陶瓷行業(yè)窯爐余熱的綜合利用

管火金

摘要 本文介紹了一套窯爐余熱利用的優(yōu)化方案,包括窯爐煙氣的熱利用、尾冷余熱經(jīng)急冷加熱后的熱利用、熱交換區(qū)和抽熱風(fēng)的熱利用,不僅能充分利用窯爐余熱,節(jié)能降耗,并且使用該優(yōu)化方案后,每年均能節(jié)省相當(dāng)可觀的費(fèi)用,具有一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞 窯爐余熱,綜合利用,優(yōu)化方案

1前 言

陶瓷行業(yè)是一個高能耗的行業(yè),尤其是噴霧造粒、干燥和窯爐三個環(huán)節(jié)需要消耗大量的熱能。隨著燃料價格的不斷上漲,各個陶瓷廠的成本節(jié)節(jié)高升,按建筑陶瓷廠提供的綜合數(shù)據(jù),僅燃料成本一項(xiàng)差不多就占了整個陶瓷行業(yè)成本的1/4～1/3,而窯爐由于是高溫?zé)稍O(shè)備,其燃料消耗和排放則居于首位。本文主要針對窯爐排放和余熱利用進(jìn)行了探討。

窯爐排放主要有窯頭煙氣排放和冷卻余熱排放兩種。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,現(xiàn)在各個陶瓷廠已經(jīng)進(jìn)行了各種各樣的節(jié)能改造,但主要措施仍然集中在將排煙和冷卻余熱用于干燥坯體方面。這樣操作主要存在以下問題:(1)余熱利用不夠充分(尾冷熱氣因溫度低一般都被排空);(2) 煙氣會對干燥設(shè)備造成腐蝕,同時對生產(chǎn)環(huán)境產(chǎn)生污染。下面主要介紹一下筆者所在公司的煙氣利用和余熱利用的優(yōu)化方案,供同行參考。

2窯爐余熱綜合利用的方案

本方案主要按600mm×600mm拋光磚的生產(chǎn)來計算煙氣和余熱的利用情況。具體生產(chǎn)參數(shù)為:日產(chǎn)量為15000m²/天,燒成后重為24kg/m₂磚,燃料為發(fā)生爐煤氣(熱值為1450kCal/Nm³)。

2.1 煙氣利用(全部送至噴霧干燥(器)塔)

2.1.1 煙氣參數(shù)

窯爐煙囪出口的溫度為400℃(該溫度為不配冷風(fēng)時的平均溫度,由于是超長窯,煙氣溫度較高,目前普遍配冷風(fēng)后再用于干燥器),通過保溫管道送到噴霧干燥(器)塔(以下簡稱塔)的熱風(fēng)爐前(主要用于補(bǔ)充熱量以滿足噴霧干燥塔所需溫度),此時的溫度為350℃。產(chǎn)品單位熱耗按650kCal/kg磚計算,每小時煙氣量V₁可通過以下公式計算得出:

V₁=V×n₁×a₁×(t₁+273)÷(t₀+273)

其中,水煤氣的消耗量V=日產(chǎn)量÷24×產(chǎn)品單重×單位能耗÷水煤氣熱值=15000÷24×24×650÷1450≈6724Nm³/h

V₁=6724×2.2×1.3×[(400+273)÷(20+273)]≈44171m³/h

式中:

n₁——煙氣量與水煤氣量的比值,查表得n₁=2.2

a₁——窯頭或其它區(qū)域綜合漏入的冷風(fēng)系數(shù),取1.3

t₁——排出煙氣的溫度,400℃

t₀——環(huán)境溫度,取20℃

煙氣質(zhì)量:m₁=ρ₁V₁=0.525×44171≈23190kg/h

式中:

ρ₁——400℃時煙氣的密度,查表得ρ₁=0.525kg/m³

2.1.2 煙氣提供給塔的熱量

假設(shè)煙氣從窯爐輸送到噴霧塔的溫度降低了50℃,則到塔的煙氣溫度為350℃,而噴霧塔排出煙氣的溫度約為90℃。在整個換熱過程中,窯爐煙氣的平均溫度為220℃。

平均溫度為220℃的煙氣比熱容查表并換算為:0.2625kCal/(kg·℃);每小時煙氣帶入熱量按公式Q₁=cp 1m₁Δt₁進(jìn)行計算:

Q₁=0.2625×23190×(350-90)≈1582718kCal/h,國內(nèi)發(fā)生爐煤氣的熱值約為1450kCal/m³,那么,相當(dāng)于發(fā)生爐的煤氣量為:

1582718÷1450≈1092m³/h

式中:

Q₁——350℃煙氣用于塔的熱量,kCal/h

cp₁——220℃煙氣的比熱容,kCal/(kg·℃)

m₁——窯爐煙氣的質(zhì)量,kg/h

Δt₁=煙氣溫度-塔排出溫度,℃

2.1.3 每年利用煙氣可節(jié)省的費(fèi)用

國內(nèi)發(fā)生爐煤氣的價格按0.3元/m³計算,每天24小時,每年正常生產(chǎn)日按330天算,則每年利用煙氣可節(jié)省費(fèi)用為:

