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摘要：镍铁生产是现代工业的重要组成部分，每年需消耗大量能源，随着我国全社会资源循环利用体系的逐步完善和节能减排工作的深入进行，镍铁矿热炉余热回收势在必行。本文根据镍铁矿热炉废气温度及成分的特点，提出了利用废气余热（包括废气显热和潜热）发电的多种方案，并阐述其系统、主要设备组成、工艺优劣点及今后的发展方向。
关键词：全封闭；镍铁矿热炉；废气；余热；发电
1、引言
目前国家节约型、友好型社会的发展理念，对企业和用户在矿热炉余热资源的综合利用上提出了更高的要求，另外环境保护和节能减排政策的要求日益严苛，以及国家对该领域节能减排政策支持的力度逐渐加大，促使该领域改造和新建项目的余热回收资源综合利用迎来了健康发展的有利时机，而余热发电则是余热资源综合利用的最佳途径。
2、镍铁矿热炉概况
镍铁矿热炉是一种连续作业的高耗能及高污染的冶金生产电炉。根据炉型密闭型式不同，可分为半封闭型和全封闭型两种。
半封闭型镍铁矿热炉废气流量大，主要成分是以N2和CO2为主的不可燃气体，废气温度达500℃左右。而全封闭型镍铁矿热炉废气量相对较少，主要成分是以C0？H2及CH4为主的可燃气体，废气热值达11.1MJ/Nm3。
对比半封闭型和全封闭型镍铁矿热炉废气的不同成分、特点、气量、温度等综合因素，可采取不同的工艺方案对其进行余热发电利用。
3、余热发电工艺方案
3.1 镍铁矿热炉余热发电的技术优势
镍铁矿热炉废气余热利用主要有两种方式，一是工业生活利用；二是余热发电利用。所谓工业生活利用，就是利用废气显热进行取暖、烧水、蒸饭和洗澡等工业生活配套。其利用受限，北方供暖大约有4-5个月，烧水等生活用量少而且不规则，只能间隙式利用，利用效率低，余热资源浪费严重，热效率只有10%左右；利用废气来进行余热发电，可最大限度利用废气余热，稳定性好且热源利用效率高，如采用低品位汽轮发电机组，其热效率也至少在20%以上，而这些正是相较工业生活利用的先天优势，更值得推广应用。
3.2半封闭型镍铁矿热炉余热发电方案
半封闭型镍铁矿热炉废气余热发电主要采用余热锅炉+蒸汽轮机发电机组方式。半封闭型镍铁矿热炉废气流量大？温度较低？烟尘含量大，发电过程主要利用废气的余热，未经净化的废气直接通过余热锅炉进行换热，换热后产生的高温过热蒸汽推动汽轮机做功进行发电。该工艺方案仅利用了矿热炉废气显热，废气潜热未得到利用，热效率较低。主要设备包括矿热炉半封闭型矮烟罩、余热锅炉、蒸汽轮机、发电机、化学水系统、冷却循环水系统、电气系统、热工控制系统、除尘净化系统、引风机、烟囱及辅助系统等。工艺流程如图1所示。
3.3全封闭型镍铁矿热炉余热发电方案
全封闭型镍铁矿热炉产生的废气中C0约占总量的90%，发电过程主要是利用废气的潜热和显热。全封闭型镍铁矿热炉废气主要有四种余热发电方案。
3.3.1方案一：余热锅炉+蒸汽轮机发电机组
收集镍铁矿热炉高温废气，经烟道沉降后送入余热锅炉，换热后产生过热蒸汽，从而推动汽轮机做功发电。该方案虽利用了废气显热，但却放弃了废气潜热的应用，热效率只有20%左右。工艺流程如图2所示。
3.3.2方案二：燃气锅炉+蒸汽轮机发电机组
该方案流程为矿热炉烟气经过除尘净化后，送入煤气柜作为缓冲，煤气柜提供相对稳定的气源和压力，然后送入燃气锅炉燃烧产生高温蒸汽再送入汽轮机做功发电。主要设备包括：煤气柜、燃气锅炉、蒸汽轮机发电机组和发配电控制设备等。该方案特点在于可以广泛借鉴火力发电的经验，技术配套相对比较成熟，投資和运行费用较低、短期收益明显，但要损失掉矿热炉烟气的显热，热利用效率在30%左右。工艺流程如图3所示。
3.3.3方案三：直燃锅炉+蒸汽轮机发电机组
镍铁矿热炉高温废气不经除尘净化而直接进人直燃锅炉内进行燃烧，由直燃锅炉产生过热蒸汽推动汽轮机做功发电。该工艺方案虽然利用了废气燃烧潜热，又利用了高温废气余热，废气热利用率高达35%，但是由于镍铁矿热炉废气烟尘含量高，对直燃锅炉结构磨损极其严重，且锅炉清灰问题尚未得到有效解决，直接影响了锅炉的可靠运行。工艺流程如图4所示。
3.3.4方案四：燃气轮机+余热锅炉+蒸汽轮机联合循环发电机组
