玻璃窑炉的烟气余热回收利用方式

Alexandria2020

玻璃窑炉的烟气余热回收利用方式

一、我国玻璃工业窑炉能耗现况：

我国大约有4000～5500座各种类型的玻璃窑炉，其中熔化面积80m2以下的中小型炉数量大约占总量的80%左右，使用燃料种类分：燃煤炉约占63%，燃油炉约占29%，天然气炉、全电熔炉等约占8%。 2008年全国玻璃产量大约为2000～3000万吨。年耗用标准煤1700～2100万吨。其中平板玻璃产量为53192万重量箱，所用能耗折合标准煤1000万吨/年。平均能耗为7800千焦/公斤玻璃液，窑炉热效率20～25%，比国际先进指标30%≦低5～10%。每年排放SO2约16万吨、烟尘1.2万吨、Nox14万吨。 玻璃熔窑在玻璃工厂中是消耗燃料最多的热工设备，一般占全厂总能耗的80～85%左右，目前我国玻璃工业所用的主要能源是：煤、油、电和天然气等燃料。由于燃料价格几年来持续上涨，企业燃料成本逐年增加，效益锐减，在此形势下，玻璃工业根据我国能源蕴藏品种结构、分布、数量和价格等不得不做使用调整。使以前规划设计推行的使用清洁、高热值能源的思路发生了一定的变化。即近几年来企业欲争取较大效益。有不少燃油炉改成燃煤炉，以此带来不小的环境保护问题。当然这几年随着我国电力工业的发展，全氧炉、电助熔、全电熔炉有了较大的发展。 玻璃企业的能耗主要在玻璃的熔制过程中消耗，熔制玻璃的目的，是在高温下将多种固相的配合料经熔融转变为单一的均匀玻璃液，当然在实际生产中玻璃行业抓住了窑炉的节能就是抓住了行业节能的主题。 玻璃的熔制过程是一个非常复杂的过程，它包括一系列物理的、化学的、物理化学的现象和反应。这些现象和反映的结果，使各种配合料经机械混合后送入炉内，炉内配合料在加热过程中经过： 硅酸盐形成(约在600～900℃)→玻璃的形成(普通玻璃约为1200～1250℃)→澄清(普通玻璃约为1400～1500℃，粘度η≈10帕·秒)→均化(玻璃液长时间处于高温下，其化学组成趋向均一)→冷却 澄清均化好的玻璃液在不损坏玻璃的质量前题下，需将温度降至加工工艺要求粘度的温度区域(一般降温200～300℃)进行成型加工制造出所需产品。 就目前玻璃窑炉生产技术状况下分析，平均熔化每公斤玻璃能耗约为1500～4000千卡(理论值为576～624千卡/公斤玻璃)，由于炉型的差异、采用技术手段先进程度的不同、熔化玻璃品种不同、工艺技术、日常管理等因素，熔化玻璃能耗差距较大。玻璃窑炉有热效能利用率平均只有18～38%，而72～65%不能被有效利用。 国内比较先进的燃油玻璃窑炉经热测试的结论：70m2窑炉热能利用率58.84%，全窑热效率38.18%。

在玻璃熔窑的各项热损失中，由蓄热室排出烟气的余热量占有很大比例。如何提高熔窑排烟余热的回收利用，一直是国内外热门的研究课题。现阶段，人们对排烟余热回收的途径主要有余热发电、余热制冷、余热锅炉和余热预热玻璃配合料等几种途经。

二、热管技术在玻璃窑炉余热回收中的应用

热管是一种具有特高导热性能的新颖传热元件。热管起源于二十世纪六十年代的美国，1967年第一根不锈钢水-水热管首次被送入地球卫星轨道并运行成功，热管理论一经提出就得到了各国科学家的高度重视，并展开了大量的研究工作，使得热管技术得以很快发展。热管技术开始主要用于航天航空领域，我国自二十世纪70年代开始对热管进行研究，自80年代以来相继开发了热管气-气换热器、热管气-水换热器、热管余热锅炉、热管蒸汽发生器、热管热风炉等各类热管产品，使得热管在建材工业、冶金工业、化工及石油化工、动力工程、纺织工业、玻璃工业、电子电器工程等领域内得到广泛的应用。

（一）、用热管式空气预热器回收工业炉窑尾气余热加热冷空气

1、主要作用 目前，工业窑炉尾气温度一般在250～300℃。回收这部分热量用以预热二次风冷空气，使常温冷空气加热成100℃以上的热空气，送入窑内，可以提高燃料的理论燃烧温度，保证以加快升温速率达到必须的炉温，并能显著节约燃料。其主要用途如下。 （1）提高燃料的理论燃烧温度

空气预热后可以提高燃料的理论燃烧温度。温度的提高程度与燃料种类及气体的预热温度有关，一般空气预热温度每提高100℃可提高理论燃烧温度50℃左右，如图1和表1所列数据。 表1：不同空气预热温度时燃料的理论燃烧温度

