文 献 综 述 一、前言 在工业生产中,使用着各种窑炉,如回转窑、加热炉、转炉、反射炉、沸腾焙烧炉等。这些窑炉都耗用大量的燃料,它们的热效率都很低,一般只有30%左右,而被高温烟气、高温炉渣、高温产品等带走的热量却达到40%～60%,其中可利用的余热在冶金方面约占燃料消耗量的三分之一,机械、玻璃、造纸等方面占15%以上[1]。 节能减排是我国经济和社会发展的一项长远战略方针,也是一项极为紧迫的任务。回收余热降低能耗对我国实现节能减排、环保发展战略具有重要的现实意义。同时,余热利用在对改善劳动条件节约能源、增加生产、提高产品质量、降低生产成本等方面起着越来越大的作用,有的已成为工业生产中不可分割的组成部分。自上世纪六七十年代以来,世界各国余热利用技术发展很快。目前,我国的余热利用技术也得到了长足进步,但是与世界先进水平还有一定的差距,有一部分余热尚未被充分利用。 二、国内外现状 玻璃企业普遍存在大量余热资源，包括烟气余热、炉体散热、高温产品余热、冷却介质余热、废气和废料余热等。其中烟气余热几乎占燃料消耗量的1/3以上，占余热资源的一半以上，是主要的余热资源。烟气余热温度高且热量集中，回收相对容易。目前烟气余热回收利用中，回收后的能量主要用于预热助燃空气、预热燃气和生产热水和蒸汽。各个企业高温烟气余热的利用情况较好，而中低温烟气余热回收利用率较低。如通过空气预热器后400~500℃的中温烟气大部分企业没有回收，至于温度更低的300℃以下的低温烟气更是没有充分利用。这部分热量白白排入空气中，不但造成了能源的巨大浪费，而且造成了环境的热污染[2,3]。随着全社会对节能减排的提倡和企业对节能降耗越来越重视，为降低成本，充分利用排掉的烟气中的热量是每一个玻璃企业研究的课题之一。一些企业也因此做了烟气回收和利用尝试，并取得不错的效果。下面介绍几种国内外常用的玻璃窑炉余热利用技术。 1.余热发电技术 玻璃生产的能耗按照不同燃料（焦炉煤气、石油焦、重油、天然气）占到玻璃生产成本的35%~65%，能耗主要用于玻璃液的熔化、窑炉表面散热、被带走的450~550℃的热烟气3大部分，其中烟气带走的热量占30%~33%。在没有上余热发电之前，能源利用率只有37%~38%，国外先进的水平在43%~45%，其余被窑炉表面散热和随热烟气的排放，因此，如何减少热量的损耗成为解决问题的关键。采用余热发电是进行余热利用的重要途径之一。 2007年10月江苏华尔润集团成功建设国内第一座玻璃窑炉烟气的余热发电项目，装机功率3MW。该技术受水泥窑余热发电的启发，集中解决了诸多技术瓶颈，填补了行业空白，受到了国家、行业、地方的高度肯定。随后又分别在张家港总部及各分公司建设余热电站3座，装机功率24MW，年可用发电量1.5亿kWh，年节约标煤5.55万t，减少CO2排放13.8万t。 玻璃窑炉的余热发电，以常见的700t/h窑炉为例，烟气温度450~550℃，排烟温度180~200℃，设计上发电能力匹配在3MW左右的水平，年发电量按照年330d运行，实际可用发电1580万kWh，保守计算解决生产线60%以上的用电，可以提高能源利用率7%~8%（见表1）。在配置上，一般至少2条以上的生产线配套一座电站为宜，4条线更经济，可以配套10~12MW机组。玻璃窑炉的余热发电关键在于锅炉的设计和应急响应系统，锅炉设计要充分考虑到玻璃烟气的烟气温度、烟尘的特点和含量、各受热面的梯度、露点温度的控制、清灰防堵塞等方面因素，特别是对窑炉烟尘成份特性的分析，玻璃烟尘因燃料的不同有很大的差异，解决的办法明显不同，其中烧天然气的窑炉最好处理，烧固体石油焦粉的窑炉锅炉设计上难度最大。一般的锅炉设计排烟温度高于露点温度20~30℃，但是以石油焦为燃料的锅炉，SO2浓度波动非常大，露点温度要放大到40%~50%，虽然热效率上有一定的影响，但是由于石油焦含硫量波动大，如果按照传统设计很容易使锅炉的低温段受到腐蚀而影响运行[4,5]。 