陶瓷工业烟气余热利用技术*

康建喜

(咸阳陶瓷研究设计院 陕西 咸阳 712000)

前言

在国家环保大形势影响下，我国建筑陶瓷行业制定了“十三五”节能减排规划，将在“十三五”期间努力实现建筑卫生陶瓷行业节能减排全面达标，力争在“十二五”基础上：万元产值综合能耗降低15%、烟气粉尘排放总量减少20%、二氧化硫排放量减少40%、氮氧化物排放总量减少10%、二氧化碳排放总量减少10%、淘汰落后产能30%。

建筑陶瓷行业作为我国能源消耗大户之一，尤其以民营经济为主的建筑陶瓷行业，节能减排的任务非常艰巨。节能减排、低碳环保是时代需求，是陶瓷行业永远的追求,技术节能具有广阔的发展空间。目前在建筑陶瓷工业中，主要的热工设备有：喷雾干燥塔、陶瓷窑炉、陶瓷素坯干燥器三大类，喷雾干燥塔排放的烟气温度目前基本上都控制到85～95 ℃，素坯干燥器目前干燥温度一般也是在100 ℃左右，基本上没有利用的价值，可以利用余热的主要热工设备就是陶瓷窑炉。陶瓷工业使用窑炉主要有隧道窑、辊道窑、梭式窑三大类，其中辊道窑具有产量大、质量好、能耗低、自动化程度高、操作方便、劳动强度低、占地面积小等优点，是当今陶瓷窑炉的发展方向。因此，对陶瓷辊道窑的余热进行综合利用具有非常重要的现实意义，将智能控制技术及装备技术应用在陶瓷辊道窑和其它耗热设备上，通过优化工艺和设备改进实现能源高效利用是非常有意义的。

国内外对陶瓷窑炉余热利用的研究有很多，余热利用在国外也很受重视，并将其视为陶瓷工业节能的主要环节，目前窑炉余热已利用部分有高温烟气和冷却热风两部分，国外对烟气带走的热量和冷却物料消耗的热量占总窑炉耗能的这一数量可观的余热利用较好，国外将余热主要用于干燥和加热助燃空气。目前欧洲陶瓷企业普遍采用在窑炉上安装附加余热利用装置进行余热的再回收利用，对于排放烟气的余热利用亦采用换热器进行能量收集并输送到所需场所，其综合节能的效果十分显著(热效率达到80%～90%)。

近几年来，由于广大科技工作者的共同努力，我国在余热利用方面，采用新技术、新材料、新工艺,使其生产能耗有了大幅度的降低,有的甚至已经接近国际水平。余热利用方面也取得了突出成绩，进行了多项节能技术的研究。以下是几种常用或可能会在将来要被推广的余热利用技术：喷雾干燥塔利用陶瓷窑炉余热技术、多层强制对流快速坯体干燥技术、高温空气燃烧技术、燃气轮机热电联产技术、磁悬浮余热发电技术等。

为了高效回收利用烟气余热，稳定实现节能减排技术的改造，笔者提出的几项技术，根据不同生产工艺或单独使用，或相互叠加，最终目的是提高燃料的燃烧效率，提高能源的利用效率，实现能量的高效高用，节约能源、减轻污染、降低企业的生产成本从而达到提高企业经济效益的目的。

1 喷雾干燥塔利用陶瓷窑炉余热技术

1.1 高温烟气作为喷雾干燥塔的热源

按照工艺使用能源的质量(品质)要求，综合分等级使用能源，充分、合理地回收烟气和热风的余热，将制粉、干燥和烧结的工艺过程中能源转换和利用，综合在一起统筹考虑，最终把没有利用价值的废气集中到喷雾干燥塔的排气口，集中进行环保处理。

1.2 高温烟气干燥泥浆的关键技术

1.2.1 制定合理干燥工艺

制粉、干燥和烧结的工艺过程中能源转换和利用的实质性问题，首先包括水分在制粉(空心圆形颗粒)的蒸发传质传热机理，寻求最佳的进塔干燥热风的温度；其次是坯体干燥过程中，坯体内部传热及水分渗透、蒸发过程的基本原理，寻找适当的含湿量和温度的热风和烟气作为坯体干燥的介质，并且选配适当的干燥时间，以达到最好的烘干效果；最后是通过合理预设的烧结温度和时间,充分利用工艺过程中产品烧成时的物理、化学变化过程中的放热和吸热时间和数量的配合,合理选择加热、冷却的温度和过程配套的时间，改变或调整工艺，降低工艺能耗。