（2）保证必需的炉温

燃料的理论燃烧温度提高后炉温亦即提高，其辐射传热量与绝对温度的4次方成正比，从而又可提高窑炉的生产能力。根据经验：空气预热温度每提高100℃，约可提高窑炉生产能力2%。 对使用低热值煤气的高温炉来说，预热空气和煤气成为必需的前提，否则将达不到加热工艺所需求的炉温。为达到规定炉温所要求的空气预热温度。可按图1或表1查得燃料的理论燃烧温度值，不同发热量的低热值煤气为达到规定炉温所需空气或煤气的最低预热温度见表2. 表2：蓄热式池窑使用低热值煤气时空气煤气的最低预热温度

（3）节约燃料

单独预热空气或空气煤气同时预热，燃料的节约率按式（1）计算：

预热空气、煤气和配合料相当于直接向炉内提供一部分热量，对强化燃烧和节约燃料有明显效果。如图2所示，随着空气预热温度提高，燃料节约率亦相应增大。

一般认为，空气预热温度每提高100℃，可节约燃料5%左右。是有效的节能手段，投资回收期短，有高的经济效益。

（4）提高燃烧效率并降低钢材烧损

空气预热后由于体积膨胀使气体流动速度加快，促使可燃物混合加强，混合物活性增加，从而能实现低氧完全燃烧并提高了燃烧效率。另外，在低氧燃烧情况下由于烟气中含氧量减少，火焰温度有所提高，使钢材在高温状态下停留的时间相应减少，从而钢材的氧化烧损量减少。

（5）减少烟气排放量，有利于保护环境

随着环境保护标准的提高，不仅要求降低烟气中SO2和NOx的排放浓度，同时要求烟气的总排放量也要减少，这是因为烟气中CO2的大量排放将影响全球的大气质量和产生温室效应。 回收烟气余热可在总供热量不变的情况下减少燃料的供给量，亦即减少了烟气的生成量和排放量。回收的热量越多，则烟气排放量减少，对环境保护的意义就更大。

2、热管式空气预热器的特点

热管式空气预热器是由具有超导传热元件之称的热管组成，它和其他形式的空气预热器相比较具有如下特点。

（1）传热性能高。

由于热管式空气预热器的加热段和冷却段都可以带有翅片，大大增加了扩展表面。因此其传热系数比普通的光管空气预热器要大好多倍（见表3）。 表3：不同空气预热器传热系数比较

（2）对数平均温差大。

由于热管式空气预热器可以方便的做到冷流体和热流体的纯逆向流动，这样在相同的进、出口温度就可以产生最大的对数平均温差。 （3）传递热量大。

由于热管式空气预热器传热系数和对数平均温差大，因此，传输的热量就大。热管传递的热量是指管内从沸腾段液体吸热变为蒸汽的汽化潜热到凝结段蒸汽又变为液体放出的潜热量，这种吸收或放出的潜热量是相当大的，比不是靠相变吸收或放出潜热方式传热量的元件要大得多。如图3所示，铜棒在100℃温差下才能传递30W的热量，而热管在几度的温度下就可以传递上百瓦的热量。热管传递量的强度约为良导体的倍，有时可达倍左右。

（4）体积小、重量轻、结构紧凑。

热管式空气预热器所传输的热量大，因此，在传输同样热量的情况下，热管式空气预热器就显得结构紧凑，因而金属的消耗量少，占地面积也可以大大减少。

（5）便于拆装、检查和更换。

热管式空气预热器是由许多根独立的换热元件—热管，按一定的排列方式组成的。因此，有部分热管更换不会影响整台热管式空气预热器的正常工作。根据玻璃窑炉尾气余热工况的实际情况，热管式空气预热器的热管可以定期地拆装进行清灰。

（6）热管式空气预热器具有很大的灵活性。 可以根据不同的热负荷和气体流量，将几个热管式空气预热器串联和并联使用。

（二）利用余热锅炉产生蒸汽供生产工艺使用

在玻璃窑炉余热利用中余热锅炉按换热方式不同可简单叙述为直接换热式和间接换热式锅炉。直接换热式按结构分类似于烟管式锅炉，直接换热式一般为小容量，低参数，水质要求低，结构简单，换热效率低。间接换热式是指热管式锅炉，一般为应用在相对低温下，耐腐蚀环境下，其特点最大的就是换热效率高，故障率低。