下图（图1）表示一般工业生产线余热发电工程系统图： 图1 生产线余热利用工程系统图 2.余热锅炉技术 采用蒸汽发生器，即余热锅炉回收余热是提高能源利用率的重要手段，冶金行业近80%的烟气余热是通过余热锅炉回收，节能效果显著。 余热锅炉中不发生燃烧过程，从本质上讲只是一个气－水/蒸汽的换热器，可利用高温烟气余热、化学反应余热、可燃气体余热以及高温产品余热等，生产高压、中压或低压蒸汽或热水，用于工艺流程或进入管网供热。同时，余热锅炉是低温汽轮机发电系统中的重要设备，为汽轮机等动力机械提供做功蒸汽工质。 实际应用中，利用350～1000℃高温烟气的余热锅炉居多，和燃煤锅炉的运行温度相比，属于低温炉，效率较低。由于余热烟气含尘量大，含有较多腐蚀性物质，更易造成锅炉积灰、腐蚀、磨损等问题，因此防积灰、磨损是设计余热锅炉的关键。直通式炉型、大容积的空腔辐射冷却室、设置的密封炉墙、除尘室、大量振打吹灰装置都是余热锅炉为解决积灰、磨损问题在结构上的考虑。另外由于受工艺生产场地空间限制，余热锅炉把换热部件分散安装在工艺流程各部位，而不是像普通锅炉一样组装成一体[6,7]。 3.烟气预热助燃空气，燃料等 用烟气余热助燃空气，燃料等分烟管式和水管式。烟管式是烟气在管内流动，水在管外吸热蒸发，产生的饱和蒸气通过管道经过热器过热后送往用户。水管式是水在管内流动并受热汽化，烟气在管外流动。依照水循环动力的不同，可分为自然循环和强制循环两种[8]。 4.国外余热回收方法 国外工业窑炉的余热回收技术从用途来看，可分为用于点火保温；用于预热混合料；用于产生蒸汽以及用于压差发电等几种。 由于回收废气的温度不同,回收的流程不同，设备条件不同，各厂实际热回收率也有较大的差异。 目前，用于废气回收余热的装置大致可分为四大类：(1)冷却机余热回收系统；(2)冷却机 窑炉余热回收系统；(3)冷却机 窑炉气体循环余热回收系统；(4)新型机冷式窑炉余热回收系统[9,10]。 三、余热锅炉 能源效率可以限制需求的增长，减少能源进口和减少污染。根据国际能源机构的发布，在新政策下，考虑到现有的和那些最近宣布的政策承诺，如果和当前政策情况下相比，国际能源机构认为能源前景是，到2035年全球能源需求的减少，通过能源效率的提高占70%。其中最有效的提高工业部门的能源利用效率的方法是余热回收[11,12]。作为一种有效的余热回收设备的余热锅炉受到了广泛的重视，在玻璃行业有着广阔的市场前景和应用空间。 1.余热锅炉的发展概况 八十年前美国首先在铜反射炉后装设余热锅炉。在这几十年里,世界各国对余热锅炉也不同程度的进行了一些研制工作,而进展却一直不快。其原因除了对余热利用可能重视不够之外,更主要的是没有掌握好它的规律。二十世纪五十年代以后,余热利用才得到较快的发展。尤其六十年代闪速熔炼技术的出现,对余热锅炉的研制工作更起了促进的作用,使积灰、腐蚀、磨损等方面的问题都逐步得到了较好的解决。随着热管技术的兴起,这种高效换热元件与余热锅炉技术结合起来形成了热管余热锅炉。这种锅炉换热效率高,安装和维修方便,同时由于热管自身的一些良好的技术特点使得这种余热锅炉被广泛的使用,形成了余热锅炉的新发展[13,14]。 2.热管式余热锅炉 利用余热锅炉回收大型玻璃窑炉排出高温烟气的余热已成通行做法,一般选用水管式或烟道式余热锅炉。对于高效节能窑炉,尤其是一些小型窑炉,由于废气量少、排烟温度低,面临一个投入运行成本与产出效益比较是否合算的问题。这时多选用热管式余热锅炉[15]。 现在随着热管技术的兴起,这种高效换热元件与余热锅炉技术结合起来形成了热管余热锅炉。根据不同的烟气量和用处,它的的结构形式也不同[16]。主要有如下三种形式现分别介绍如： （1）结构形式Ⅰ(图2) 图2 (卧式)热管余热锅炉的简图 此结构形式的热管余热锅炉主要应用于单台进入的烟气量在≤50000Nm3/h以内、表压力在0.8Mpa,烟气走向为水平方向。 