陶瓷窑炉烟气余热的综合利用

Alexandria2020

陶瓷窑炉烟气余热的综合利用

  1、前言

        陶瓷行业是一个高能耗的行业,尤其是喷雾造粒、干燥和窑炉三个环节需要消耗大量的热能。随着燃料价格的不断上涨,各个陶瓷厂的成本节节高升,按建筑陶瓷厂提供的综合数据,仅燃料成本一项差不多就占了整个陶瓷行业成本的1/4～1/3,而窑炉由于是高温烧成设备,其燃料消耗和排放则居于首位。本文主要针对窑炉排放和余热利用进行了探讨。

        窑炉排放主要有窑头烟气排放和冷却余热排放两种。为了实现节能减排,现在各个陶瓷厂已经进行了各种各样的节能改造,但主要措施仍然集中在将排烟和冷却余热用于干燥坯体方面。这样操作主要存在以下问题： 1)余热利用不够充分(尾冷热气因温度低一般都被排空);(2)烟气会对干燥设备造成腐蚀,同时对生产环境产生污染。下面主要介绍一下笔者所在公司的烟气利用和余热利用的优化方案,供同行参考。

        2、窑炉余热综合利用的方案

        本方案主要按600mm×600mm抛光砖的生产来计算烟气和余热的利用情况。具体生产参数为:日产量为15000m2/天,烧成后重为24kg/m2砖,燃料为发生炉煤气(热值为1450kCal/Nm3)。

        2.1、烟气利用(全部送至喷雾干燥(器)塔)

        2.1.1、烟气参数

        窑炉烟囱出口的温度为400℃(该温度为不配冷风时的平均温度,由于是超长窑,烟气温度较高,目前普遍配冷风后再用于干燥器),通过保温管道送到喷雾干燥(器)塔(以下简称塔)的热风炉前(主要用于补充热量以满足喷雾干燥塔所需温度),此时的温度为350℃。产品单位热耗按650kCal/kg砖计算,每小时烟气量V1可通过以下公式计算得出:

        V1=V×n1×a1×(t1+273)÷(t0+273)

        其中,水煤气的消耗量V=日产量÷24×产品单重×单位能耗÷水煤气热值=15000÷24×24×650÷1450≈6724Nm3/h

        V1=6724×2.2×1.3×[(400+273)÷(20+273)]≈44171m3/h

        式中:

        n1——烟气量与水煤气量的比值,查表得n1=2.2

        a1——窑头或其它区域综合漏入的冷风系数,取1.3

        t1——排出烟气的温度,400℃

        t0——环境温度,取20℃

        烟气质量:m1=ρ1V1=0.525×44171≈23190kg/h

        式中:

        ρ1——400℃时烟气的密度,查表得ρ1=0.525kg/m3

        2.1.2烟气提供给塔的热量

        假设烟气从窑炉输送到喷雾塔的温度降低了50℃,则到塔的烟气温度为350℃,而喷雾塔排出烟气的温度约为90℃。在整个换热过程中,窑炉烟气的平均温度为220℃。

        平均温度为220℃的烟气比热容查表并换算为:0.2625kCal/(kg·℃);每小时烟气带入热量按公式Q1=cp1m1Δt1进行计算:

        Q1=0.2625×23190×(350-90)≈1582718kCal/h,国内发生炉煤气的热值约为1450kCal/m3,那么,相当于发生炉的煤气量为:

        1582718÷1450≈1092m3/h

        式中:

        Q1——350℃烟气用于塔的热量,kCal/h

        cp1——220℃烟气的比热容,kCal/(kg·℃)

        m1——窑炉烟气的质量,kg/h

        Δt1=烟气温度-塔排出温度,℃

        2.1.3每年利用烟气可节省的费用

        国内发生炉煤气的价格按0.3元/m3计算,每天24小时,每年正常生产日按330天算,则每年利用烟气可节省费用为:

        0.3×1092×24×330=2594592元/年

        2.2、尾冷余热风在急冷区加热后再用作助燃风(空气)

