36 河南电力 2011年第3期 基于工业硅余热发电的循环经济分析研究 高志宏l’ 。高志明 (1.洛阳龙羽宜电有限公司,河南洛阳471600;2.洛阳供电公司,河南洛阳471009; 3.洛阳矿山机械工程设计研究院。河南洛阳471039) 摘要:阐述了余热发电的基本原理及技术特点。运用技术经济学的原理方法分析了余热发电项目的经济效益和社 循环经济经济效益社会效益 文章编号:X(2011)03—036—06 会效益。分析证明了余热发电是促进节能减排、节能降耗,发展循环经济的有效途径。 关键词:余热发电 节能减排中图分类号:TK11+5。TM617 文献标识码:B The Circular Economica1 Analysis and Research of Waste Heat Power Regeneration based on Silicon Metal Production Gao Zhi・・hongl,2,Gao Zhi・・ming3 (1.LuoyangLongyuElectricPowerCompany,Luoyang471600,China; 2.Henan Luoyang Power Supply Company,Luoyang 471009,China; 3.Luoyang Minng iMachinery Engineering Design Institute,Luoyang 471039,China) Abnknet:This essay has illustrated the basic principles nd atechnical characteristics of waste heat power regeneration.It has 031alyzes the economic and social benefits of waste heat power regeneration by using the principles and tools of technical economics;meanwhile,it has also analyzed and proved hatt waste heat power egenerration is a effective way to save power,reduce emission,reduce consumption and to develop circular economy. Keywords:waste heat power regeneration;save power nd areduce emission;circulr aeconomy;economic benefit;social benefit 循环经济是把清洁生产和废弃物的综合利用 融为一体的经济。是运用生态学规律来指导人类社 冷却器降温后,直接排放到空气中,造成大量能源 的浪费。工业硅余热发电是利用冶炼炉排放的高温 会的经济活动,本质上是一种生态经济。 传统的工业硅经济是一种由“资源一产品一污染 排放”所构成的物质单向流动的经济。它通过把资 源持续不断地变成废物来实现经济的数量型增长, 热烟气。通过余热锅炉产生过热蒸汽推动汽轮机做 功发电。 1 流程概述 1.1传统工业硅项目 对资源的利用常常是粗放的和一次性的。 基于工业硅余热发电的循环经济倡导实施的 工业硅又称金属硅或结晶硅。传统工业硅项目 是“资源一产品一再生资源”的物质反复循环流动的 是指氧化硅(硅矿石主要成分)经炭质还原剂高温 熔炼生成工业硅的生产过程。原料仓的原料进入电 过程。使得整个经济系统以及生产和消费的过程基 本上不产生或者只产生很少的废弃物,从而从根本 炉进行熔炼,精炼合格后的产品流入硅包,然后倾 倒浇铸、破碎、包装运输;通过烟道经回收的微硅粉 包装入库。 工业硅熔炼的生产工艺流程如图1所示。 上消解长期以来环境与发展之间的尖锐冲突。 工业硅冶炼是能源的消耗大户。通常在冶炼过 程中.