所产蒸汽主要用于:雾化重油、吹扫烟道(煤气发生炉)、烘干物料(碎玻璃、原料等)、生活用汽(供暖、洗澡、空调)。 该系统余热锅炉主要由:(1)压力容器(蒸汽聚集器一汽包),在其中产生蒸汽;(2)传热元件(热管),吸收流经烟箱中的烟气余热、将热量传递给压力容器中的软水,使其汽化、蒸发;(3)烟箱,它包裹着热管管束,和热源进出口连接,并设有吹灰、清灰、除尘装置(根据用户需要配置) 和控制仪表等组成。 （2）结构形式Ⅱ(图3) 图3 (卧式分离)热管余热锅炉的简图 此结构形式的热管余热锅炉主要应用于单台进入烟气量在≥50000Nm3/h以上,烟气走向为水平走向。如浮法玻璃企业、焦化企业、水泥企业。 该结构形式的余热锅炉主要是和余热发电系统、脱硝、脱硫系统配套使用。所产过热蒸汽主要供发电使用,发电后的背压蒸汽用于:雾化重油、吹扫烟道(煤气发生炉)、烘干物料、生活用汽(供暖、洗澡、空调)。烟温出口温度为180℃左右,进入除尘、脱硫。 该系统余热锅炉主要由以下装置组成:蒸汽过热器、软水预热器、蒸汽发生器、汽包、上升、降管、外连管路和控制仪表、辅助支架等组成。 系统原理:工业软化水经过软水泵进入热力除氧器除氧,除氧水一部分由给水泵输入软水预热器预热后进入汽包,除氧水通过下降管进入蒸汽发生器,水吸收热量变成饱和水,饱和水再经上升管进入汽包,在汽包里进行水汽分离,形成一定压力的(饱和一过热)蒸汽,一小部份蒸汽送至除氧器除氧,其余蒸汽送至总管进入发电系统装置,或其它用户[17]。 （3）结构形式Ⅲ(图4) 图4 (U型立式)热管余热锅炉的简图 此结构形式的热管余热锅炉主要应用于单台进入烟气量在≥50000Nm3/h以上,烟气走向为U型方向,也可水平走向。如浮法玻璃企业、焦化企业、水泥企业。 该结构形式的余热锅炉主要是和脱硝、脱硫系统配套使用。 根据所产蒸汽量的多少:具备发电条件,可发电,不具备条件的可用于、雾化重油、吹扫烟道(煤气发生炉)、烘干物料、生活用汽(供暖、洗澡、空调)等。 该系统余热锅炉主要由以下装置组成:蒸汽过热器、软水预热器、蒸汽发生器、汽包、上升、下降管、外连管路和控制仪表、辅助支架等组成。 系统原理:工业软化水经过软水泵进入热力除氧器除氧,除氧水一部分由给水泵输入软水预热器预热后进入汽包,除氧水通过下降管进入蒸汽发生器,水吸收热量变成饱和水,饱和水再经上升管进入汽包,在汽包里进行水汽分离,形成一定压力的(饱和一过热)蒸汽,一小部份蒸汽送至除氧器除氧,其余蒸汽送至总管进入使用区域[18,19]。 3.翅片管式余热锅炉技术 （1）翅片管式余热锅炉结构 图5 翅片管式余热锅炉结构 翅片管式余热锅炉采用联箱式结构,每组联箱由上下汇集管和上升管(翅片管)组成烟气横向流动掠过上升管,将管内的水加热呈汽液两相流,沿上升管向上流经外联管进入汽包,汽包内的饱和水沿下降管流至下汇集中并被分流到各个上升管中,翅片管式余热锅炉在重力作用下,靠自燃循环进行工作,饱和蒸汽在汽包内经过分离后经蒸汽管。 （2）翅片管式余热锅炉特点 如上图所属的翅片管式余热锅炉中，特点是将下降管布置在联箱中,联箱的整体性好，不受安装位置的限制,既可以安装在地上,也可以安装在地下。同时与热管式余热锅炉相比，它具有以下特点[20,21]： ① 综合传热系数k(值)高,结构更加紧凑。 ② 设备高度低约l/3 ,适合安装在空间高度有限的场合。 ③ 可在高温烟气中工作,工作温度范围广。 ④ 不存在性能老化问题,使用寿命长。 ⑤ 设备制造按国家标准执行,质量有保障。 ⑥ 设备重量轻约l/3,节省设备投资。 4.管壳式余热锅炉 管壳式余热锅炉具有结构简单、制造方便等优点,其大量使用既解决了尾(废)气的能源再利用问题,同时又降低了尾(废)气的排放温度,减少了尾(废)气达标排放处理的难度和费用,进而更加符合环保和建立节约型社会的要求。 