鑄石生產(chǎn)中熱源再利用的研究

李春江 李玖洲（四川省川東鑄石有限責(zé)任公司，四川 渠縣 635200）

1 研究背景及意義

當(dāng)今世界，能源問題日益突出，環(huán)境污染不斷加劇，全球氣候變暖已成不爭的事實(shí)，人類社會(huì)面臨重大挑戰(zhàn)。開展節(jié)能減排，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展，是人類的共識(shí)與責(zé)任。我國高度重視節(jié)能減排工作，把節(jié)約資源確定為基本國策，提出了建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的目標(biāo)。

本文研究的主題是，在不改變生產(chǎn)工藝、不影響產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)省改造成本的前提下，通過技術(shù)手段提高能源利用率，即調(diào)整或改造燃燒系統(tǒng)，將直排的高溫?zé)煔猓ㄓ酂幔┻M(jìn)行再利用，增加熱風(fēng)助燃等措施，形成能源使用的循環(huán)經(jīng)濟(jì)，從而達(dá)到更高的節(jié)能減排目的。這種方式的節(jié)能工作屬于真正意義上的節(jié)能，符合當(dāng)前國家的能源政策，對(duì)鑄石行業(yè)和類似高能耗企業(yè)的節(jié)能減排工作，都具有借鑒、參考價(jià)值和重要的現(xiàn)實(shí)意義。

鑄石生產(chǎn)的主要工藝流程[1][2]：

其配套的熱工設(shè)備主要由熔化爐、結(jié)晶窯、退火窯組成，屬于高能耗行業(yè)。我公司新建的生產(chǎn)線，以節(jié)能減排為原則選用國內(nèi)先進(jìn)鑄石生產(chǎn)工藝設(shè)備：井式熔爐熔化配方料，輥道式結(jié)晶窯結(jié)晶，隧道式退火窯退火，均以天然氣為燃料，溫度實(shí)行自動(dòng)控制。具體方案是熔化爐的助燃系統(tǒng)采用30kW離心式鼓風(fēng)機(jī)供冷風(fēng)，排煙系統(tǒng)采用7.5kW鍋爐離心引風(fēng)機(jī)，煙氣采用水冷等措施處理后排空（煙氣排空溫度250℃左右），每天耗天然氣7000～9000m3。結(jié)晶窯和退火窯助燃系統(tǒng)采用18.5kW離心通風(fēng)機(jī)（變頻），在退火窯強(qiáng)降溫帶轉(zhuǎn)換熱風(fēng)供結(jié)晶窯、退火窯助燃，風(fēng)溫達(dá)120～150℃，煙氣通過水冷處理后用15kW鍋爐離心引風(fēng)機(jī)排空（煙氣排空溫度100℃左右），每天耗天然氣2500～3000m3。該生產(chǎn)線每天生產(chǎn)鑄石產(chǎn)品23～28t，每噸產(chǎn)品耗天然氣432m3左右，加上模具、木柴等其它能耗共計(jì)591.6kgce，耗電103.6kW·h，耗水1.5t。與鑄石國家能耗標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)900kgce/t相比節(jié)約34.3%，而且采用清潔能源，做到了清潔生產(chǎn)，成為國內(nèi)鑄石行業(yè)清潔生產(chǎn)示范線，獲得國家創(chuàng)新基金項(xiàng)目資金補(bǔ)助和多項(xiàng)省、市級(jí)科技成果。

雖然這條鑄石生產(chǎn)線節(jié)能已取得較好效果，但其能耗仍還有591kgce/t，而且電耗比國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要高。科技進(jìn)步永無止境，節(jié)能是永恒的主題，我們將持續(xù)改進(jìn)有效利用熔爐煙氣1050℃余熱和解決熔爐熱風(fēng)助燃等問題，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能目的，這是本文研究的主要內(nèi)容。

