guò)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(duì)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(lái)， 這有利于提高線路功率因數(shù)和減少電損失， 但是過(guò)分提高礦熱爐電壓， 電極就不能 38 深插，爐膛料面就會(huì)過(guò)熱，熱損失增加，硅回收率降低，因此每臺(tái)電爐都有其適 宜的二次電壓值。在設(shè)計(jì)電爐時(shí)往往利用米古林斯基公式 [68 、83] 來(lái)確定礦熱爐正常工作時(shí)的二次電壓： V2=KP 1/3 式中： K 為電壓系數(shù)，

15、取 6.0-7.5；P 是變壓器額定功率， KVA 。 因此這次設(shè)計(jì)時(shí)取二次電壓 V2 × 1/3 ≈ 151V ， =6.5 12500 =150.85 二次電流 I 2= P =47795.2A。 3V2 礦熱爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 正確設(shè)計(jì)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(jì)工作者面 臨的最大困難。好的礦熱爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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

16、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(jì)算方法， 一般根據(jù)電極電流和電極電流密 度確定： d= 2 I 2 =102.4cm=1024mm， I 式中 I 2 為電極電流， A ，△ I 為電極電流密度 5.5-6.1A/cm2，取 5.8 計(jì)算。 根據(jù)國(guó)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(jì)算 極心圓直徑是一個(gè)對(duì)冶煉過(guò)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

17、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(jì)就不適當(dāng)，則熱量不是過(guò)分 集中（圖 5-2）就是熱量分散（圖 5-3），這都會(huì)造成爐況調(diào)節(jié)頻繁或根本無(wú)法調(diào)節(jié)的嚴(yán)重錯(cuò)誤。 設(shè)計(jì)中極心圓直徑可按下式計(jì)算： Dg=ad=2.3×1050=2415mm 式中 a 為極心圓倍數(shù)， a=2.2-2.3，這里取 2.3 計(jì)算。 39 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。

18、 圖 5-1 極心圓適當(dāng) 圖 5-2 極心圓過(guò)小 圖 5-3 極心圓過(guò)大 3、爐膛內(nèi)徑計(jì)算 在選擇爐膛內(nèi)徑時(shí)， 要保證電流流過(guò)電極—爐料—爐壁時(shí)所受的阻力大于經(jīng) 過(guò)電極—爐料—電極或爐底時(shí)所受的阻力。 否則，爐膛內(nèi)徑選擇尺寸過(guò)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(huì)惡化。 爐膛內(nèi)徑選擇過(guò)小，電極—爐料—爐壁回路上通過(guò)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(huì)惡化。 爐膛內(nèi)徑可按下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： Dn=rd=5.8×

19、1050=6090mm 式中 r 為爐膛內(nèi)徑倍數(shù)， r=5.8-6.0，這里取 5.8。 爐膛內(nèi)徑這次設(shè)計(jì)中取為 6200mm。 4、爐膛深度計(jì)算 在選擇爐膛深度時(shí)，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(guò)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(huì)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(jì)算： h=βd=2.5×1050=2

20、625mm 式中 β為爐膛深度倍數(shù)， β=2.5-2.8，這里取 2.5。 爐膛深度這次設(shè)計(jì)中取為 2700mm。 5、爐襯與爐底的結(jié)構(gòu)、尺寸及材料選擇 40 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(gè)主要層次，但是每個(gè)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(guò)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(guò)薄，抑或爐襯強(qiáng)度不夠，抑或無(wú)法保溫。爐底厚度亦是 如此。 國(guó)內(nèi)外對(duì)爐

21、襯、爐底散熱強(qiáng)度計(jì)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 70-120℃是允許的。因此按照這個(gè) 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(shí)可確定爐襯與爐底工作 層、保溫層、隔熱層、絕熱層的厚度，鋼板層的厚度根據(jù)強(qiáng)度需要而定。 我們?cè)谶@次設(shè)計(jì)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。