1.2.2 按能源的等级，按质综合使用能源

综观陶瓷产品从原料到成形的工艺过程，使用的载能热流介质温度是从80 ℃到1 350 ℃的跨幅，善用温度级差是整个成形工艺过程的关键节能问题。结合按质用能，把载能热流介质统一传输到用能的终端出口，综合脱硫和去除NOx，回收固体颗粒，实现零排放。

2 高温空气助燃烧技术

2.1 高温空气助燃烧技术是节能减排的有效手段

高温空气助燃技术，是一种烟气余热极限回收燃烧技术，是陶瓷工业实现节能减排的有效技术，是陶瓷企业实现成本降低的有效手段。高温空气燃烧的两项基本燃烧手段：其一是最大限度地回收燃烧产物显热；其二是在低氧的气氛下进行燃料燃烧。燃料在高温下和低氧空气燃烧，燃烧和体系内的热工条件与传统的燃烧过程有明显区别。据统计，窑炉能耗占全国总能耗的1/4，而窑炉大部分能量归结为排烟损失，估计每年全国这部分的能量超过5 000万t标准煤。就目前我国的陶瓷工业来看，虽然陶瓷产量遥遥领先于其他国家，但能源利用率与国外相比差距较大，陶瓷梭式窑的能源利用率低至15%～20%，而烟气带走余热是热量损失的主要部分。高温燃烧技术采用高效回收烟气余热的蓄热设备和高频换向设备，能大大降低排烟温度，燃料能量利用率达到90%。且由于燃料在高温低氧的环境下燃烧，燃料缓慢放热，不存在传统的局部高温区，也能有效降低CO2和氮氧化物的排放。

2.2 高温空气助燃烧技术系统

在陶瓷工业中，陶瓷烧成窑炉主要以连续式窑炉为主，如隧道窑、辊道窑、推板窑等。连续式窑炉的工作特点是：燃料燃烧时产生的高温烟气，在窑内与陶瓷制品逆向运动，从窑炉的烧成带流经预热带，最后从排烟口排出。烟气在流动过程中将热量以辐射、对流和导热的形式传递给坯体、窑具和窑墙，最终以较高温度排出窑外，在此过程中浪费了大量的能源。陶瓷工业余热极限回收技术，可以对窑炉的主烟道进行改造，将主烟道截面分成2个相等的部分，分别安装蜂窝陶瓷蓄热体，通过四通换向阀及引风机，构成烟道蓄热式烟气余热极限回收系统，通过高频换向系统，即可完成窑炉烟气余热的极限回收，获得高温热空气，用于助燃或坯体干燥等方面。

3 燃气轮机热电联产技术

3.1 燃气轮机热电联产技术可实现陶瓷工业能源阶梯组合的合理利用

热电联产技术能够获得更高的能源利用效率。普通电厂通过燃料燃烧来加热锅炉产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机，汽轮机再带动发电机发电，其整体利用率约30%。 若采用热电联产方式，即让蒸汽推动汽轮机后

图1燃起轮机热电联产在陶瓷厂应用原理

不直接排放，而是再输送到工厂继续得到利用，则其整体利用率可达约70%，经济效益也会相应提高。因此，各国政府非常重视、推广热电联产技术。一个国家能源利用率的高低，很大程度上与热电联产应用多少相关。燃气轮机热电联产系统是一种新型的热电联产技术，极大地提高了系统的效率和经济性，在陶瓷行业的应用中，其整体的燃料利用率可达95%。

燃气轮机热电联产在陶瓷厂的应用原理如图1所示。

根据国外经济性运行显示，陶瓷厂家应用燃气轮机热电联产后，能源费用节约在50%左右，不少于30%，投资回报率在3年左右，不超过5年 。

3.2 燃气轮机热电联产解决环保问题、提高陶瓷产品质量

3.2.1 解决环保问题

根据目前情况，燃气轮机废气的排放，满足任何一个国家的标准。这主要是因为燃气轮机的燃烧室与普通燃烧室相比，采用了更多的新技术、新材料，同时，压缩机压入了足够空气，使得燃烧更为完全，排放指标更好。