0.3×1092×24×330=2594592元/年

2.2 尾冷余熱風(fēng)在急冷區(qū)加熱后再用作助燃風(fēng)(空氣)

2.2.1相關(guān)參數(shù)

助燃風(fēng)的溫度可加熱到150℃。先將尾冷冷卻余熱(由于其溫度偏低,目前普遍將其排空)接到助燃風(fēng)機(jī)入口,在助燃風(fēng)出口再利用急冷熱量提溫,通過數(shù)根熱交換管(需注意避免影響現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)和窯壓)收集熱量后匯總到助燃風(fēng)出口,兩者混合后可將助燃風(fēng)出口溫度提升到150℃,經(jīng)過助燃風(fēng)主管保溫后再送到每個燒嘴的溫度約為120℃,據(jù)此可計算出助燃風(fēng)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——空氣過剩系數(shù),取1.3

t₂——加熱后助燃風(fēng)的溫度,120℃

t₀——環(huán)境溫度,取20℃

助燃風(fēng)質(zhì)量:m₂=ρ₂V₂=0.898×16414≈14740kg/h

式中:

ρ₂——120℃空氣的密度,查表得ρ₂=0.898kg/m³

2.2.2 加熱后助燃風(fēng)提供的熱量

平均溫度70℃的空氣比熱容查表并換算為0.2414 kCal/(kg·℃);每小時熱空氣帶入熱量按公式Q₂=cp₂m₂Δt₂進(jìn)行計算:

Q₂=0.2414×14740×(120-20)≈355824kCal/h,國內(nèi)發(fā)生爐煤氣熱值約為1450kCal/m³,那么,相當(dāng)于發(fā)生爐的煤氣量為:

355824÷1450≈245m³/h

式中:

Q₂——120℃熱空氣帶入的熱量,kCal/h

cp₂——70℃空氣的比熱容,kCal/(kg·℃)

m₂——窯爐助燃風(fēng)的質(zhì)量,kg/m³

Δt₂=空氣溫度-環(huán)境溫度(按20℃計算),℃

2.2.3 每年加熱助燃風(fēng)可節(jié)省的費(fèi)用

國內(nèi)發(fā)生爐煤氣的價格按0.3元/m³計算,每天24小時,每年正常生產(chǎn)日按330天算,則每年利用加熱助燃風(fēng)可節(jié)省的費(fèi)用為:

0.3×245×24×330≈582120元/年

2.3 熱交換區(qū)和抽熱風(fēng)的利用(送入干燥器)

2.3.1相關(guān)參數(shù)

利用摩德娜公司開發(fā)的五層干燥器不需要煙氣,只用冷卻余熱風(fēng)就可滿足生產(chǎn)(通常一層、二層干燥器需同時利用煙氣及冷卻余熱)。急冷區(qū)直接鼓入的風(fēng)通過抽熱風(fēng)機(jī)排走并與熱交換區(qū)(間接冷卻區(qū))的熱風(fēng)混合,煙囪出口的溫度仍然可達(dá)到250℃(不配冷風(fēng)的平均溫度),再通過保溫管道送至干燥器的風(fēng)管接口,其溫度為200℃,余熱風(fēng)質(zhì)量m余可通過以下系列計算得出:

m₄=cp₃m₃Δt₃/(cp₄Δt₄)

式中:

m₄——急冷風(fēng)單位時間的質(zhì)量,kg/h

cp₃——磚的質(zhì)量比熱容,查表取0.26kCal/(kg·℃)

m³——磚單位時間的質(zhì)量,kg/h

Δt₃——磚經(jīng)過急冷區(qū)的溫度差,Δt₃=1080-600=480℃

Δt₄=急冷后風(fēng)的溫度-環(huán)境溫度=600-20=580℃

c_p4——急冷風(fēng)平均溫度310℃時的質(zhì)量比熱容, 查表并換算得0.2505kCal/(kg·℃)

最終計算得:m₄≈12885kg/h

m₆=c_p3m₃Δt₅/(c_p6Δt₆)

式中:

m₆——熱交換風(fēng)單位時間的質(zhì)量,kg/h

c_p3——磚的質(zhì)量比熱容,查表取0.26kCal/(kg·℃)

m₃——磚單位時間的質(zhì)量,kg/h

Δt₅——磚經(jīng)過熱交換區(qū)的溫度差,Δt₅=600-450=150℃

Δt₆=熱交換區(qū)風(fēng)的溫度-環(huán)境溫度=250-20=230℃

c_p6——熱交換風(fēng)平均溫度135℃時的質(zhì)量比熱容,查表并換算得0.2423kCal/(kg·℃)