22、 1 電極孔 2 煙罩上蓋板 3 煙囪孔 4 冷卻水道 5 觀測(cè)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 12500KV A 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(gè)部位，它的位置、結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、材料 41

23、 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(huì)導(dǎo)致出硅不暢或者封堵困難或者出硅時(shí)間延長(zhǎng)；材料選擇不當(dāng)，容易氧化腐蝕，維修頻繁。 在這次設(shè)計(jì)中，出硅口設(shè)計(jì)二個(gè)，每個(gè)出硅口水平位置與爐底齊平并比爐底水平線下傾斜 3℃，角度位置它處于爐心與電極中心兩點(diǎn)的延長(zhǎng)線與爐壁的焦點(diǎn)上。出硅口應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成圓形， 便于燒穿與封堵， 尺寸根據(jù)出硅時(shí)間要求計(jì)算并結(jié)合實(shí)際操作需要來(lái)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(wèn)題是爐緣距離爐心

24、遠(yuǎn)，上料困難，特別是國(guó)內(nèi)強(qiáng)調(diào)以人工精細(xì)加料來(lái)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(guó)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?cè)谶@次設(shè)計(jì)中僅設(shè)計(jì)了 3 個(gè)搗料爐門，上料操作通過(guò)采用前述第三章開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的自動(dòng)上料系統(tǒng)來(lái)完成， 克服了大容量爐存在的最大惱人的問(wèn)題。 自動(dòng)上料裝置將料布放在料面各處， 搗爐功能通過(guò)窺視孔根據(jù)需要打開(kāi)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(zhǎng) 1200mm，高 1500mm，使用單獨(dú)水冷結(jié)構(gòu)。不需要搗爐時(shí)，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

25、尺寸跨度大， 煙罩設(shè)計(jì)較困難，同時(shí)從煙罩通過(guò)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。 技術(shù)指標(biāo) 設(shè)計(jì)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； 42 爐膛深度： 27

26、00mm； 爐殼直徑： 8000mm； 爐殼高度： 4618mm； 煙罩高度： 2300mm； 理論日產(chǎn)量： 20 噸； 理論電單耗量： 13000KVAh/ 噸。 5.3 余熱利用化研究 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(méi)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 [85] 總量的 17

27、%~67%，可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的 60% 。余熱的回 收利用途徑很多。一般說(shuō)來(lái)，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(dòng)力供熱聯(lián) 合使用； 2)發(fā)電供熱聯(lián)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(dòng)力用； 4)發(fā)電 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)

28、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(guó)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，礦熱爐冶 煉系統(tǒng)的熱效率一般僅有 60-70%，因此，整個(gè)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。 43

29、 這部分熱是以金屬硅潛熱形式存在，硅液 1600-1800℃，硅錠為常溫 20-30℃，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(duì)流的方式將這部分熱引導(dǎo)出來(lái)， 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(shí)能使 2.7 噸水從 0℃升到 100℃）、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)。這部分熱總量大、能流持續(xù)平穩(wěn)、密度小，主要以熱輻射與對(duì)流形式損失，但是 由于在爐口損失， 受制于場(chǎng)

30、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、銅瓦、電極對(duì)外熱輻射上，數(shù)量很大，但是受制于場(chǎng)地、能流密度小等限制，也是無(wú)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)

31、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(huì)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 20-30℃，出口 30-40℃，水在循環(huán)池中來(lái)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(lái)做。減少短網(wǎng)閃變，避免過(guò)大電流操作。 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(lái)生產(chǎn)， 盡量減少電纜布置長(zhǎng)度， 避免過(guò)大電流操作。 3) 銅瓦基本

32、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(guò)料面以后，溫度在 400-600℃， 6300KVA的礦熱爐煙氣流量 3 為 4-8 萬(wàn) NM/h ，煙氣成分為 N2、O2、CO2、H2O及少量其他氣體。以往國(guó)內(nèi)企業(yè)大 44 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(lái)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 120℃ 以下，降溫措施為混風(fēng)冷卻、空冷、水冷，部分企業(yè)

