玻璃窯余熱鍋爐發(fā)電能力影響因素的研究

李國棟

（河北南玻玻璃有限公司，河北 廊坊 065600）

玻璃窯余熱發(fā)電回收玻璃窯爐排出的廢氣熱能，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵞茉措娔?，使玻璃生產(chǎn)裝置的燃料熱量利用效率能夠提高5%左右。余熱電站的發(fā)電量能夠滿足玻璃生產(chǎn)線用電量的60%到80%以上。自從2007年9月我國首條玻璃熔窯煙氣余熱發(fā)電項目的成功實施以來，國內(nèi)外學者和技術(shù)人員不斷改進和完善，并在業(yè)內(nèi)逐步推廣［1－3］。玻璃窯余熱電站的熱力設(shè)備主要由余熱鍋爐和汽輪發(fā)電機組組成，余熱鍋爐用來吸收煙氣的廢熱，生產(chǎn)過熱蒸汽，是提高熱能利用效率的關(guān)鍵設(shè)備，它的受熱面?zhèn)鳠嵝Ч?、有效傳熱面積是影響蒸汽產(chǎn)量和發(fā)電功率的直接因素。本文對影響余熱鍋爐的相關(guān)原因進行了分析，指出了提高余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量和提高余熱電站發(fā)電能力的途徑，對改善玻璃窯余熱發(fā)電能量利用效率具有一定的指導(dǎo)意義。

1 傳熱方式

1.1 對流

對流是在需要傳熱的流體和相對固定的設(shè)備壁面之間，流體與壁面接觸并發(fā)生相對運動，因兩者溫度不同導(dǎo)致的熱量交換形式。對流換熱系數(shù)是表達對流傳熱能力的比例系數(shù)，影響該參數(shù)的因素有：流動介質(zhì)和設(shè)備壁面之間的相對流速，流動介質(zhì)的物理狀態(tài)，設(shè)備壁面的狀態(tài)等，二者的相對速度和流動介質(zhì)是否發(fā)生汽液狀態(tài)轉(zhuǎn)變是影響最明顯的因素。

1.2 導(dǎo)熱

導(dǎo)熱發(fā)生在不同部位存在溫差的物質(zhì)內(nèi)部，或者存在溫差的相互接觸的不同物質(zhì)之間。導(dǎo)熱系數(shù)用來表征物質(zhì)的導(dǎo)熱能力大小，是物質(zhì)的固有屬性，一般情況下，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)明顯高于非金屬物質(zhì)。

1.3 輻射

輻射傳熱是非直接接觸的物質(zhì)之間，以電磁波的形式來傳播熱量，其傳播途徑為直線傳播，傳播速度最快。物質(zhì)的溫度大于絕對溫度時，就能夠以輻射的形式向外傳播熱量。某個物質(zhì)通過輻射吸收的熱量，是各個物質(zhì)之間輻射熱量的差額。

2 傳熱原理

現(xiàn)實生產(chǎn)中的傳熱過程，是在熱流體、設(shè)備壁面、冷流體之間進行的，熱流體的熱量通過對流、傳導(dǎo)、輻射三種方式通過設(shè)備壁面?zhèn)鬏數(shù)嚼淞黧w上，使冷流體獲得熱量。余熱鍋爐內(nèi)發(fā)生的傳熱過程也是這樣發(fā)生的，換熱管壁外面是高溫煙氣，煙氣的熱量通過管壁傳給管內(nèi)的鍋爐水或者蒸汽，熱量傳遞的公式：

Q代表傳熱量，單位焦耳；H代表受熱面積，單位為m2；K代表傳熱系數(shù)，單位是w／（m2·K）；Δt代表溫壓（即溫差），單位是℃。

3 提高發(fā)電量主要途徑

增加余熱電站的電能產(chǎn)量，和余熱鍋爐直接相關(guān)的因素是，在廢氣參數(shù)一定的情況下，余熱鍋爐能夠獲得更高的蒸汽產(chǎn)量和溫度、壓力。

玻璃窯煙氣具有以下特點：煙氣灰塵含量較低，但細密，顆粒小，粘附能力強，清灰困難；玻璃窯大多有換火操作，煙氣流量和溫度存在周期波動；玻璃窯產(chǎn)量波動時，窯爐漏風情況變化時，能夠?qū)е聼煔饬髁亢蜏囟劝l(fā)生較大范圍的波動，尤其是隨著窯爐運行時間延長，煙氣流量和溫度可能會達到10%以上的上漲。根據(jù)玻璃窯煙氣參數(shù)和特點，玻璃窯余熱鍋爐可以采取以下措施來增加蒸汽產(chǎn)量、提高蒸汽溫度和壓力的目的。