目前国内管壳式余热锅炉本体的典型结构如图6所示。通常由前后烟箱、管程(换热管)、壳程(主要由拉撑管板与筒体组成)、拉撑件(直、斜拉杆)、支持板(或折流板)、鞍式支座组成。许多冶炼、化工企业排放出来的尾(废)气腐蚀性较强,为了防腐蚀和节约材料,管程多选用不锈钢材料,壳程一般选用碳钢或低合金钢材料。这时就需要通过计算管程、壳程膨胀量及应力水平状况来判断是否应设置膨胀节[22,23]。 1.前后烟箱 ; 2.管程 ; 3.壳程 ; 4.支持板(折流板) ; 5.膨胀节 ; 6.鞍座 ; 7.拉撑件 图6 管壳式余热锅炉主要结构组成 四、发展方向 1.余热回收利用存在的问题及发展方向 在工业余热回收中，需要特别指出的是工业炉窑的余热回收利用，还存在一些亟待解决的问题。中国的工业炉窑每年消耗全国总能耗的25%左右，回收和利用工业炉窑余热无疑是节能工作的重要命题。我国工业炉窑余热利用虽取得一定进展，但水平还很低，主要表现在： （1)余热利用率低。我国现在的余热利用水平仅相当于苏联1975年的水平，当时苏联的余热利用率是黑色冶金30.4%，有色冶金28%，石油炼制及石化54%，化工76.8%。 （2)综合利用差。大部分余热仅利用一次，没有从高到低分级回收不同品位的余热，分别供给不同用户，真正做到物尽其用。 （3)中、低温余热多数未被利用。由于目前大量高温余热尚未被充分利用，因此，中、低温余热的利用没有被足够的重视，而未能进行积极的回收。 （4)余热利用设备和系统不够完善，效率低下。有的余热利用设备性能较差，但仍然在使用。有些余热利用设备虽本体性能较好，但因整个系统工程水平不高，如保温性能差，缺乏控制调节系统，未考虑综合利用，致使设备性能降低，寿命缩短，回收效率低[24]。 鉴于以上原因，今后工业炉余热利用的方向是： （1)余热利用的重点，总的说来，仍应放在烟气、可燃气体、产品及炉渣的热量回收利用上。这三项余热，尚未被利用的余热量占总量的65%。 （2)强化中、低温余热的利用研究。 （3)强调余热的优化利用。 （4)重视余热回收设备的研制与生产[25]。 2.工业余热回收新技术 （1）无机热传导技术 无机热传导技术是以无机元素为导热介质,将其注入到各类金属(或非金属)管状夹层板腔内,经密封成型后,形成具有导热特性的元件,简称无机热传导元件。无机热传导元件内的无机导热介质受热后,利用分子的震荡、摩擦,将热能快速激发并成波状快速传递。这样可将热量由元件的一端迅速传向另一端。在整个传热过程中,元件表面呈现出热阻趋于零的特性(即热超导性)[26]。 无机热传导元件主要是通过腔体内部的无机介质来实现导热过程,导热能力远高于普通金属材料,当量导热系数为3.2MW/(m.K),数最高可达金属银材料的数千倍[27]。 （2）热轮热轮由多孔和高比热容量的材料制成，有转盘式和转鼓式两种结构型式。当热轮的转盘或转鼓低速旋转时，热气体的热量传递给热轮；若热轮继续旋转，它便将所获得的热量传递给进入的冷空气（见图7）。热轮的热传递效率现已达到75％～80％，应用温度也可达870℃左右[28]。由于热轮结构的原因，会有少量的废气进入气管内，因而产生一定程度的污染。若污染量超过许可限度，则可附加清洗段来减少污染程度。热轮一般用于采暖和低温、中温废热的回收，以及干燥炉、养护炉和空气的预热器中[29]。 图7 热轮 五、结论 中国工业余热回收利用水平虽已有较大提高，但这些余热利用技术面临的障碍，很大程度上限制了中国工业余热利用的规模，致使中国工业余热回收利用水平与国际先进水平仍存在较大差距。为突破这一困境，除进一步对相关技术进行深入研究，攻克材料性能、封装工艺等技术难关之外，对换热设备及换热工质进行改进，也是今后较长时期的一个重要发展方向[30]。 参考文献 [1] 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