33、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(lái)看， 煙氣余熱都沒(méi)有得到利用或很好的利用（利用價(jià)值不高） 。 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(duì)流換熱即可回收） ，不受場(chǎng)地限制，轉(zhuǎn)換容易（轉(zhuǎn)換為蒸汽） 。因此，對(duì)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)用一是為本工藝流程服務(wù)如預(yù)熱物料、 解凍，

34、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。 煙氣余熱發(fā)電綜合利用方案 從一臺(tái) 6300KVA 工業(yè)硅礦熱爐中逸出的煙氣流量為 4-8 萬(wàn) NM 3/h，煙氣溫 度為 400-600℃， 400℃煙氣比熱為 1.12 kJ/kg℃，密度 1.295 kg/Nm3，煙氣相對(duì) 于 300℃時(shí)含熱量＝ Cp×ρ×ΔT=1.12×4×1.295× 100=580.16萬(wàn) KJ/h=

35、1381333 千卡 /h，此熱量能使 13.8 噸水從 0℃升到 100℃，能使得 5.5 噸水從 40℃升到 290℃ （此為蒸汽發(fā)電要求過(guò)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 250-290℃，排汽壓力 0.15Mpa,抽汽壓力 0.5Mpa，則發(fā)電量可達(dá) 1000KW。由此計(jì)算，設(shè)電價(jià) 0.5 元/度，則一年（ 7000 小時(shí)）發(fā) 電可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益 350 萬(wàn)元。 為實(shí)現(xiàn)煙氣余熱發(fā)電，需要投資余熱鍋爐 2 臺(tái) 30 萬(wàn)、汽輪機(jī) 1 臺(tái) 20 萬(wàn)、發(fā)電機(jī)組 1 臺(tái) 20 萬(wàn)、變壓器 2 臺(tái) 40 萬(wàn)

36、、控制柜若干 100 萬(wàn)左右，總投資 210 萬(wàn)左右，承上述計(jì)算 7 個(gè)月即可收回投資。 對(duì)于上規(guī)模企業(yè)，如有 2 臺(tái)以上 6300KVA 工業(yè)硅礦熱爐或者多臺(tái) 12500KVA 45 工業(yè)硅礦熱爐， 則上馬煙氣余熱發(fā)電項(xiàng)目更有價(jià)值與必要。 因此，國(guó)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(guó)家能源節(jié)約行動(dòng)當(dāng)中。 按照上述煙氣余熱發(fā)電規(guī)劃，已經(jīng)被利用過(guò)的煙氣從余熱鍋爐出來(lái)后，溫度仍然有 300℃，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(jù)煙氣余熱梯級(jí)利用原

37、理， 其熱量可以被用來(lái)產(chǎn) 生余熱鍋爐補(bǔ)汽。但是從補(bǔ)汽鍋爐出來(lái)的煙氣溫度仍然有 200℃左右，這部分煙氣仍包含熱量，對(duì)此，這部分熱量可以用來(lái)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 120℃以下的煙氣可以符合標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)入布 袋除塵器進(jìn)行處理。整個(gè)煙氣余熱發(fā)電綜合利用方案系統(tǒng)示意圖如圖 5-5 。 20 19 18 9 M 17 8 16 3 7 12 11 2 4 6 13

38、5 1 15 14 10 1、 400 ℃煙氣 2 、余熱鍋爐 3、 300 ℃煙氣 4 、補(bǔ)汽鍋爐 5 、200℃煙氣 6 、換熱器 7 、 100℃煙氣 8 、布袋除塵器 9 、可排放煙氣 10 、循環(huán)水 11 、 80 ℃熱水 12 、預(yù)熱解凍 13 、洗澡洗碗 14 、20 ℃補(bǔ)水 15 、 150 ℃補(bǔ)汽 16 、290 ℃蒸汽 17 、汽輪機(jī) 18 、變壓器 1 19 、變壓器 2 2