2 余熱利用方案與論證

2.1 余熱利用設(shè)想方案

我們擬定的余熱再利用方案有兩個(gè)重點(diǎn)：一是將井式熔爐的煙氣單獨(dú)排放系統(tǒng)取消，將煙氣直接引入結(jié)晶窯，作為該窯的加熱熱源；二是將結(jié)晶窯和退火窯共用助燃系統(tǒng)的熱風(fēng)引入熔化爐，作為助燃空氣。通過上述兩項(xiàng)技術(shù)措施，進(jìn)一步提高能源利用率，達(dá)到節(jié)能減排的更佳效果。

2.2 論證的基礎(chǔ)資料與計(jì)算[3]

2.2 .1 燃料物化性能

1)天然氣的化學(xué)成分如表1

表1 天然氣化學(xué)成分表

2)相對(duì)密度（對(duì)空氣）：0.581

3)臨界溫度（Ok）：194.33

4)臨界壓力（絕對(duì)大氣壓，MPa）：46.21

5)低位發(fā)熱量（kcal/Nm3）：8500

2.2 .2 燃料燃燒計(jì)算（采用近似計(jì)算法）[4]

1) 標(biāo)準(zhǔn)情況下每1m3天然氣發(fā)熱量（值）計(jì)算

即標(biāo)準(zhǔn)情況下每1m3天然氣發(fā)熱量為：8426 kcal/Nm3(接近資料值8500kcal/Nm3)。

2) 燃燒所需空氣量計(jì)算

理論空氣需要量：

實(shí)際空氣需要量需要引入修正值，一般情況α=1.1，燃燒所需空氣量為：

3) 燃燒產(chǎn)物量計(jì)算

燃燒產(chǎn)物體積和空氣需要量之差值△V

理論燃燒產(chǎn)物量：

一般情況α=1.1～1.2,燃燒產(chǎn)物量為:

=10.632～11.6Nm3/Nm3

4)燃燒溫度計(jì)算

量熱計(jì)溫度：

設(shè)α=1.05～1.1，t燃=20℃，t空=20℃，C空=0.31kcal/Nm3·℃，t煙=2000℃，C煙=0.398kcal/Nm3·℃

C燃=0.01×[CH4·CCH4+CO·CCO+H2·CH2+N2·CN2+H2O·CH2O]

=0.01×[96.67×0.3782+0.13×0.311+0.07×0.3056+2.24×0.3104+0.5×0.3567]

=0.37496（kcal/Nm3·℃）

t量=[8500+0.37496×20+(1.05 ～ 1.1)×8.6 475×0.31×20]÷(0.398×10.632)

=(8563.794425 ～ 8566.47515)÷4.231536

= 2023.803～2024.44（℃）

實(shí)際燃燒溫度：

隧道窯、輥道窯、井式熔窯：

η=0.8～0.9，取η=0.85

t實(shí)=ηt量=0.85×2024=1720（℃）

2.3 可利用的余熱熱源分析計(jì)算[5]

熔爐排煙煙道（冷卻點(diǎn)前離熔爐排煙口距15m處）檢測(cè)溫度高達(dá)1050℃，煙氣需要大量的水（每天耗水30t以上）來強(qiáng)制冷卻才能通過風(fēng)機(jī)外排，否則風(fēng)機(jī)不能工作，并且外排這么高溫的煙氣是環(huán)保不允許的。將熔爐排出的高溫?zé)煔庖胫两Y(jié)晶窯內(nèi)，從1050℃降至600℃所釋放出的熱值計(jì)算：

已知：目前井式熔爐耗天然氣量約5500m3／d，則B=229.2m3／h。

1050 ℃時(shí)，C廢=0.3705kcal／Nm3·℃；600℃時(shí)，C廢=0.356 kcal／Nm3·℃

根據(jù)公式

每小時(shí)釋放可利用的熱量為

=229.2×10.52975×(389.025-213.6)

=423374 （kcal）

2.4 輥道窯所需熱量的熱平衡計(jì)算[5]