产生大量的850 ̄C左右的高温废气,通过空气 2011年第3期 高志宏等:基于工业硅余热发电的循环经济分析研究 37 图1传统工业硅生产的工艺流程图 1.2工业硅余热发电利用的冶炼过程 电站所发出的电能又回用于电炉冶炼。由此构成循 工业硅余热发电循环经济项目是指利用工业 环利用,达到降低成本,实现节能降耗、清洁生产、 硅冶炼产生的高温废气余热,通过锅炉,使锅炉中 资源综合利用和可持续发展的目的。基于余热发电 的水汽化,经过热器后,提供给汽轮发电机组发电; 循环经济的工业硅冶炼工艺流程如图2所示。 图2基于余热发电循环经济的工业硅冶炼工艺流程 热烟气流程如图2所示:工业硅电炉高温烟 热,余热烟气主要参数见表1。 气 通过高温烟道 余热锅炉 余热锅炉尾部烟 表1冶炼炉烟气参数 道和预除尘器_÷硅厂布袋除尘器 除尘后烟气排 放(微硅粉回收)。余热发电生产工艺流程最大的不 参数 数值 同是在尾部烟道部位增加余热锅炉电站。余热电站 炉容 39MVA 单炉烟气量 137.600 NmⅥl 循环流程示意如图3。 烟气温度 850cCl CO2 2.37% N2 74.82% 烟气成分 O2 19.85% H'O 2.96% SiO2烟尘 11.2g/Nm’ 图3余热锅炉电站发电原理 2.2 余热电站的布置与控制 2工业硅余热发电技术特点 置余热锅炉布置于电炉车间的外侧,采用露天布 。 2.1余热锅炉主要参数 余热发电设备系统简单,运行、操作方便。化学 冶炼过程产生大量的850%左右的高温废气余 制水等附属系统简单,设备投资少。 38 河南电力 2011年第3期 余热电站采用集散型控制系统,即Distributed Control System,简称DCS系统。其自动化水平高,系 统设置有比较完整的热工检测、自动调节、联锁保 护及热工信号的报警装置等。 为了保证余热发电项目事故不影响冶炼电炉 运行,采用模块化设计布局,余热锅炉设有旁通废 气管道,一旦余热锅炉或电站发生故障时,可以将 余热锅炉从生产系统中解列,不影响冶炼电炉生产 的正常运行。 余热电站可做为公司的一个车间,机、电、仪表 修理设施和硅冶炼系统统一配设,共用一套生产设 施,减少机构设置。一些专职管理机构如环保,职业 安全卫生等,也与电炉共用一套管理机构,由该机 构统一进行管理,不需要重复建设。能够在最大程 度上实现减员增效。提高劳动效率。 2.3余热发电技术的可靠性分析 余热锅炉没有燃烧系统,运行操作,简单方便; 运行的可靠性和安全性比普通电站锅炉要高的多。 余热电站经过精心设计、采用合理的热力系 统、技术可靠先进的余热锅炉和汽轮机组,可以降 低投资、提高系统效率。 余热锅炉设有灰尘收集装置。余热锅炉灰尘落 入集灰斗,然后装袋外运。 余热电站日常的运行管理工作相对简单。这样 就大幅提高了余热发电项目的稳定性和可靠性。 2.4传统硅冶炼项目与余热发电循环经济项目的技 术指标对比 传统工业硅项目没有环保设施。到处浓烟滚 滚、烟尘飞扬,余热只通过空气冷却器降温或直接 排放空中。容易造成环境污染和能源浪费。 工业硅余热发电循环经济项目还可以实施CO 减排,实施清洁发展机制(CDM),符合国家低碳经 济发展目标。 表2技术指标对比 项目 一般工业硅 余热发电的工业硅 能否节省标准煤 不能节省 能节省 SO:排放 有排放 减少了排放 CO:排放 有排放 减少了排放 N0X排放 有排放 减少了排放 节能效果 有节能 节能效果明显 自动化水平 有 自动化水平更高 3余热发电循环经济项目效益分析 3.1基本数据估算 根据目前国内余热发电技术及装备现状,结合 工业硅余热资源情况,本案例项目工程装机采用中 温中压汽轮发电机组。 余热电站工程为39MVA的两台冶炼电炉配置 一台套25MW余热发电系统。 生产规模:设计年发电量15400万度,年供电 量14322万度(自用电按发电量的7%计算)。当前 电价0.3942元/度。主要指标见表3。 表3主要技术经济指标 序号 技术名称 单位 指标 1 装机容量 MW 25 2 平均发电功率 MW 22 3 年运转小时 h 7000 4 年发电量 104kWh 15400 5 年供电量 104kWh 14322 6 全站劳动定员 人 30 7 供电成本费用 元 Wh 0.089 项目计算期定为16年,其中:建设期1年,生 产期15年。 