39、0 、用戶 圖 5-5 煙氣余熱發(fā)電綜合利用方案系統(tǒng)示意圖 46 該方案從能源利用與工藝角度來(lái)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 配合性好。但是從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)考慮，也許還有更好的方案。 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－

40、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(duì)于開(kāi)拓創(chuàng)新利用余熱研究不夠。 我的看法是要用熱來(lái)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)品能與熱存在一定的聯(lián)系。 對(duì)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(gè)思想是我本來(lái) 是生產(chǎn)工業(yè)硅的，如果我為

41、了利用余熱而去生產(chǎn)另外一個(gè)物質(zhì)產(chǎn)品造成投資過(guò)大 或不應(yīng)有的多元化生產(chǎn)造成的精力分散問(wèn)題。 其實(shí)，生產(chǎn)該種產(chǎn)品如果叫投資過(guò) 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(huì)再成問(wèn) 題，也可通過(guò)股東融資比例分配來(lái)解決） ，如果生產(chǎn)該種產(chǎn)品帶來(lái)精力分散（主 要是市場(chǎng)開(kāi)拓上的分散） ，這可以通過(guò)掛靠形式來(lái)解決（比如自己主動(dòng)掛靠到該 種產(chǎn)品行業(yè)中一個(gè)大型或中型廠家，由它解決市場(chǎng)問(wèn)題，自己只管生產(chǎn)） ?，F(xiàn)在 這個(gè)時(shí)代是合作時(shí)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(shí)， 該地已經(jīng)存在一定工業(yè)基礎(chǔ)， 則可以

42、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(lái)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(wèn)題上要全盤考慮， 怕 麻煩的可以請(qǐng)研究所、 行業(yè)專家、 投資顧問(wèn)、行業(yè)分析師代為考慮要結(jié)合產(chǎn)品的 具體類型。 47 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

43、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(duì)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(jiàn)，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(guó)內(nèi) 大部分為 6-8%），與國(guó)外相比存在 1-2 倍的差距。這主要是因?yàn)槲覈?guó)工業(yè)硅礦熱 爐爐體結(jié)構(gòu)與材料通常是工作層用碳

44、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(lái)已經(jīng)不合理（但許多單位缺乏設(shè)計(jì)能力，仍在使用） ，原因一方 面是我國(guó)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(shí)沒(méi) 有對(duì)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(duì)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(kāi)放以前， 我國(guó)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(shí)工作層主要是碳磚， 保溫層主要是粘土磚， 絕熱層主要是硅藻土、石棉

45、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(guó)科研人員在吸收消化國(guó)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(wú)論從高科 技的航天器、 小到手中的保暖杯， 人們都對(duì)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， 與時(shí)俱進(jìn)地革新改進(jìn)

46、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(shí)可供選用的工作層、保溫層、隔熱層與絕熱層用材。 48 表 5-2 當(dāng)今工業(yè)硅礦熱爐筑爐時(shí)可供選用的工作層用材 名稱 2kgf/cm2 荷 使用溫度 常溫耐壓 強(qiáng) 熱導(dǎo)率 熱膨脹系數(shù) (℃) 重軟化點(diǎn) (℃ ) ( ℃ ) 度 (kgf/cm2) （ w/m ?℃） × 10-6 硅磚 1520-1620 1600-1650 175-500 1.05+0.93t/1000 11.5-13 碳磚 200

47、0 2000 250-500 23.26+3.49t/1000 3.7 石墨磚 1800-1900 2000 250 162.8-40.7t/1000 5.2-5.8 碳 化 硅 1500-1700 1600 550-750 14.2(600℃ ) 4.76 磚 11.9(800℃ ) 10.9(1000℃ ) 表 5-3 當(dāng)今工業(yè)硅礦熱爐筑爐時(shí)可供選用的保溫層（堅(jiān)固層）用材 名稱 粘土磚 高鋁磚 剛玉磚 硅磚 碳化硅磚 剛玉莫

