玻璃窑余热锅炉发电能力影响因素的研究

李国栋

（河北南玻玻璃有限公司，河北 廊坊 065600）

玻璃窑余热发电回收玻璃窑炉排出的废气热能，将其转变为清洁能源电能，使玻璃生产装置的燃料热量利用效率能够提高5%左右。余热电站的发电量能够满足玻璃生产线用电量的60%到80%以上。自从2007年9月我国首条玻璃熔窑烟气余热发电项目的成功实施以来，国内外学者和技术人员不断改进和完善，并在业内逐步推广［1－3］。玻璃窑余热电站的热力设备主要由余热锅炉和汽轮发电机组组成，余热锅炉用来吸收烟气的废热，生产过热蒸汽，是提高热能利用效率的关键设备，它的受热面传热效果、有效传热面积是影响蒸汽产量和发电功率的直接因素。本文对影响余热锅炉的相关原因进行了分析，指出了提高余热锅炉蒸汽产量和提高余热电站发电能力的途径，对改善玻璃窑余热发电能量利用效率具有一定的指导意义。

1 传热方式

1.1 对流

对流是在需要传热的流体和相对固定的设备壁面之间，流体与壁面接触并发生相对运动，因两者温度不同导致的热量交换形式。对流换热系数是表达对流传热能力的比例系数，影响该参数的因素有：流动介质和设备壁面之间的相对流速，流动介质的物理状态，设备壁面的状态等，二者的相对速度和流动介质是否发生汽液状态转变是影响最明显的因素。

1.2 导热

导热发生在不同部位存在温差的物质内部，或者存在温差的相互接触的不同物质之间。导热系数用来表征物质的导热能力大小，是物质的固有属性，一般情况下，金属的导热系数明显高于非金属物质。

1.3 辐射

辐射传热是非直接接触的物质之间，以电磁波的形式来传播热量，其传播途径为直线传播，传播速度最快。物质的温度大于绝对温度时，就能够以辐射的形式向外传播热量。某个物质通过辐射吸收的热量，是各个物质之间辐射热量的差额。

2 传热原理

现实生产中的传热过程，是在热流体、设备壁面、冷流体之间进行的，热流体的热量通过对流、传导、辐射三种方式通过设备壁面传输到冷流体上，使冷流体获得热量。余热锅炉内发生的传热过程也是这样发生的，换热管壁外面是高温烟气，烟气的热量通过管壁传给管内的锅炉水或者蒸汽，热量传递的公式：

Q代表传热量，单位焦耳；H代表受热面积，单位为m2；K代表传热系数，单位是w／（m2·K）；Δt代表温压（即温差），单位是℃。

3 提高发电量主要途径

增加余热电站的电能产量，和余热锅炉直接相关的因素是，在废气参数一定的情况下，余热锅炉能够获得更高的蒸汽产量和温度、压力。

玻璃窑烟气具有以下特点：烟气灰尘含量较低，但细密，颗粒小，粘附能力强，清灰困难；玻璃窑大多有换火操作，烟气流量和温度存在周期波动；玻璃窑产量波动时，窑炉漏风情况变化时，能够导致烟气流量和温度发生较大范围的波动，尤其是随着窑炉运行时间延长，烟气流量和温度可能会达到10%以上的上涨。根据玻璃窑烟气参数和特点，玻璃窑余热锅炉可以采取以下措施来增加蒸汽产量、提高蒸汽温度和压力的目的。

3.1 提高传热系数

玻璃窑余热锅炉运行实践表明，余热锅炉换热面上的积灰能够大幅度降低换热面的传热系数，对蒸汽产量产生明显影响。如果不采取合理的锅炉清灰方式，蒸发量随着运行时间延长，会明显下降：积灰严重时，运行一个月左右，蒸发量能够下降25%。