建设投资:余热锅炉、汽轮发电机组、辅机、安 装费等计划投资10500万元。 建设期利息:本项目债务资金使用银行借款,贷 款额度7350万元,贷款年利率5.31%.建设期利息 390万元。 流动资金:达到设计能力后流动资金需量为6O 万元,其中铺底流动资金18万元(30%)由资本金解 决,其余42万元(70%)流动资金由贷款解决,流动 资金年利率5.31%。 总投资:项目总投资10950万元。其中建设期 投资10500万元,建设期贷款利息390万元,流动 资金60万元。 本项目建设期1年,建设资金当年全部投入。 项目定员及工资水平:劳动定员3O人,人均年 工资25000元(含福利费)。 修理维护费:按折旧费的的30%计提。 折旧费:采用年限法综合折旧,折旧年限15年, 残值率5%。 其他费用:按供电量估算,每度O.O1元。项目在 生产经营期内平均供电成本为0.089元 wh。营业 税金及附加0.005元/Kwh。 营业收入:项目年供电能力14322万度。不含 电价0.3369元/度(含电价0.3942元/ 度),年销售收入4825万元(不含)。 税金及利润:教育费附加按3%计取,城 2011年第3期 高志宏等:基于工业硅余热发电的循环经济分析研究 39 市维护建设税按的7%计取。 本及费用进行了列表分析,见表4。对销售收入、税 结合上述财务分析,对余热发电项目的各项成 金及附加费等费用进行了列表分析,见表5。 表4总成本费用估算表 单位:万元 、、\ 年份 计算期 序号 项目\ 合计 1 2 3 4 5 6-16 1 外购原辅料 0 O O 0 O O 0 2 循环水 18oo 0 120 120 120 120 同前 3 工资及福利 l125 0 75 75 75 75 同前 4 修理费 3210 0 214 214 214 214 同前 5 其他费用 2145 O 143 143 143 143 同前 6 经营成本 8280 O 552 552 552 552 同前 7 折旧费 10710 0 714 714 714 714 同前 8 固定资产贷款利息 755 O 390 252 113 O 同前 9 流动资金贷款利息 45 O 3 3 3 3 、 同前 1O 总成本费用 19790 0 1659 1521 1382 1269 同前 盈亏平衡点BEP 11 (生产能力利用率%) 28 35 32 29 27 同前 表5收入、税金及附加费估算表 ・ 单位:万元 序号 \ 牵 计算期 项目\ 合计 1 2 3 4 5 6—16 达产比例(%) 100 100 100 100 100 1 营业收入 72375 4825 4825 4825 4825 同前 平均单价(元,kWh) 0.3369 0.3369 0.3369 0.3369 同前 供电量(Zr kWh) 214830 14322 14322 14322 14322 同前 2 营业税金及附加 1230 82 82 82 82 同前 营业税 0 消费税 0 城市维护建设税(7%) 855 57 57 57 57 同前 教育费附加(3%) 375 25 25 25 25 同前 3.2余热发电循环经济项目盈利能力分析 所得税后内部收益率:IRR=30.6% 结合表5的销售收入、税金及附加费估算分 通过上述经济效益指标分析,可以看出,该案 析,对项目投资回报、利润及收益分析见表6。 例余热发电项目税后投资回收期为4.19年,投资回 通过表6分析,可以看出,余热发电项目投资 收快,风险小。净现值大于零且收益高于行业一般 回报率高。利润率高。 水平,所得税后内部收益率达30.6%。经济效益比较 项目是否可行,能否良性运转。既要看现金流 可观,发展循环经济好。 情况,又要看投资回收期,为此又进行了现金流分 析、投资回收期分析、内部收益率分析,见表7。 4余热发电循环经济的社会效益分析 根据以上数据,分别计算投资回收期、净现值 4.1项目的污染源分析及防控 和内部收益率。 