48、 來(lái)石 磚 普通型 耐火 澆注料 輕質(zhì)隔熱磚 高鋁質(zhì) 隔熱 耐火磚  密度（ g/cm3） 使用溫度 常溫耐壓強(qiáng)度 熱導(dǎo)率 ( ℃ ) (kgf/cm2) （ w/m ?℃） 2.07 1400 150-300 0.18-0.60 1500 390-490 1.4 3.20 1700 200-700 0.70-1.50 1.9 1600-1650 175-500 1.05+0.93t/1000 2.4-2.5 1600 550-750 14.2(600 ℃ ) 11.9(800℃

49、 ) 10.9(1000 ℃ ) 1.5-1.7 1800 200-500 0.35-0.80 2.0 1400 295 1.17-2.80 0.4-1.5 1400 9.8-59 0.25-0.70 0.4-1.5 1400 8-40 0.20-0.50 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(shí)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 0.1-0.4

50、23 1100 1700 0.13-0.15 <1300 600 硅酸鋁纖維毯 0.09-0.16 128 1200 復(fù)合硅酸鋁纖維毯 0.036-0.092 45-100 600 硅藻土 0.13-0.40 500-700 1000 膨脹珍珠巖 0.447-0.07 40-500 800 蛭石 0.046-0.07 80-900 1100 泡沫玻璃 <0.058 155－ 200 450 泡沫石棉 <0.035 20-22 500 49 微孔硅酸鈣 0.065-0.13

51、140-270 1000 礦渣棉 0.048-0.14 77-160 650 巖棉制品 0.026-0.035 80-150 700 玻璃棉 0.043－ 0.11 48 350 陶瓷纖維毯 0.08-0.29 2600 1260-1600 空心微珠 0.028-0.054 50-200 800 納米微孔隔熱材料 0.025-0.038 400-500 1000 各種反射涂料 0.03,80-90% 的 反 射 450-1500 150-1800 率 表 5-2、表 5-3、表 5-4 中，有許多是上世紀(jì)

52、 80 年代后開(kāi)發(fā)制造出來(lái)的材料，材料品種與性能與其 80 年代前有很大的改變，例如高鋁磚是德國(guó)奧托焦炭公司 1956 年前后開(kāi)發(fā)出來(lái)的，其強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)與今天高鋁磚的性能相距較遠(yuǎn)，當(dāng) 時(shí)其高鋁磚作為煉焦?fàn)t槍其強(qiáng)度較松散，承受壓力大約為 100-200 kgf/cm2，導(dǎo) 熱系數(shù)為 3.47 w/m?℃。硅酸鋁纖維毯作為廣泛應(yīng)用的爐體保溫材料，我國(guó) 1971 研制成功，到 1990 年代前，其品種單一，性能也不好，但是現(xiàn)在生產(chǎn)企業(yè) 200 家左右，總生產(chǎn)能力超過(guò) 4 萬(wàn)噸／年，品種繁多，包括普通硅酸鋁纖維、高純硅酸鋁纖維、高鋁纖維、多晶莫來(lái)石纖維、多晶氧化鋁纖維和

53、多晶氧化鋯纖維等?？招奈⒅楸夭牧鲜橇硪环N最近開(kāi)發(fā)出來(lái)的保溫材料， 它是一種以電廠粉煤灰微珠和膨脹珍珠巖為基料， 配以專用粘結(jié)劑， 經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后制成的輕質(zhì)成型料。 據(jù)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道， 粉煤灰中的一種空心微珠是在粉煤燃燒時(shí)， 在爐溫超過(guò) 1350 1500℃的高暖區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的一種中空球形圓珠，其內(nèi)部包含有氮和二氧化 碳等氣體，其表面耐磨性好，壓強(qiáng)高，并有很好的耐酸性，是一種新興的多功能 材料。經(jīng)試驗(yàn)研究表明，空心微珠具有顆粒小、質(zhì)輕、中空、隔音、隔熱、耐高 溫、絕緣、耐低溫、耐磨、強(qiáng)度高等優(yōu)異的多功能特性。另外現(xiàn)代筑爐與建筑還 廣泛使用薄層隔熱保溫材料——反射絕熱涂