1、热管余热锅炉的基本原理：
热管工作原理简述为：热管从烟气中吸收热量，通过热管内的介质将热量传递到汽包中的水中，将水加热汽化的过程。 热管换热为两次间壁换热，且冷、热侧是用隔板分隔开的，热管和隔板之间密封性好；冷、热气体都在热管管外流过，传热效率高。通过热工设计可以保证热管壁温准确地高于烟气露点温度，避免了露点腐蚀，同时又使得烟气中的粉尘不易粘积在管壁和翅片上，从而保证设备长期稳定运行。因为间接换热，即使少一两根热管（损坏或老化）亦不影响其使用。热管具有很大的热导，它具有在小温差下传递很大热流的特性。在低温烟气条件下采用热管余热锅炉做低温余热利用，是充分利用了热管的这一特点，在温差较小的情况下，回收到更多的热量。 按照热管管内工作温度区分：低温热管、常温热管、中温热管、高温热管等，按照管壳与工作液体的组合区分：铜-水热管、碳钢-水热管、铝-丙酮热管、碳钢-萘热管、不锈钢-钠热管等。在窑炉烟气中使用最多的是碳钢-水热管，其构造简单，造价较为便宜，满足抗窑炉废气中腐蚀性气体的要求。且阻力较少，减少系统动力，节约运行中的费用。 在玻璃窑炉所产生的废气中，对设备腐蚀和损害最大的为烟气中含有的SO3，SO2少量的氟化物。烟气中虽然SO2的浓度远大于SO3，但对露点温度的影响却远小于SO3，这是因为在接近露点温度时，SO3几乎完全溶解于水蒸气，但SO2，在烟气中极少溶解于水蒸气。考虑其露点腐蚀，在烟气余热锅炉中，其热管锅炉的优势明显，其应用也逐渐扩大。 由于受制于工艺或窑炉结构，其排烟温度一般为320--450℃，排烟温度可以降至180--220℃，其锅炉可以根据客户的具体要求，比如说蒸汽使用量，使用温度，要求出口温度不低于多少度，可以因地制宜。

2、余热锅炉使用过程中一般需注意一下几个方面：

（1）低温腐蚀。在余热锅炉备用炉中，若长期保持锅炉不适用时，考虑将锅炉进或出口闸板打开有点，使烟气进入锅炉本体，使热管保持一定的温度，防止低温腐蚀。

（2）结垢影响。在锅炉长期使用或者一直停用，锅筒或热管化热套管间将会生锈或结垢，此情况一般要找专业公司进行清洗，为避免此类情况出现，要求锅炉不得停炉太久，不间断性，频率高一些使用。

（3）软化水处理不当致锅炉结垢或腐蚀。在余热锅炉的使用时，因严格按照工业锅炉水质标准进行。其给水（低压锅炉）要求：浊度FTU≤2.0，硬度≤0.030 mmol/L，8.0≤PH≤9.5，溶解氧≤0.1 mg/L，油≤2.0 mg/L，全铁≤0.3 mg/L。给水不合格直接影响其使用效率，使用安全及寿命。

（4）锅炉使用过程中连续排污。在余热锅炉的锅筒底部有一排污阀，在其使用过程中要保持此阀门一定的开度，其开度可以根据蒸汽压力的高低，使用蒸汽量的大小等情况来调节，但在运行过程中要打开此连续排污，因在此锅筒底部，锅炉的水在此处浓度较高，其主要为一些盐类和杂物（给水中产生，或清洗过滤不彻底）。要使此锅筒水中浓度较高的部分连续排走，降低锅炉结构的风险。

（5）在锅炉使用过程中，其锅炉的清洗亦比较重要。一般锅炉在运行10天左右就需清洗，其清洗的依据可以根据锅炉使用天数，锅炉进出口阻力达到设定值，锅炉引风机振动大小，锅炉产气量的改变等。在清洗锅炉时一般小型锅炉采用蒸汽或压缩空气出吹扫，用水冲洗，大型锅炉一般采用超声波或气爆清扫。在小型锅炉的清洗完毕后要保持其热管外壁有一定的温度，防止加速腐蚀。

3、在日常锅炉巡检中应注意以下几个方面：

1）锅炉三大安全附件（温度计，压力表，安全阀）缺一不可，有故障要及时处理，不能带病上岗，压力表和安全阀要定期检验。 2）锅炉给水泵的选择，一般可供选择的卧（立式）式单级（多级）离心泵，选择型号时要考虑机械密封，填料密封容易漏水，维修频繁，漏水难处理，运行成本增加。供水方式可考虑变频，减少对锅炉运行时的冲击，对水泵也有一定的保护作用。备用泵的布置和考虑要做到有备用，可切换，现场可直接操作等。

3）锅炉给水所用止回阀的选择，在蒸汽锅炉中止回阀的选择较为重要，在进锅筒段一般为水平布置，其止回阀的选择考虑其密封性严，经久来用，不宜出现故障。

4）锅炉本体进出口段的压力传感器的布置方式，安装位置，若安装不合适则测量不准不说，还容易堵塞。

5）锅炉进水所用过滤器，软化水装置和除氧器的选择，对锅炉水质的影响较大。

6）锅筒蒸汽出口管道布置和分气缸疏水阀，管道疏水阀的选型和布置对蒸汽的正常运行亦较为重要。

（三）大型玻璃窑炉烟气余热发电： 利用玻璃熔窑废气余热发电是一项资源综合利用项目，不仅节能，而且环保，玻璃熔窑废气余热发电。在对废气余热进行综合利用的同时，可以大大提高全厂的能源利用率，降低了单位玻璃生产成本的电耗和能耗，减少大气污染物的排放，减少温室效应。这对于玻璃生产企业来说，在获得显著的经济效益同时，还大大地提高了整个玻璃厂的社会效益和环保效益。这是玻璃企业发展循环经济的重要途径。
               
内容来源：余热余能再利用

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