結(jié)晶窯為隔焰式燃燒，總長度37.8m，前26m均布13個(gè)燒嘴，26～33m區(qū)間靠煙氣升溫，33～37.8m區(qū)間溫度靠模具和鑄石制品的自身熱能延續(xù)保證。結(jié)晶窯的核化帶溫度一般控制在820～850℃，升溫帶的溫度控制在850～950℃，晶化帶的溫度控制在880～920℃，排出煙氣溫度約600℃（經(jīng)地下煙道供退火窯預(yù)熱空窯車用）。

1）每立方米天然氣在輥道結(jié)晶窯內(nèi)燃燒后所釋放的熱量：

2）2010 年上半年，本生產(chǎn)線進(jìn)入正常生產(chǎn)狀態(tài)時(shí)，結(jié)晶、退火工序耗天然氣約為2250m3／d，其中結(jié)晶耗氣占55～60%，取57%則得：

2250×57 %=1282.5m3/d

結(jié)晶用天然氣：1282.5÷24=53.44m3/h

3）井式熔爐高溫?zé)煔馓峁┙o輥道結(jié)晶窯的熱量相當(dāng)于天然氣在該窯內(nèi)燃燒的有效數(shù)量：

B效=Q釋／Q燃

=423374÷8166.217=52m3/h

此即為每小時(shí)節(jié)約的天然氣量，近似于每小時(shí)結(jié)晶所使用的天然氣量，說明結(jié)晶用的熱量完全可以由余熱利用來替代。而現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，采用此種節(jié)能改造后，結(jié)晶窯的天然氣燒嘴可以完全關(guān)掉，說明理論和實(shí)踐是一致的。

2.5 助燃熱風(fēng)需要量計(jì)算[6]

隧道退火窯冷卻制品的抽熱風(fēng)機(jī)：功率18.5kW，鍋爐離心引風(fēng)機(jī)（變頻），轉(zhuǎn)速2900r／min，全壓4001Pa，流量8896 m3／h。

1）原設(shè)計(jì)此熱風(fēng)只供結(jié)晶窯和退火窯作助燃用，其用量：

設(shè)兩窯天然氣用量2500m3/d，每小時(shí)為104.2m3/h。

熱空氣需用量為：

2）剩余的大量熱風(fēng)可供給井式熔爐作助燃熱風(fēng)計(jì)算如下：

井式熔爐天然氣用量為：5500m3/d，則B=229.2m3/h。

助燃熱空氣需要量為：

3）由于風(fēng)機(jī)工作量8896 m3／h遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)晶窯、退火窯以及井式熔爐的之和4914 m3/h，說明可以滿足此改造后煙氣排放要求。

2.6 結(jié)果

通過上述綜合分析和熱工計(jì)算，可以得出如下結(jié)果：

1）井式熔爐煙氣釋放的熱量，能滿足結(jié)晶窯加熱所需的熱量，結(jié)晶窯的加熱裝置可以停止使用。

2）結(jié)晶窯和退火窯合用排煙風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)壓性能，由于結(jié)晶窯燒嘴停燒，減少了煙氣量，因而也能適應(yīng)熔爐煙氣排放的技術(shù)要求。

3）由退火窯冷卻帶余熱轉(zhuǎn)換的助燃熱風(fēng)數(shù)量較大，經(jīng)阻力計(jì)算，完全可以滿足熔爐、結(jié)晶窯、退火窯所有燒嘴的助燃需要。

4）每小時(shí)節(jié)約天然氣52m3

3 方案研究的現(xiàn)狀及可行性

3.1 目前余熱研究現(xiàn)狀及相關(guān)技術(shù)