镍铁矿热炉废气经除尘净化及压缩后送入燃气轮机进行燃烧发电，燃烧后排出的尾气温度在500℃左右，再通过排气管道引入余热锅炉，余热锅炉产生过热蒸汽推动汽轮机做功并发电，从而实现了燃气-蒸汽联合循环发电，热利用率高达45%甚至更高。主要设备包括矿热炉全封闭型矮烟罩、煤气净化系统、煤气柜、煤气压缩机、燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机、发电机、化学水系统、冷却循环水系统、电气系统、热工控制系统、引风机、烟囱及辅助系统等。工艺流程如图5所示。
3.3.5四种方案对比表
从对比表可以看出，四种方案中，燃气-蒸汽联合循环发电机组，虽然初期投资多，设备维护成本较高，但其以综合效益高、功率大？发电热效率高？安全可靠？单位造价低？启停短时？调峰性能好、洁净环保等诸多优点，受到电力行业高度重视，目前已成为洁净发电的主力机组。
4、燃气-蒸汽联合循环发电工业应用
某实业有限公司拥有3台33MVA镍铁矿热炉，共计年产12%的镍铁20万t，总废气量为15000Nm3/h，废气成分中C0约占90%，其余含少量H2、CH4、C02、02、N2等，热值约为11.1MJ/Nm3。该公司以全封闭型矮烟罩所收集镍铁矿热炉废气为燃料，建设1台15MW燃气轮机+1台38t/h余热锅炉+1台9MW凝汽式汽轮机+1台24MW同步发电机，燃气轮机、蒸汽轮机及发电机采用单轴布置，同轴运转，实现燃气-蒸汽联合循环发电。机组年运行小时数8000h，年发电量1.92×lO8kWh。按国家能源局发布的2017年全国电力工业6000千瓦及以上电厂供电标准煤耗309g/kWh，扣除部分厂用电率后，该项目年节约标煤56362t，年减排C02为140905t，年节约电费12480万元，无论是经济效益还是环保效益都非常可观。
5、结论
我国的废气余热发电技术在冶金行业已日臻完善，镍铁矿热炉余热发电不仅可以高效利用废气潜热及显热进行发电，还能将电能回用于生产，降低企业能耗，同时还能减少对环境的热污染及粉尘污染，是一举多得的措施。建议国内有条件的镍铁生产企业，尽可能多地在节能降耗技术方面进行思考和探索，借鉴国际镍铁生产节能先进技术，提高我国的镍铁生产水平及效益。
参考文献：
[1]沈洪涛.工业硅矿热炉废气余热发电技术探讨[J].能源与节能，2013（10）：104-105.
[2]惠兆森，惠超，等.硅铁矿热炉余热发电系统的优化设计[J].铁合金，2013（6）37-41.
（作者单位：南京凯盛开能环保能源有限公司）
关键词：全封闭；镍铁矿热炉；废气；余热；发电
1、引言
目前国家节约型、友好型社会的发展理念，对企业和用户在矿热炉余热资源的综合利用上提出了更高的要求，另外环境保护和节能减排政策的要求日益严苛，以及国家对该领域节能减排政策支持的力度逐渐加大，促使该领域改造和新建项目的余热回收资源综合利用迎来了健康发展的有利时机，而余热发电则是余热资源综合利用的最佳途径。
2、镍铁矿热炉概况
镍铁矿热炉是一种连续作业的高耗能及高污染的冶金生产电炉。根据炉型密闭型式不同，可分为半封闭型和全封闭型两种。
半封闭型镍铁矿热炉废气流量大，主要成分是以N2和CO2为主的不可燃气体，废气温度达500℃左右。而全封闭型镍铁矿热炉废气量相对较少，主要成分是以C0？H2及CH4为主的可燃气体，废气热值达11.1MJ/Nm3。
对比半封闭型和全封闭型镍铁矿热炉废气的不同成分、特点、气量、温度等综合因素，可采取不同的工艺方案对其进行余热发电利用。
3、余热发电工艺方案
3.1 镍铁矿热炉余热发电的技术优势
镍铁矿热炉废气余热利用主要有两种方式，一是工业生活利用；二是余热发电利用。所谓工业生活利用，就是利用废气显热进行取暖、烧水、蒸饭和洗澡等工业生活配套。其利用受限，北方供暖大约有4-5个月，烧水等生活用量少而且不规则，只能间隙式利用，利用效率低，余热资源浪费严重，热效率只有10%左右；利用废气来进行余热发电，可最大限度利用废气余热，稳定性好且热源利用效率高，如采用低品位汽轮发电机组，其热效率也至少在20%以上，而这些正是相较工业生活利用的先天优势，更值得推广应用。
3.2半封闭型镍铁矿热炉余热发电方案