54、料。 上世紀(jì) 90 年代 ,美國(guó)國(guó)家航空航 天局的科技人員為解決航天飛行器的傳熱控制問(wèn)題開(kāi)發(fā)了一種太空絕熱瓷層 (Therma-Cover)，我國(guó)于 2001 年也開(kāi)發(fā)成功，在現(xiàn)代筑爐中已經(jīng)開(kāi)始廣泛使用。 這種材料由一些懸浮于惰性乳膠中的微小陶瓷顆粒構(gòu)成， 具有高反射率、 高輻射 率、低導(dǎo)熱系數(shù)、低蓄熱系數(shù)等熱工性能，只要在表面噴涂 0.3-0.5 毫米涂層， 就能有效抑制露天常溫物體受太陽(yáng)輻射熱和紅外輻射熱， 抑制效率達(dá) 90％左右。 科技進(jìn)步為我們提供了更好的、更多的筑爐材料，我們必須切合順應(yīng)當(dāng)前條件， 50

55、 更好的利用這些條件為能源節(jié)約服務(wù)。 在利用這些筑爐材料時(shí)， 除了節(jié)能方面的考慮之外， 還必須考慮它在爐襯中 的用途所帶來(lái)的強(qiáng)度、使用溫度、膨脹特性、耐腐蝕性、價(jià)格等因素。 對(duì)工業(yè)硅礦熱爐的工作層來(lái)說(shuō)，它要求： 1、耐火度高。因工業(yè)硅冶煉溫度在 1800-2200℃之間， 工作層爐壁與爐底溫 度 1800℃左右，材料應(yīng)該有足夠高的軟化、熔化溫度。 2、耐熱強(qiáng)度高。在高溫下，材料應(yīng)該還能夠承受爐子載荷、操作中產(chǎn)生的 機(jī)械力、熱膨脹力的作用而不變形、開(kāi)裂。 3、導(dǎo)熱系數(shù)低。從工作層開(kāi)始就應(yīng)該具備優(yōu)良的隔熱性能，才能有利于節(jié) 能。 4、

56、抗渣性能優(yōu)良。工作層直接與爐料接觸，選用的材料應(yīng)該能承受爐料的 侵蝕和沖刷。 5、價(jià)格適當(dāng)。投資者總喜歡低成本建造礦熱爐。 根據(jù)工業(yè)硅礦熱爐工作層的上述要求， 工作層用材目前只能選擇碳磚。 它使 用溫度高、強(qiáng)度好、抗渣性好，盡管導(dǎo)熱系數(shù)和價(jià)格還比較高。 工業(yè)硅礦熱爐的保溫層要求： 1、耐火度高。對(duì)于工業(yè)硅礦熱爐保溫層同樣也要求耐火度高，因?yàn)楣ぷ鲗? 隔熱性能一般較差， 同時(shí)保溫層也有部分與爐料直接接觸， 所以也要求保溫層能 耐受高溫而不軟化變形。 2、耐熱強(qiáng)度高。在高溫下，保溫層材料也應(yīng)該還能夠承受爐子載荷、操作 中產(chǎn)生的機(jī)械力、熱膨脹

