陶瓷行业窑炉余热的综合利用

管火金

摘要 本文介绍了一套窑炉余热利用的优化方案,包括窑炉烟气的热利用、尾冷余热经急冷加热后的热利用、热交换区和抽热风的热利用,不仅能充分利用窑炉余热,节能降耗,并且使用该优化方案后,每年均能节省相当可观的费用,具有一定的社会效益和经济效益。

关键词 窑炉余热,综合利用,优化方案

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=cp 1m₁Δt₁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0.2414 kCal/(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℃

c_p4——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=c_p3m₃Δt₅/(c_p6Δt₆)

式中:

m₆——热交换风单位时间的质量,kg/h

c_p3——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℃

c_p6——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=c_p3m₃Δt₇/(c_p8Δt₈)

式中:

m₈——尾冷风单位时间的质量,kg/h

c_p3——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℃

c_p8——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=c_p9m₃Δt₉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

c_p9——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。

参考文献

[1] 蔡悦民主编.硅酸盐工业热工技术[M].武汉工业大学出版社,1997.

[2] 孙晋涛主编.硅酸盐工业热工基础[M].武汉工业大学出版社,1992.