3.2.2 提高陶瓷产品质量

对于没有燃气轮机热电联产时的干燥塔，当加热后的热空气与陶瓷浆料混合时，会将燃料燃烧后的有害成分和空气中的杂质一起混入，导致粉料中增加一定的杂质。当热电联产时，由于燃烧室的先进性，燃料燃烧后的有害成分少，又因为燃气轮机使用的空气都是经过过滤器过滤的，空气中基本没有杂质，从而使得粉料质量会有一定的提高，进而提高了陶瓷产品的质量。

4 磁悬浮余热发电技术

4.1 磁悬浮高效低温余热发电技术，能够有效提升能源利用率

磁悬浮高效低温余热发电技术是将较低温度的烟气余热利用起来的技术，是提升能源利用率的重要途径之一，尤其在当今陶瓷工业成本逐步攀升时期(使用天然气，环保)，对于中大型陶瓷企业而言，是降低成本的有效方法。

磁悬浮余热发电技术可与技术成熟的高温热回收产品搭配使用，综合发电效率提高15%以上。传统的工业高温余热回收主要是采用汽轮机进行水蒸汽朗肯循环，该循环过程中的大量凝结潜热无法回收。针对这种情况，国外主要采用水蒸汽朗肯循环+有机朗肯循环的复叠梯级利用模式，来提高余热的利用率。

使用低温余热发电系统，在降低工业排放废热温度的同时，也降低了废热(废烟、废水)的综合治理成本，在实现发电系统自身经济效益的同时，走出了一条工业废热治理循环经济的新途径。

磁悬浮余热发电技术可针对不同的行业废热处理工艺，可以实现按系统总体经济性能最优的目标来调整余热的吸收量。

4.2 磁悬浮余热发电技术系统

磁悬浮余热发电技术系统主要由磁悬浮涡轮发电机(核心机)、数字电控柜、蒸发器、冷凝器、工质泵等部件组成。系统利用有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle)，将工业低温(80～250 ℃) 废热液、废热烟气等通过换热，形成高压有机蒸气，从而吹动涡轮做工发电。

磁悬浮涡轮发电机(核心机)是低温余热发电产品的核心部件，主要由涡轮、高速永磁同步发电机和磁悬浮轴承系统组成。

磁悬浮低温余热发系统电机组的可利用80～250 ℃的工业废热(废热水、废烟气、余热蒸汽)发电，热电转换效率可达13%以上(额定工况下)。可达到零燃料(废热成本不计)、减少热排放、高效回收废热、清洁输出电力的目的。

磁悬浮余热发电系统采用标准化/模块化设计，在不改变用户原生产工艺的前提下进行废热回收，广泛适用于多种高能耗行业，如：电力、钢铁、水泥、化工、冶金、制药等。可并联扩展，能满足余热丰富应用场合的热回收和发电需求。模块化设计同时降低了设计成本和产业化的难度。

实践证明，陶瓷工业烟气余热利用技术是可行的，其充分利用陶瓷工业烟气的热量，既节约了能源，也对地球环境做出了一份贡献，上述几种节能方式已经在一些陶瓷企业采用，一种或几种叠加使用，普遍反映良好,取得了显著的节能效益，其节能率为18%～35%，日耗燃煤可节约20%～30%，CO2、SO2、NOx及粉尘等污染物的排放总量分别减少16%、16%、16%和25%以上。

陶瓷工业烟气余热利用技术一定是与时俱进，不同的时期烟气余热利用技术的方式是不尽相同的。总体而言，能源的利用是由粗放型逐步向精细型方向发展，能源的利用率在逐年提高。陶瓷行业作为高能耗、高消耗的行业，在目前的大环境下，一定要深挖能源、利用潜能，在生产工艺过程中，围绕提升能源利用率对各项节能技术进行实施、坚持陶瓷工业余热利用技术自主创新，研发新型节能技术及余热利用设备，发展循环经济和陶瓷热工装备技术革新，都可以实现节能目标，为发展低碳经济发挥出举足轻重的作用。陶瓷工业余热综合利用技术的运用，将有力地推动陶瓷行业产业转型升级，加快发展低碳经济的步伐，从而为陶瓷企业建立节能、清洁、循环、低碳的新型生产方式提供强有力的科技支撑。