半封闭型镍铁矿热炉废气余热发电主要采用余热锅炉+蒸汽轮机发电机组方式。半封闭型镍铁矿热炉废气流量大？温度较低？烟尘含量大，发电过程主要利用废气的余热，未经净化的废气直接通过余热锅炉进行换热，换热后产生的高温过热蒸汽推动汽轮机做功进行发电。该工艺方案仅利用了矿热炉废气显热，废气潜热未得到利用，热效率较低。主要设备包括矿热炉半封闭型矮烟罩、余热锅炉、蒸汽轮机、发电机、化学水系统、冷却循环水系统、电气系统、热工控制系统、除尘净化系统、引风机、烟囱及辅助系统等。工艺流程如图1所示。
3.3全封闭型镍铁矿热炉余热发电方案
全封闭型镍铁矿热炉产生的废气中C0约占总量的90%，发电过程主要是利用废气的潜热和显热。全封闭型镍铁矿热炉废气主要有四种余热发电方案。
3.3.1方案一：余热锅炉+蒸汽轮机发电机组
收集镍铁矿热炉高温废气，经烟道沉降后送入余热锅炉，换热后产生过热蒸汽，从而推动汽轮机做功发电。该方案虽利用了废气显热，但却放弃了废气潜热的应用，热效率只有20%左右。工艺流程如图2所示。
3.3.2方案二：燃气锅炉+蒸汽轮机发电机组
该方案流程为矿热炉烟气经过除尘净化后，送入煤气柜作为缓冲，煤气柜提供相对稳定的气源和压力，然后送入燃气锅炉燃烧产生高温蒸汽再送入汽轮机做功发电。主要设备包括：煤气柜、燃气锅炉、蒸汽轮机发电机组和发配电控制设备等。该方案特点在于可以广泛借鉴火力发电的经验，技术配套相对比较成熟，投資和运行费用较低、短期收益明显，但要损失掉矿热炉烟气的显热，热利用效率在30%左右。工艺流程如图3所示。
3.3.3方案三：直燃锅炉+蒸汽轮机发电机组
镍铁矿热炉高温废气不经除尘净化而直接进人直燃锅炉内进行燃烧，由直燃锅炉产生过热蒸汽推动汽轮机做功发电。该工艺方案虽然利用了废气燃烧潜热，又利用了高温废气余热，废气热利用率高达35%，但是由于镍铁矿热炉废气烟尘含量高，对直燃锅炉结构磨损极其严重，且锅炉清灰问题尚未得到有效解决，直接影响了锅炉的可靠运行。工艺流程如图4所示。
3.3.4方案四：燃气轮机+余热锅炉+蒸汽轮机联合循环发电机组
镍铁矿热炉废气经除尘净化及压缩后送入燃气轮机进行燃烧发电，燃烧后排出的尾气温度在500℃左右，再通过排气管道引入余热锅炉，余热锅炉产生过热蒸汽推动汽轮机做功并发电，从而实现了燃气-蒸汽联合循环发电，热利用率高达45%甚至更高。主要设备包括矿热炉全封闭型矮烟罩、煤气净化系统、煤气柜、煤气压缩机、燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机、发电机、化学水系统、冷却循环水系统、电气系统、热工控制系统、引风机、烟囱及辅助系统等。工艺流程如图5所示。
3.3.5四种方案对比表
从对比表可以看出，四种方案中，燃气-蒸汽联合循环发电机组，虽然初期投资多，设备维护成本较高，但其以综合效益高、功率大？发电热效率高？安全可靠？单位造价低？启停短时？调峰性能好、洁净环保等诸多优点，受到电力行业高度重视，目前已成为洁净发电的主力机组。
4、燃气-蒸汽联合循环发电工业应用
某实业有限公司拥有3台33MVA镍铁矿热炉，共计年产12%的镍铁20万t，总废气量为15000Nm3/h，废气成分中C0约占90%，其余含少量H2、CH4、C02、02、N2等，热值约为11.1MJ/Nm3。该公司以全封闭型矮烟罩所收集镍铁矿热炉废气为燃料，建设1台15MW燃气轮机+1台38t/h余热锅炉+1台9MW凝汽式汽轮机+1台24MW同步发电机，燃气轮机、蒸汽轮机及发电机采用单轴布置，同轴运转，实现燃气-蒸汽联合循环发电。机组年运行小时数8000h，年发电量1.92×lO8kWh。按国家能源局发布的2017年全国电力工业6000千瓦及以上电厂供电标准煤耗309g/kWh，扣除部分厂用电率后，该项目年节约标煤56362t，年减排C02为140905t，年节约电费12480万元，无论是经济效益还是环保效益都非常可观。
5、结论
我国的废气余热发电技术在冶金行业已日臻完善，镍铁矿热炉余热发电不仅可以高效利用废气潜热及显热进行发电，还能将电能回用于生产，降低企业能耗，同时还能减少对环境的热污染及粉尘污染，是一举多得的措施。建议国内有条件的镍铁生产企业，尽可能多地在节能降耗技术方面进行思考和探索，借鉴国际镍铁生产节能先进技术，提高我国的镍铁生产水平及效益。
参考文献：
[1]沈洪涛.工业硅矿热炉废气余热发电技术探讨[J].能源与节能，2013（10）：104-105.
[2]惠兆森，惠超，等.硅铁矿热炉余热发电系统的优化设计[J].铁合金，2013（6）37-41.
（作者单位：南京凯盛开能环保能源有限公司）