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1、第五章 工业硅冶炼能源节约技术的争论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， 成为经济社会进展的瓶 颈。我国人均煤炭、石油、自然气资源量仅为世界平均水平的 60、10和 5。 目前，我国已成为世界其次大能源消费国和其次大石油消费国， 能源供给紧急局 81面日趋严峻。与此同时，我国也存在严峻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，我国每制造一美元 GDP 所消耗的能源是美国的 4.3 倍，是日本的
2、11.5 倍。能源利用率仅为美国的 26.9，日本的 11.582。因 此，提高能源使用效率是在能源总量不变条件成为中国进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 IIOOOKWh，我国工业硅电耗比国外先进水平高 10 20%,能源节约潜力仍很大 估量年节约 0.2 亿KWh，相当 0.1 亿元。另外，国外先进水平也不是最抱负 的能耗水平， 我国如能在国外先进水平根底上再配以精工细作， 吨硅消耗量应当 在 10000 11000KWh 间。我国工业硅生
3、产能源消耗高主要是由于设计上不合理、 掌握水平与治理水平 不高。设计上不合理表达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 合理等很多细节方面。 掌握水平不高表达在人工操作范围大、 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。 治理水平不高表达在管 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铺张。 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构造设计、 改善变压器性能、改善电参数、
4、采用低频电源等； 5提高炉子热效率； 6 转变炉内反响机制；7转变原料性能方向；8承受自动掌握方向；9治理制 度建设方向。由于上述诸多途径尚处于争论阶段，形成固定技术并推广者仅有短 网改进、治理制度建设上，很多技术细节缺乏，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争论与试验。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构造设计、使用优质导电材 质、承受低压补偿技术、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缘由，表 5-1 是我国某
5、厂 6300KVA 电弧炉的热平衡分析表21o热收入项热量千卡/h 百分比热支出项热量千百分比1、电热能2、电极氧化热432494095.982.2341、氧化物复原耗热2、金属硅带走热卡/h18344622694563、复原剂反响放热1006808052040.715.981.783、逸出气体带走热4、炉面散热82663326933318.355.975、炉体散热1664483.696、短网热损失7、冷却水带走热3367387500007.4716.468、其他合计45061401005337045061401.19100表 5-1 我国某厂 6300KVA 电弧炉的热平衡分析从表 5-1
6、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%，能源大局部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争论的重点。在本文争论中，我主要从提高工业硅矿热炉冶炼过程中的热效率角度来争论 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，它应当包括全部 能够能够提高热效率、削减热损失的技术或措施。但是在本文中只争论炉型的大 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。
7、由于从表 5-1 可以看 出，工业硅矿热炉热效率低就 是由于逸出气体带走热、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， 能量供给集中， 通过外围外表单位面积散热 小、炉子热稳定增加， 有利于降低热损失。 同时炉型大型化也是今后工业硅行业 进展的方向，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 位产品本钱低、 便于烟气余热利用等诸多好处。 因此，争论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进展的需要，具有双重意义。炉型密闭化或近密闭化不仅可以削减炉面热辐射损失， 而且也可以削减烟气 从 6 个炉门逸出带走的
8、热， 也是降低热损失、 增加烟气回收力量、 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给总热量的 18.35%，这局部热量 又被散发到大气中， 造成了能源损耗， 致使能源利用率低， 国内包头钢铁争论设 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，他们不情愿做这么大的投资，所以争论一种型低造价、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， 开拓一条已经被 铺张掉的巨大热能集热道路具有格外重要的现实意义。科技每时每刻都在变化，上世