        2.2.1相关参数

        助燃风的温度可加热到150℃。先将尾冷冷却余热(由于其温度偏低,目前普遍将其排空)接到助燃风机入口,在助燃风出口再利用急冷热量提温,通过数根热交换管(需注意避免影响现有冷却系统和窑压)收集热量后汇总到助燃风出口,两者混合后可将助燃风出口温度提升到150℃,经过助燃风主管保温后再送到每个烧嘴的温度约为120℃,据此可计算出助燃风量V2:

        V2=V×n2×a2×(t2+273)÷(t0+273)

        =6724×1.4×1.3×(120+273)÷(20+273)

        ≈16414m3/h

        式中:

        n2——空燃比,查表得n2=1.4

        a2——空气过剩系数,取1.3

        t2——加热后助燃风的温度,120℃

        t0——环境温度,取20℃

        助燃风质量:m2=ρ2V2=0.898×16414≈14740kg/h

        式中:

        ρ2——120℃空气的密度,查表得ρ2=0.898kg/m3

        2.2.2加热后助燃风提供的热量

        平均温度70℃的空气比热容查表并换算为0.2414kCal/(kg·℃);每小时热空气带入热量按公式Q2=cp2m2Δt2进行计算:

        Q2=0.2414×14740×(120-20)≈355824kCal/h,国内发生炉煤气热值约为1450kCal/m3,那么,相当于发生炉的煤气量为:

        355824÷1450≈245m3/h

        式中:

        Q2——120℃热空气带入的热量,kCal/h

        cp2——70℃空气的比热容,kCal/(kg·℃)

        m2——窑炉助燃风的质量,kg/m3

        Δt2=空气温度-环境温度(按20℃计算),℃

        2.2.3每年加热助燃风可节省的费用

        国内发生炉煤气的价格按0.3元/m3计算,每天24小时,每年正常生产日按330天算,则每年利用加热助燃风可节省的费用为:

        0.3×245×24×330≈582120元/年

        2.3、热交换区和抽热风的利用(送入干燥器)

        2.3.1相关参数

        利用摩德娜公司开发的五层干燥器不需要烟气,只用冷却余热风就可满足生产(通常一层、二层干燥器需同时利用烟气及冷却余热)。急冷区直接鼓入的风通过抽热风机排走并与热交换区(间接冷却区)的热风混合,烟囱出口的温度仍然可达到250℃(不配冷风的平均温度),再通过保温管道送至干燥器的风管接口,其温度为200℃,余热风质量m余可通过以下系列计算得出:

        m4=cp3m3Δt3/(cp4Δt4)

        式中:

        m4——急冷风单位时间的质量,kg/h

        cp3——砖的质量比热容,查表取0.26kCal/(kg·℃)

        m3——砖单位时间的质量,kg/h

        Δt3——砖经过急冷区的温度差,Δt3=1080-600=480℃

        Δt4=急冷后风的温度-环境温度=600-20=580℃

        cp4——急冷风平均温度310℃时的质量比热容,查表并换算得0.2505kCal/(kg·℃)

        最终计算得:m4≈12885kg/h

        m6=cp3m3Δt5/(cp6Δt6)

        式中:

        m6——热交换风单位时间的质量,kg/h

        cp3——砖的质量比热容,查表取0.26kCal/(kg·℃)

        m3——砖单位时间的质量,kg/h

        Δt5——砖经过热交换区的温度差,Δt5=600-450=150℃

        Δt6=热交换区风的温度-环境温度=250-20=230℃

        cp6——热交换风平均温度135℃时的质量比热容,查表并换算得0.2423kCal/(kg·℃)

        最终计算得:m6≈10497kg/h

        m8=cp3m3Δt7/(cp8Δt8)

        式中:

        m8——尾冷风单位时间的质量,kg/h

        cp3——砖的质量比热容,查表取0.26kCal/(kg·℃)

        m3——砖单位时间的质量,kg/h

        Δt7——砖经过尾冷区的温度差,Δt7=450-80=370℃

        Δt8=尾冷区风的温度-环境温度=250-20=230℃

        cp8——尾冷风平均温度135℃时的质量比热容,查表并换算得0.2423kCal/(kg·℃)