57、力的作用而不變形、開(kāi)裂。 3、導(dǎo)熱系數(shù)低。從節(jié)能角度出發(fā)，保溫層也應(yīng)該具備優(yōu)良的隔熱性能，才 能有利于節(jié)能。 4、抗渣性能優(yōu)良。保溫層也有部分地方直接與爐料接觸，所以要求其也應(yīng) 具備一定的抗渣性能。 5、價(jià)格適當(dāng)。保溫層用料量較大，價(jià)格上應(yīng)當(dāng)追求較低材料。 從保溫層上述要求出發(fā)， 工業(yè)硅礦熱爐保溫層材料可以用粘土磚、 輕質(zhì)隔熱 磚、高鋁質(zhì)隔熱耐火磚，這三種材料性能上差不多，主要是比較價(jià)格。粘土磚是 廣泛應(yīng)用且價(jià)格相對(duì)而言比較低的一種耐火材料， A12O3 含量一般在 30%-50% 51 之間，

58、導(dǎo)熱與承重性能都比較好，是爐襯主要用材。 工業(yè)硅礦熱爐減少熱損失起關(guān)鍵作用的地方是隔熱層和絕熱層， 因此，選擇 好隔熱材料與絕熱材料非常重要。工業(yè)硅礦熱爐隔熱層和絕熱層對(duì)材料的要求 是： 1、導(dǎo)熱系數(shù)小。減少熱量損失，保證爐膛內(nèi)溫度是隔熱層和絕熱層的主要 用途，只有導(dǎo)熱系數(shù)小，才能實(shí)現(xiàn)上述目的。 2、彈性小。隔熱材料與絕熱材料一般是輕質(zhì)、疏松、多孔的纖維狀材料， 膨脹收縮系數(shù)大，容易引起爐體松動(dòng)，因此要求隔熱材料與絕熱材料收縮性小， 以保證保溫層與爐殼之間的嚴(yán)密性與整體性。 3、能耐高溫。由于保溫層主要擔(dān)負(fù)骨架承受負(fù)荷用， 它主要作用不是節(jié)

59、能， 所以其外泄熱量相當(dāng)大， 其冷面溫度也相當(dāng)高， 對(duì)緊貼其冷面的隔熱材料和絕熱 材料來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)能夠耐受其高溫。 4、價(jià)格便宜。 根據(jù)工業(yè)硅礦熱爐隔熱層和絕熱層對(duì)材料的上述要求， 可以選定納米微孔隔 熱材料作為隔熱層和絕熱層的用材。納米微孔隔熱材料是 2000 年以后我國(guó)相關(guān)單位從美國(guó)引進(jìn)并消化吸收后逐漸推廣應(yīng)用起來(lái)的優(yōu)良隔熱、 絕熱材料，它能耐 受較高的溫度，且導(dǎo)熱系數(shù)比通常用的隔熱材料、絕熱材料低 1-4 倍，節(jié)能效果突出。如果為了強(qiáng)化保溫，還可以在納米微孔隔熱材料熱面噴涂某種反射涂料。 如果要求繼續(xù)使用硅酸鋁纖維毯， 則應(yīng)當(dāng)使用硅酸鋁纖維毯＋泡沫

60、石棉或泡沫玻璃或空心微珠結(jié)構(gòu)，保溫效果將更好。 選用低熱導(dǎo)率的材料來(lái)增強(qiáng)保溫， 是保溫方法的一種， 砌筑時(shí)材料結(jié)構(gòu)的合 理設(shè)計(jì)也是一種重要的保溫方法。它包括材料厚度設(shè)計(jì)、材料間合理搭配使用、 材料使用位置三個(gè)方面的內(nèi)容。 好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在同樣材料使用情況下， 隔熱效果 與經(jīng)濟(jì)性更好。 在材料厚度設(shè)計(jì)上， 既要能保溫承重， 同時(shí)使用量還要適當(dāng)， 才能保證經(jīng)濟(jì)性。材料過(guò)薄，起不到保溫承重效果，易折、易松動(dòng)；材料過(guò)厚，雖然承重和整體性增強(qiáng)，但是超過(guò)臨界厚度，保溫效果反而下降，同時(shí)造價(jià)也上去了。 在材料間合理搭配使用上， 要注意材料使用溫度限制、 材料導(dǎo)熱系數(shù)、 材料