高效的清灰装置是余热锅炉保持较高的传热系数的重要保障。机械振打清灰装置广泛应用在水泥窑余热锅炉上，因积灰性质的区别，对玻璃窑余热锅炉换热面进行机械敲打时清灰效果很差。在燃煤锅炉上应用效果较好的声波清灰方式，也无法对玻璃窑余热锅炉换热管上的积灰有效清除。蒸汽吹灰装置设备复杂维护要求高，并且消耗过热蒸汽，不适合用于过热蒸汽产量较低的余热锅炉。弱爆清灰技术采用乙炔气体爆燃的激波冲击换热管表面，在玻璃窑余热锅炉上充分合理的布置弱爆发生器时，能够起到较好的清灰作用。实践表明，即使在清灰装置正常运行时，随着玻璃窑余热锅炉运行时间的延长，余热锅炉总体传热系数也会因积灰变得越来越低。为了保证余热锅炉较高的蒸汽产量，根据余热锅炉积灰情况，每隔一个月到三个月，需要停炉进行水冲灰一次，这样能够更好的恢复余热锅炉的换热能力［4］。

3.2 提高温差

换热管外的高温烟气和换热管内的汽水介质温差越大，则传热量会越大。余热锅炉内的流体介质有高温烟气和换热管内的锅炉水或者蒸汽两种，通过合理的布置换热面管束，使换热管内和管外的两种换热介质之间按照逆流和错流的方式流动，这样能够提高换热的平均温差。

在余热锅炉进口烟气温度一定的情况下，为了尽可能多的从烟气中取得热量，达到提高发电量的目的，就需要尽量提高蒸汽压力、温度，降低余热锅炉出口的烟气温度。为此，余热锅炉采用分段吸热的方式进行设计，换热面从余热锅炉烟气入口到出口按照过热段、蒸发段、省煤器、热水段的顺序进行布置，不同换热段管道里面的工质压力和温度不同，和管外烟气形成不同的温差，完成不同的换热目的：在过热段把饱和蒸汽加热为过热蒸汽；在蒸发段炉水蒸发为饱和蒸汽；在省煤器把除氧水进行加热升温；热水段用于生产低压蒸汽或者实现锅炉水的除氧。这样布置换热面，提高了平均温差，能够提高蒸汽产量；通过合理的设计过热段，能够获得尽可能高的蒸汽压力和温度。

3.3 提高换热面积

增加换热面积就能够增加与传热介质的接触面积，主要通过以下途径［5］：直接增加换热管的数量；在换热管上面增加翅片等吸热原件等。因为玻璃窑烟气中的灰尘粘附力强，清灰困难，不适合采用翅片管，所以大多采用光管换热器。考虑到换热面积灰的影响和烟气流量可能上升，在设计余热锅炉换热面时，有效的措施就是布置足够大的换热面面积。

玻璃窑大多采用换火工艺，烟气流量和温度按照换火频率波动，引起的废气入炉参数的波动。因为玻璃窑的换火时间很短，余热锅炉热惯性很大，从蒸汽产量上看，玻璃窑换火导致的烟气温度波动不会对余热锅炉的蒸发量造成影响［6］。

余热锅炉设计足够大的换热面积，导致锅炉的结构尺寸明显变大，锅炉消耗的金属材料数量上升，锅炉的重量上升，因此导致余热锅炉制造成本上升。考虑到余热电站几乎全年运行，正常运行年限能够达到20年以上；余热电站运行无需燃料消耗，纯粹回收烟气废热，因此经济效益良好，一般在5年左右就能够回收全部项目投资。所以余热锅炉尽量采用较大的换热面积，适度提高项目初期投资，会有明显长期收益。

4 结论

总结和阐述了余热锅炉的传热过程、传热原理、提高发电效率的主要途径和影响因素，对各类因素的影响力进行了分析，对玻璃窑余热发电建设和运行具有现实的指导意义。

［1］ 莫德格，李团伟，张军伟.废热锅炉及设计计算简介［J］.内蒙古石油化工，2006（7）：35.

［2］ 刘洪国.玻璃余热锅炉常见问题分析［J］.玻璃，2012（3）：17－18.

［3］ 张智斌，陆子龙.玻璃窑余热发电锅炉的优化设计［J］.工业锅炉，2012（6）：5－9.

［4］ 洪向道，徐振国，叶全乐，等.小型热点站实用设计手册［M］.北京：科学出版社，1994.

［5］ 刘成雄.玻璃熔窑余热发电技术开发和设计应用［J］.玻璃，2010（12）：13－16.

［6］ 李志伟，张波，何宏舟.1200t／d玻璃窑余热发电系统运行参数选型［J］.电站系统工程，2013（3）：79－81.