9、纪 60 年月所作的设计不应当在这个世纪仍旧 被当作典范来应用。当前，由于国内没有实力争论机构来重对上世纪 60 年月 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 工队伍都非正规争论机构或有力量去开发建设型炉子， 所以我国目前的工业硅 矿热炉普遍都能耗高、 设计未能跟上时代进展的需要。 问题的重要一方面反映在 炉体隔热设计多年来没有多大转变，普遍使用的是碳砖层、耐火砖层、纤维板、钢板四层构造， 随着科技的进展这种构造应当革， 由于国际国内材料领域发 生的一系列创已经给我们带来了重设计炉体构造的机遇。上述四个以提高工业硅冶炼能源的热效率为目的的争论是目前工业硅冶炼
10、 能源节约方面尚未涉及完善但又格外重要的领域， 需要既具备丰富的科学理论知 识、又把握国际国内工业硅冶炼状况的人员才能完成，它涉及到的冶金、工艺、 传热、设备、设计等多方面的学问与创要求， 使得这方面的工作既具体又简单、 既艺术又有意义。5.2 大容量半密闭式 12500KVA 工业硅矿热炉的设计5.2.1 设计依据本项工作承受如下设计标准：中国节能技术政策大纲 2023；冶金企业安全卫生设计暂行规定 1988；建筑设计防火标准 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标准GB50211-2023。5.2.2 设计内容5.2.2.1 变压器
11、选型大容量矿热炉具有单炉产量大、 能量供给均衡性好、 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， 是业界全都认可的矿热炉 进展的方向。 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 此此次设计承受 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： OFW；F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,
12、 151, 148, 145, 142,139， 136， 133 共 15 档；阻抗电压短路电压 ： ex%=4-6%。5.2.2.2 矿热炉电气参数确实定在工业硅冶炼过程中矿热炉的状态与电气参数的变化亲热相关, 掌握最正确的 供电制度对保证取得好的经济技术指标格外重要。一般而言, 提高矿热炉的二次电压在功率肯定状况下电流就可以降下来, 这 有利于提高线路功率因数和削减电损失, 但是过分提高矿热炉电压, 电极就不能、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常工作时的二次电压：V2=KP1/368 83来确定矿热
13、炉正式中：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 V2=6.5X 125001/3=150.85 151V，P二次电流 12= =47795.2A。N /3V2522.3 矿热炉构造设计正确设计矿热炉的构造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。好的矿热炉构造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本钱、便利其它设备布置、保证操作顺畅。1、电极直径的选取在确定矿热炉其它构造尺寸之前，必需先确定电极直径，它打算着矿热炉其 它构造尺寸的大小。电极直径有很多计算方法，一般依据电极电流和电极电
14、流密 度确定：=102.4cm=1024mm,式中 12 为电极电流，A， I 为电极电流密度 5.5-6.1A/cm2,取 5.8 计算。依据国内厂家生产碳素电极的标准，取电极直径为2、极心圆直径计算1050mm。极心圆直径是一个对冶炼过程有很大影响的设备构造参数，选得适当图 5-1，三根电极电弧作用区域局部刚好相交于炉心，电极极心圆直径各电极反响区既相相互连又重叠局部最小，在这种状况下，炉内热量分协作理，坩埚熔池最大, 吃料均匀，炉况稳定，炉况也易于调整。假设一设计就不适当，则热量不是过分 集中图 5-2就是热量分散图5-3，这都会造成炉况调整频繁或根本无法调 节的严峻错误。设计中极心圆直
15、径可按下式计算：Dg=ad=2.3X 1050=2415mm式中a 为极心圆倍数，a=2.2-2.3,这里取 2.3 计算结合矿热炉容量、可调极心圆范围、实际电气参数调整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一炉料一炉壁时所受的阻力大于经 过电极一炉料一电极或炉底时所受的阻力。否则，炉膛内径选择尺寸过大，矿热炉外表散热面积大，复原剂烧损严峻，出硅口温度低，出硅困难，炉况会恶化。 炉膛内径选择过小，电极一炉料一炉壁回路上通过的电流增加， 反响区偏向炉壁， 将使炉内热量分散，炉心反响区温度低，炉壁腐蚀严峻，炉况也会恶化。炉膛内径可按下面阅历公式计算：Dn =rd=5.8X 1050=6090mm式