对于硅冶炼的环境状况,余热锅炉只是吸收废 税后投资回收期:PBP=4+630/3309=4.19(年) 气中的热量,不使用燃料,故工程没有新增粉尘及 所得税前净现值: CO 、NOx,并且由于余热锅炉的降尘作用,进一步提 NPV=一10500+(4825—552—82)(P/A,8%。16)+ 高了窑尾收尘效果。 545(P/F,8%,16)=26755万元 金属硅出炉时产生的烟尘,经烟罩收集后。经 河南电力 2011年第3期 表6利润及利润分配表 单位:万元 序号 项\目 \ 合计 l 2 3 计算期 4 5 6-16 l 营业收入 72375 0 4825 4825 4825 4825 同前 2 营业税金及附加 123O O 82 82 82 82 同前 3 总成本费用 19790 O 1659 1521 1382 1269 同前 4 利润总额 51355 3084 3222 3361 3474 同前 5 弥补以前年度亏损 0 6 应纳所得税额(4-5) 51355 0 3084 3222 3361 3474 同前 7 所得税(25%) 12845 O 771 806 840 869 同前 8 净利润(4—7) 38510 0 2313 2416 2521 2605 同前 9 提取盈余公积金 3857 0 231 242 252 261 同前 10 可供分配利润 34653 O 2082 2174 2269 2344 同前 表7项目投资现金流量表 单位:万元 序号 项目 \ \ 牵 合计 计算期 、\ 1 2 3 4 5 6一l6 1 现金流人 72980 0 4825 4825 4825 4825 同前 营业收入 72375 4825 4825 4825 4825 同前 补贴收入 O 回收固定资产余值 545 回收流动资金 60 2 现金流出 2oo70 10500 694 634 634 634 同前 建设资金 105O0 流动资金 60 60 经营成本 8280 552 552 552 552 同前 营业税金及附加 1230 82 82 82 82 同前 维持运营投资 0 3 所得税前净现金流量 52910 —10500 4131 4191 4191 4191 同前 4 累计所得税前净现金流量 一10500 —6369 —2178 2013 62O4 5 调整所得税 13230 0 882 882 882 882 同前 6 所得税后净现金流量 -10500 3252 3309 3309 3309 同前 7 累计所得税后净现金流量 一10500 —7248 —3939 —630 2679 烟气净化系统,净化后的烟气含尘量达到≤lOOmg/ 工厂现有排水系统;(2)冷却塔排污水除含盐量稍高 Nm3后,达标排放。废水治理:本项目主要排水为生 外无其它有害成分,可以用此水进行厂区绿化等; 产和生活排污水,主要是循环水系统排污、余热锅 (3)工业废水:各类轴承冷却用水,水质清洁,排水 炉排污,总量约38t/h。 经回收后,可供循环冷却水系统重复利用;(4)生活 4.2项目的废物利用对策及措施 污水:本工程少量的生活污水排人硅冶炼炉厂区下 我国是水资源贫乏的国家,节约用水意义重大。 水管网,与厂区生活污水集中处理;(5)厂区雨水: 工业硅余热发电循环经济项目重视水的循环 雨水排入原厂区排水管网。 利用,生产及空调系统设置循环水;降低能耗,提高 4.3节能分析 效率。 工业硅余热发电项目建成后,每年向硅冶炼炉 本工程在采取有效的废、污水治理及复用措施 提供14322xlO4kWh的电力。按照河南省2008年供 后。工程投运后外排废污水量较低,而且均达到排 电标准煤耗377g/kWh进行计算。 水水质要求。 余热发电每年节省标准煤量为: (1)锅炉定期排污水、连续排污水降温后排人 14322x104kWhx377x10-6=53994(t) 2011年第3期 高志宏等:基于工业硅余热发电的循环经济分析研究 41 按当前每吨标煤价格960元计算,可节约资金: 53994x960—5183(万元) 4.4减排分析 5.2敏感性分析 余热发电项目固定资产投资的增加、电能成本 的增加均会导致财务内部收益率减少,其中电能成 (1)项目每年可减少二氧化碳排放量: lkg碳可生成3.67kg二氧化碳 G=3.67xCxWx90% 本增加导致的财务内部收益率减少明显。