在當(dāng)今社會(huì)里，節(jié)能已成為繼煤炭、電力、石油和天然氣之后的“第五能源”。而現(xiàn)在的工業(yè)窯爐使用中普遍存在著熱量利用率低下，排放煙氣余熱溫度過高，以及煙氣內(nèi)污染環(huán)境氣體含量過高等問題。目前工業(yè)窯爐是我國主要的熱能設(shè)備，隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源消耗日益增加，城市大氣質(zhì)量日益惡化的問題越發(fā)突出。在熱能方面能耗高、污染大的主要原因之一就是窯爐的煙氣排放，窯爐排煙問題一方面在于煙氣污染物的直接污染，另一方面就是過高的排煙溫度。

近十年來，由于能源緊張，隨著節(jié)能工作進(jìn)一步開展。各種新型、節(jié)能先進(jìn)窯爐日趨完善。采用先進(jìn)的燃燒裝置強(qiáng)化了燃燒，降低了不完全燃燒量。然而，降低排煙熱損失和回收煙氣余熱的技術(shù)仍進(jìn)展不快。為了進(jìn)一步提高窯爐的熱效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，利用煙氣余熱也是一項(xiàng)重要的節(jié)能途徑。

美、日、蘇等工業(yè)發(fā)達(dá)國家都十分重視對(duì)工業(yè)煙氣余熱的回收利用，把熱管換熱器的研制、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用工作放在優(yōu)先發(fā)展的位置，這就是熱管換熱器迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的原因。

目前，國內(nèi)外煙氣余熱回收裝置大多采用金屬換熱材料，主要結(jié)構(gòu)形式有回轉(zhuǎn)式換熱器、焊接板（管）式換熱器、熱管換熱器、熱媒式換熱器等。鑄石行業(yè)只有井式熔爐采用熱管換熱器進(jìn)行余熱利用。

3.2 該技術(shù)的可行性

本項(xiàng)目研究的煙氣余熱是采用煙道直接將煙氣余熱引入結(jié)晶窯，作為結(jié)晶窯的熱源。結(jié)晶窯隔煙板留有一定縫隙，并且前段縫隙稍大，逐步減少，直至全封閉，使之有一部分煙氣由于微正壓的關(guān)系而直接排出，這樣就能保證各區(qū)間溫度需求。

通過理論分析和熱平衡計(jì)算，設(shè)計(jì)將原熔化爐供風(fēng)、排煙系統(tǒng)取消，采用結(jié)晶窯和退火窯的供風(fēng)、排煙系統(tǒng)，同時(shí)從退火窯強(qiáng)降溫段采用散熱板轉(zhuǎn)換熱風(fēng)供熔化爐、結(jié)晶窯、退火窯助燃；熔爐煙氣通過結(jié)晶窯作為熱源利用后，余熱還有600℃左右，在結(jié)晶窯尾33m處設(shè)有排煙口，窯內(nèi)煙氣可通過排煙口、支煙道、總煙道，煙道豎井向退火窯內(nèi)供熱，然后從側(cè)墻將煙氣抽走排空，達(dá)到預(yù)熱空窯車的目的。熔爐高溫?zé)煔馔ㄟ^結(jié)晶窯和退火窯余熱利用，其煙氣排空溫度降至100℃以下。

該方案在我公司鑄石生產(chǎn)線反復(fù)試驗(yàn)，已取得可靠的技術(shù)參數(shù)，形成穩(wěn)定的工藝制度。我們認(rèn)為該技術(shù)先進(jìn)可行，填補(bǔ)了國內(nèi)鑄石行業(yè)熔爐高溫?zé)煔庵苯右虢Y(jié)晶窯進(jìn)行余熱利用和燃燒系統(tǒng)一體化的空白。

4 方案實(shí)施效果

以上研究，為我們擬定的節(jié)能減排方案的實(shí)施，提供了充分的理論依據(jù)?，F(xiàn)實(shí)中我們僅僅圍繞理論依據(jù)做出了改造升級(jí)，使設(shè)想變?yōu)榱藢?shí)際，取得了預(yù)期的效果。