61、價(jià)格上的差異。 使用溫度高的材料應(yīng)當(dāng)靠近高溫區(qū)， 在溫度一致情況下， 導(dǎo)熱系 52 數(shù)低的應(yīng)當(dāng)在高溫區(qū)一側(cè)。材料合理搭配還能適當(dāng)降低造價(jià)成本。 在材料使用位置上，在爐墻不同位置應(yīng)該使用不同材料， 在溫度許可范圍內(nèi)， 盡量選用導(dǎo)熱系數(shù)低、 強(qiáng)度高、造價(jià)低的材料， 在需要加強(qiáng)保溫措施部位應(yīng)當(dāng)考慮追加絕熱材料的使用； 對(duì)于容易腐蝕的出硅口位置， 應(yīng)當(dāng)使用耐腐蝕的材料如碳磚、碳化硅磚，而不是常規(guī)思路來(lái)安排材料使用；對(duì)于爐底基礎(chǔ)部位，在溫度許可范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)選用強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、整體性好、造價(jià)低的材料。 有了上述研究基礎(chǔ)，用來(lái)指導(dǎo)礦熱

62、爐爐體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將才能真正的把隔熱技 術(shù)的作用發(fā)揮出來(lái)，制造出在國(guó)際上具有先進(jìn)節(jié)能水平的礦熱爐。表 5-5 比較了 傳統(tǒng)爐體結(jié)構(gòu) [61] 與按照上述思路設(shè)計(jì)的爐體結(jié)構(gòu)的隔熱性能。 表 5-5 傳統(tǒng)礦熱爐爐體結(jié)構(gòu)與新設(shè)計(jì)的爐體結(jié)構(gòu)隔熱性能的比較 項(xiàng)目 爐 墻 內(nèi) 爐殼鋼板 爐墻 厚 爐 壁 熱 爐 底熱 總損失 節(jié)能差率 表 面 溫 外表面溫 度與 結(jié) 損失 2、 損 失 3 (kw) 度（℃） 度 1（℃） 構(gòu) (kw) (kw) 傳統(tǒng)爐襯結(jié)構(gòu) 1420 178 圖 5-5 69.78 27

63、.17 96.95 0 新式爐襯結(jié)構(gòu) 14201 137 圖 5-6 43.74 17.33 61.07 37% 1 注：取平均溫度。 2 注：爐壁散熱面積、爐底散熱面積取該文中 56.58m 2、 23.40 m 2。 3 注：計(jì)算方法同該文一致。 從表 5-5 和圖 5-7 可以看出，新式爐襯結(jié)構(gòu)不僅厚度少，而且爐體熱損失減 少 37%，說(shuō)明研究總結(jié)出來(lái)的隔熱技術(shù)起到了明顯的作用。

64、 53 圖 5-6 傳統(tǒng)礦熱爐爐體結(jié)構(gòu) 54

65、 1 2 6 3 4 7 5 1、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 序 號(hào) 名 稱 爐 壁 厚 度 ( m m ) 爐 底 厚 度 ( m 1 鋼 板 14 14 2 石 棉 板 10 10 3 復(fù)合硅酸鋁纖維10毯 0 4 納米隔熱材料 10 10 5 粘 土 磚 240-760 240

66、 6 高鋁隔熱耐火磚 240 7 120 自焙炭磚 400 800 合 計(jì) 804 1304 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(guò)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)構(gòu)的設(shè)計(jì)、余熱利用方案研究、隔熱技術(shù)總計(jì)設(shè)計(jì)研究，從大的、主要的能 源節(jié)約方面進(jìn)行了探索。 通過(guò)研究設(shè)計(jì) 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(jì)、 出硅口設(shè)計(jì)、爐門設(shè)計(jì)、煙罩設(shè)計(jì)、隔熱技術(shù)等方面運(yùn)用新技術(shù)，提高了礦熱爐 55 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(guò)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(jí)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(guò)隔