最終計算得:m₆≈10497kg/h

m₈=c_p3m₃Δt₇/(c_p8Δt₈)

式中:

m₈——尾冷風(fēng)單位時間的質(zhì)量,kg/h

c_p3——磚的質(zhì)量比熱容,查表取0.26kCal/(kg·℃)

m₃——磚單位時間的質(zhì)量,kg/h

Δt₇——磚經(jīng)過尾冷區(qū)的溫度差,Δt₇=450-80=370℃

Δt₈=尾冷區(qū)風(fēng)的溫度-環(huán)境溫度=250-20=230℃

c_p8——尾冷風(fēng)平均溫度135℃時的質(zhì)量比熱容,查表并換算得0.2423kCal/(kg·℃)

計算得:m₈≈25893kg/h

則m余=(m₄+m₆+m₈-m₂)=34537kg/h

2.3.2 冷卻余熱提供的熱量

平均溫度140℃時空氣的比熱容查表并換算為0.2423kCal/(kg·℃),每小時熱空氣帶入的熱量按公式Q₃=c_p9m₃Δt₉進(jìn)行計算:

Q₃=0.2423×34537×(200-100)≈836832kCal/h,國內(nèi)發(fā)生爐煤氣的熱值約為1450kCal/m³,那么,相當(dāng)于發(fā)生爐煤氣的量為:

836832÷1450≈577m³/h

式中:

Q₃——200℃余熱風(fēng)帶入的熱量,kCal/h

c_p9——140℃空氣的比熱容,kCal/(kg·℃)

m₃——余熱風(fēng)單位時間的質(zhì)量,kg/h

Δt₉=余熱風(fēng)溫度-干燥排濕溫度(按100℃算),℃

2.3.3 每年余熱風(fēng)利用可節(jié)省的費(fèi)用

國內(nèi)發(fā)生爐煤氣的價格按0.3元/m³計算,每天24小時,每年正常生產(chǎn)日按330天算,則每年利用余熱風(fēng)可節(jié)省的費(fèi)用為:

0.3×577×24×330=1370952元/年

3結(jié)果分析及須注意的問題

3.1 每年節(jié)省的費(fèi)用

煙氣和余熱利用節(jié)省的費(fèi)用列于上表。

從該表可以看出,煙氣和冷卻余熱經(jīng)上述優(yōu)化方案利用后,每年創(chuàng)造的效益相當(dāng)可觀。

3.2 注意的問題

3.2.1 煙氣利用方面

(1) 煙氣用于噴霧干燥塔和干燥器的比較

1) 煙氣利用若用于干燥,由于其中含有二氧化硫等腐蝕性氣體,會對干燥設(shè)備的框架產(chǎn)生腐蝕,縮短設(shè)備的使用壽命;若調(diào)試不當(dāng),干燥器正壓過大,煙氣漏入車間內(nèi)過多,不僅會腐蝕廠房鋼架,也對工人的身體健康造成損害。

2) 煙氣若用于噴霧干燥塔則可避免以上問題。第一,塔內(nèi)壁全部為不銹鋼材質(zhì),抗煙氣腐蝕能力好,設(shè)備使用壽命長;第二,噴霧干燥塔為負(fù)壓操作,氣體不會逸到車間內(nèi),不會腐蝕廠房鋼架,不會傷害工人的身體健康。最后可將煙氣通過集中環(huán)保處理,達(dá)標(biāo)后排入大氣;第三,煙氣用于拋光磚底料及大部分粉料的噴霧干燥不會產(chǎn)生大的污染,能滿足生產(chǎn)的要求。

(2) 注意的問題

由于干燥塔一般為間隙式操作,而窯爐則是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的,如何保證兩者不干擾、少干擾則成為控制的關(guān)鍵所在,必須要有一個合理的設(shè)計才能滿足生產(chǎn)的需要。

3.2.2 冷卻余熱利用方面

由于冷卻余熱風(fēng)基本上是干空氣,送到干燥器的區(qū)域范圍和調(diào)節(jié)則成為關(guān)鍵,否則會產(chǎn)生干燥缺陷。摩德娜公司設(shè)計的這套系統(tǒng)從實(shí)際使用情況來看,幾乎沒有發(fā)生干燥磚坯容易產(chǎn)生的開裂缺陷,其結(jié)果讓廠方非常滿意。

4 結(jié) 語

從上述分析可以看出,以上余熱利用的優(yōu)化方案,在窯爐煙氣利用方面均不同于現(xiàn)有廠家的一般做法,并且額外利用了窯爐尾冷余熱風(fēng),所有煙氣和余熱幾乎全部利用并且未產(chǎn)生新的不利因素。在該余熱利用的優(yōu)化方案中,窯爐煙氣基本上做到了零排放,干燥器排出溫度低且為干凈氣體,而噴霧塔煙氣排放溫度也很低,經(jīng)水洗脫硫排放后,達(dá)到了最佳的環(huán)保節(jié)能狀態(tài)。

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