        计算得:m8≈25893kg/h

        则m余=(m4+m6+m8-m2)=34537kg/h

        2.3.2冷却余热提供的热量

        平均温度140℃时空气的比热容查表并换算为0.2423kCal/(kg·℃),每小时热空气带入的热量按公式Q3=cp9m3Δt9进行计算:

        Q3=0.2423×34537×(200-100)≈836832kCal/h,国内发生炉煤气的热值约为1450kCal/m3,那么,相当于发生炉煤气的量为:

        836832÷1450≈577m3/h

        式中:

        Q3——200℃余热风带入的热量,kCal/h

        cp9——140℃空气的比热容,kCal/(kg·℃)

        m3——余热风单位时间的质量,kg/h

        Δt9=余热风温度-干燥排湿温度(按100℃算),℃

        2.3.3每年余热风利用可节省的费用

        国内发生炉煤气的价格按0.3元/m3计算,每天24小时,每年正常生产日按330天算,则每年利用余热风可节省的费用为:

        0.3×577×24×330=1370952元/年

        3、结果分析及须注意的问题

        3.1、每年节省的费用

        烟气和余热利用节省的费用列于上表。

        从该表可以看出,烟气和冷却余热经上述优化方案利用后,每年创造的效益相当可观。

        3.2、注意的问题

        3.2.1烟气利用方面

        (1)烟气用于喷雾干燥塔和干燥器的比较

        1)烟气利用若用于干燥,由于其中含有二氧化硫等腐蚀性气体,会对干燥设备的框架产生腐蚀,缩短设备的使用寿命;若调试不当,干燥器正压过大,烟气漏入车间内过多,不仅会腐蚀厂房钢架,也对工人的身体健康造成损害。

        2)烟气若用于喷雾干燥塔则可避免以上问题。第一,塔内壁全部为不锈钢材质,抗烟气腐蚀能力好,设备使用寿命长;第二,喷雾干燥塔为负压操作,气体不会逸到车间内,不会腐蚀厂房钢架,不会伤害工人的身体健康。最后可将烟气通过集中环保处理,达标后排入大气;第三,烟气用于抛光砖底料及大部分粉料的喷雾干燥不会产生大的污染,能满足生产的要求。

        (2)注意的问题

        由于干燥塔一般为间隙式操作,而窑炉则是连续运转的,如何保证两者不干扰、少干扰则成为控制的关键所在,必须要有一个合理的设计才能满足生产的需要。

        3.2.2冷却余热利用方面

        由于冷却余热风基本上是干空气,送到干燥器的区域范围和调节则成为关键,否则会产生干燥缺陷。摩德娜公司设计的这套系统从实际使用情况来看,几乎没有发生干燥砖坯容易产生的开裂缺陷,其结果让厂方非常满意。

        4、结语

        从上述分析可以看出,以上余热利用的优化方案,在窑炉烟气利用方面均不同于现有厂家的一般做法,并且额外利用了窑炉尾冷余热风,所有烟气和余热几乎全部利用并且未产生新的不利因素。在该余热利用的优化方案中,窑炉烟气基本上做到了零排放,干燥器排出温度低且为干净气体,而喷雾塔烟气排放温度也很低,经水洗脱硫排放后,达到了最佳的环保节能状态。