4.1 節(jié)約天然氣

實(shí)施后每天耗天然氣6500m3，其中熔化爐5500m3，退火窯1000m3，每天產(chǎn)量23～28t，噸鑄石產(chǎn)品單耗263m3，加上模具、木柴等其它能耗共計(jì)375kgce/t。比實(shí)施前降低了32.43%，年可節(jié)約天然氣169×8000=135.2萬m3， 按 單 價(jià)2.86元/m3計(jì) 算， 折 幣：1352000×2.86=386.672（萬元）。

實(shí)施前、后的生產(chǎn)檢驗(yàn)及能耗記錄通過隨機(jī)抽樣，列出如下對(duì)比數(shù)據(jù)。

實(shí)施前天然氣每月單耗情況見表2

表2 實(shí)施前天然氣每月單耗情況(單位m3)

實(shí)施后天然氣每月單耗情況見表3。

表3 實(shí)施后天然氣每月單耗情況(單位m3)

4.2 節(jié)電

取消熔化爐助燃風(fēng)機(jī)和排煙風(fēng)機(jī)，現(xiàn)每噸鑄石耗電只有66.6kW·h，比實(shí)施前降低了35.71%。每年可節(jié)電297000kW·h， 按 單 價(jià)0.96元/kW·h計(jì) 算， 折 幣：297000×0.96=28.512（萬元）。

4.3 節(jié)水

余熱通過結(jié)晶窯利用后，不再需要水冷處理，這樣每噸鑄石耗水量由原來的1.5t降為0.3t，比實(shí)施前降低了80%。年可節(jié)水9600t，按單價(jià)2.7元/t計(jì)算，折幣：9600×2.70=2.592（萬元）。

4.4 環(huán)保效益

煙氣排空溫度由250℃降到100℃以下，并且每年減少煙氣排放量1386萬m3，更好地保護(hù)了環(huán)境。

5 討論

5.1 現(xiàn)實(shí)意義

推廣應(yīng)用新建一條以上的生產(chǎn)線，可減少投資50萬元以上。其中：可去掉30kW離心式鼓風(fēng)機(jī)2臺(tái)，7.5kW鍋爐引風(fēng)機(jī)2臺(tái)，取消熔爐排煙煙道和水冷處理系統(tǒng)；減少結(jié)晶窯部分燃燒裝置等。

該方案節(jié)能和環(huán)保效果明顯，每年可節(jié)約生產(chǎn)成本417.776萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，進(jìn)一步鞏固了行業(yè)示范生產(chǎn)線的成果。

5.2 對(duì)企業(yè)發(fā)展的推動(dòng)作用

該項(xiàng)目技術(shù)先進(jìn)，工藝布局合理，設(shè)備運(yùn)行可靠，節(jié)能效果明顯，成為國內(nèi)鑄石行業(yè)清潔生產(chǎn)示范線。目前國內(nèi)鑄石行業(yè)還以沖天爐熔化為主，輥道窯結(jié)晶、隧道窯退火生產(chǎn)工藝，燃燒系統(tǒng)獨(dú)立，污染嚴(yán)重，能耗較高，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)當(dāng)前國家對(duì)環(huán)保的要求，更不能滿足國家提倡的節(jié)能要求。故本項(xiàng)目具有很大的市場潛力，可在全國推廣應(yīng)用。

5.3 推廣到其它行業(yè)的前景

只要是多窯爐生產(chǎn)工藝就可將高溫?zé)煔馔ㄟ^煙道（管道）進(jìn)行余熱利用，所以推廣前景較好。

[1]《普通硅酸鹽工藝學(xué)》，武漢理工大學(xué)出版社；

[2]《鑄石制品生產(chǎn)工藝》，中國建筑工業(yè)出版社；

[3]《硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)》，化學(xué)工業(yè)出版社；

[4]《隧道窯設(shè)計(jì)手冊(cè)》，中國建筑出版社；

[5]《工業(yè)爐設(shè)計(jì)參考手冊(cè)》，冶金工業(yè)出版社；

[6]《新風(fēng)機(jī)產(chǎn)品樣本》，當(dāng)代中國出版社。