销售价格 增加、产能增加均会导致财务内部收益率增加,其 中销售价格增加导致的财务内部收益率增加明显。 就投资回收期分析,固定资产、电能成本的增加,将 式中:C一煤中的碳含量,% W一耗煤量。t/a G一二氧化碳的产生量, 会延长投资回收期,其中电能成本影响较大;销售 价格、产能增加,将会缩短投资回收期,其中销售价 因此。每年减少二氧化碳排放量: G=3.67x0.9 ̄53994 ̄90%=1605089a 格影响最为明显。综合分析销售价格影响最大,说 明产品受市场影响较大。 (2)每年可减少二氧化硫排放量: 建筑物及设备还要加强防雷、防火的风险防范。 煤炭中含硫量一般为1-3%,计算取2%。煤炭 中的全硫包括有机硫、硫铁矿和硫酸盐,前两部分 6结语 利用工业硅冶炼电炉所排放的废气余热进行 为可燃硫,燃烧后产生二氧化硫排气中,第三 部分为不可燃硫,列为灰分。通常情况下,可燃硫占 全硫的70~90%。计算取80%。 燃烧产生的二氧化硫的计算公式如下: S+O SO2,lkg硫可生成2kg二氧化硫 G=2xSxWx80% 发电,减少了煤炭等能源消耗,减少了电炉冶炼过 程中排出的中低温废气对周围环境造成的严重热 污染,减少了二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排 放。余热发电循环经济保护了大气环境,达到了节 能的目的。 式中:S一煤中的硫含量,% W一耗煤量.t/a 分析证明,余热发电作为一种新型的工业化循 环经济生产模式,起到了节能降耗、节能减排,降低 G一二氧化硫的产生量, 每年减少二氧化硫排放量为: G=2x2%x53994x80%=1728 t/a 生产成本的作用。余热发电将物质代谢的线性模式 转变为循环模式,提高了资源利用率,最大限度地减 少了污染物排放。余热发电了生产力,推动了科 技进步和技术创新,提升了经济发展质量。余热发电 经济效益和社会效益显著,有很多大的发展空间。 参考文献 (3)每年可减少NO 排放量: 燃煤中氮的含量取1.5%,燃煤中氮的转化率取 25%。 每年NOx减排量=1.6×耗煤量x(o.015x燃煤中 氮的转化率%+O.000938)=1.6x53994 x(0.015x25% +0.000938)=405(t) [1】李素真,王运民等.基于技术一经济一环境多因素的燃煤电 厂运行经济性评价[J】.热力发电.2009,(5):1_4 【2】杨青.技术经济学【M】.武汉:武汉理工大学出版社.2007.8 【3】王建伟等.脏烟气余热回收热电冷联供系统设计分析【J].热 力发电.2008,(8):1-_4 综上所述:余热电站投运后。每年可向工业硅 生产提供14322万度电能;每年可节省标准煤 53994万吨;每年减少二氧化碳排放160508吨;每 年减少二氧化硫排放1728吨;每年减少氮氧化物 排放405吨。 【4]张启銮,李延喜,刘艳萍.会计学【hI】.大连:大连理工大学出 版社.2006.7 [5]白思俊等.现代项目管理概论[M].北京:电子工业出版社. 2oo6.10 [6《实用工业硅技术》编写组.6]实用工业硅技术【M】.北京:化学 5余热发电循环经济的风险分析 5.1生产风险及存在问题 工业出版社.2005.6 『71国家发展改革委,建设部.建设项目经济评价方法与参数 对于硅冶炼炉配置的余热锅炉。需解决的一个 技术难题就是锅炉的积灰问题,工业硅熔炼炉产生 的烟气粉尘具有颗粒细、密度小、粉尘附着性强等 (第三版)【M].北京:中国计划出版社.2006.8 【8】李志超.工业硅炉新型烟气净化及微硅粉回收系统的应用. 第七届全国工业硅炉学术年会论文集.2006 特点,如果积灰问题不解决,或锅炉受热面磨损爆 管,则直接影响到余热锅炉的安全稳定运行和出力。 收稿日期:2010—12—22