生产陶瓷的一个重要过程是烧成，烧成是在窑炉中进行的。陶瓷生产的窑炉有连续式的（隧道窑）也有间隙式的（倒焰窑），不管是隧道窑还是倒焰窑，其热效率都比较低。效率低的原因除了燃烧损失、散热损失等原因外，重要的一点是排烟损失。  烧成隧道窑废气带走的热量损失约占总热量的20%～40%，而倒焰窑废气带走的热量约占燃料消耗量的30%～50%。因之回收窑尾废气的热量加以利用是提高窑炉效率的关键。国内隧道窑排烟温度一般在200～300℃，也有高达400℃，个别倒焰窑的排烟温度可高达560℃。一方面窑炉排烟带走大量余热，另一方面为了干燥坯件，一些工厂又另外建造窑炉或锅炉产生热风和蒸汽以满足烘干坯件的要求。近年来，随着节能技术的不断开发和推广，热管技术已在陶瓷烟气余热回收中得到应用。采用北京荣星时代机电科技发展有限公司热管换热器来回收烟气中的余热加热空气作为烘干坯件的热源，可以取得较好的节能效果。
一、隧道窑烟道气余热利用
隧道窑余热回收主要用以加热空气作为烘干坯件的热源，也可作为助燃空气以提高窑炉本身的热效率，两者的选择可依据各工厂具体情况而定。

二、电瓷厂隧道窑冷却带余热利用
将电瓷厂隧道窑冷却带400℃～450℃的废气抽出通过热管换热器换热，烟气温度降至300℃，再返回窑炉中烧成带作为气氛膜风使用。被加热的新鲜空气送入烘房，干燥电瓷坯件。

三、倒焰窑烟道气余热利用  某厂倒焰窑排烟温度为564℃，实测该窑炉热效率仅为23%，由于坯件入窑前需要预热烘干，因之需再建一个烘干窑，以煤作为燃料，燃烧的烟气作为烘干热源。根据计算，如将560℃烟气降到160℃排空，将新鲜空气加热到60～120℃，其热量足够烘干坯件所用。  

四、热管的工作原理

热管是因传热技术需要而发展起来的一种高效传热元件，它起源于美国，60年代运用于航天技术之中，70年代后用于节能工程上。我国是从80年代开始逐渐由研制发展到生产应用。热管的类型较多，目前国内为节省投资，用于低温余热回收的主要是重力型热管。其工作原理是：热管是一种密闭、洁净、抽成真空的金属管，在其内部充填一定量的工作介质，根据用途不同，注入的介质可以是纯水，或者乙醇、丙醇等有机化合物及无机物钾、钠等碱金属，其适用范围从－200℃～2000℃不等。下部高温热源将热量经管壳传入管腔，加热管腔下端的液态工质，使之迅速蒸发并上升到热管上端，由于上部壳外低温冷源的吸热作有，蒸汽冷凝成液滴并放出汽化潜热。液滴依靠本身的重力沿管壁回流至下部，再次受热汽化。此过程不断循环，且速度极快，完成其取热回收的任务。通常在使用时，将一定数量的热管组合在一起，即构成热管换热器。

五、热管的特点

热管的主要特点是：  
１、传热能力大。热管靠相变以潜热方式进行传热，比显热的传导方式传热能力大许多；
２、利于回收低温余热，热管可在两端温差很小的情况下高效传热，上下温差仅10℃；
３、流体阻力小，不致使系统阻力增加很多；
４、可将冷热流体完全隔开，即使单根热管损坏，对系统影响也不大；
５、结构紧凑、重量轻、使用空间少，安装、维护、更换非常方便；
６、热管制作相对复杂，要求严格做好选材、酸洗、钝化、配液、抽真空、焊接及密封等工作。
六、注意事项  
1、热管是系统的心脏，安装时切不可碰坏热管元件，烟道法兰与热管换热器法兰的对接一定要密封好；
２、将热管换热器安置在适当位置，即选择在烟道的温度相对较高且稍倾斜的管段，减少热管侧捕积下来的灰尘沉积，对沉积的积灰应及时清除，以保证其换热效果；
３、热管采用交叉排列以提高传热效果，但为避免或减少积灰应尽量缩小纵向节距；
４、选择热管时，应严格把好质量关。操作时严格控制热管干烧问题的发生，尽量选用在低温以下干烧对其寿命无影响的热管换热器，使其寿命延长，充分发挥其效果；
５、将热风送至烘坯车间的管道密封要好，不能有漏风；
６、热管换热器具有有限的除尘作用，但绝不能取代收尘器，应装设收尘器（落灰斗）。


内容来源：余热余能再利用