3.1 提高傳熱系數(shù)

玻璃窯余熱鍋爐運行實踐表明，余熱鍋爐換熱面上的積灰能夠大幅度降低換熱面的傳熱系數(shù)，對蒸汽產(chǎn)量產(chǎn)生明顯影響。如果不采取合理的鍋爐清灰方式，蒸發(fā)量隨著運行時間延長，會明顯下降：積灰嚴重時，運行一個月左右，蒸發(fā)量能夠下降25%。

高效的清灰裝置是余熱鍋爐保持較高的傳熱系數(shù)的重要保障。機械振打清灰裝置廣泛應(yīng)用在水泥窯余熱鍋爐上，因積灰性質(zhì)的區(qū)別，對玻璃窯余熱鍋爐換熱面進行機械敲打時清灰效果很差。在燃煤鍋爐上應(yīng)用效果較好的聲波清灰方式，也無法對玻璃窯余熱鍋爐換熱管上的積灰有效清除。蒸汽吹灰裝置設(shè)備復(fù)雜維護要求高，并且消耗過熱蒸汽，不適合用于過熱蒸汽產(chǎn)量較低的余熱鍋爐。弱爆清灰技術(shù)采用乙炔氣體爆燃的激波沖擊換熱管表面，在玻璃窯余熱鍋爐上充分合理的布置弱爆發(fā)生器時，能夠起到較好的清灰作用。實踐表明，即使在清灰裝置正常運行時，隨著玻璃窯余熱鍋爐運行時間的延長，余熱鍋爐總體傳熱系數(shù)也會因積灰變得越來越低。為了保證余熱鍋爐較高的蒸汽產(chǎn)量，根據(jù)余熱鍋爐積灰情況，每隔一個月到三個月，需要停爐進行水沖灰一次，這樣能夠更好的恢復(fù)余熱鍋爐的換熱能力［4］。

3.2 提高溫差

換熱管外的高溫煙氣和換熱管內(nèi)的汽水介質(zhì)溫差越大，則傳熱量會越大。余熱鍋爐內(nèi)的流體介質(zhì)有高溫煙氣和換熱管內(nèi)的鍋爐水或者蒸汽兩種，通過合理的布置換熱面管束，使換熱管內(nèi)和管外的兩種換熱介質(zhì)之間按照逆流和錯流的方式流動，這樣能夠提高換熱的平均溫差。

在余熱鍋爐進口煙氣溫度一定的情況下，為了盡可能多的從煙氣中取得熱量，達到提高發(fā)電量的目的，就需要盡量提高蒸汽壓力、溫度，降低余熱鍋爐出口的煙氣溫度。為此，余熱鍋爐采用分段吸熱的方式進行設(shè)計，換熱面從余熱鍋爐煙氣入口到出口按照過熱段、蒸發(fā)段、省煤器、熱水段的順序進行布置，不同換熱段管道里面的工質(zhì)壓力和溫度不同，和管外煙氣形成不同的溫差，完成不同的換熱目的：在過熱段把飽和蒸汽加熱為過熱蒸汽；在蒸發(fā)段爐水蒸發(fā)為飽和蒸汽；在省煤器把除氧水進行加熱升溫；熱水段用于生產(chǎn)低壓蒸汽或者實現(xiàn)鍋爐水的除氧。這樣布置換熱面，提高了平均溫差，能夠提高蒸汽產(chǎn)量；通過合理的設(shè)計過熱段，能夠獲得盡可能高的蒸汽壓力和溫度。

3.3 提高換熱面積

增加換熱面積就能夠增加與傳熱介質(zhì)的接觸面積，主要通過以下途徑［5］：直接增加換熱管的數(shù)量；在換熱管上面增加翅片等吸熱原件等。因為玻璃窯煙氣中的灰塵粘附力強，清灰困難，不適合采用翅片管，所以大多采用光管換熱器。考慮到換熱面積灰的影響和煙氣流量可能上升，在設(shè)計余熱鍋爐換熱面時，有效的措施就是布置足夠大的換熱面面積。

玻璃窯大多采用換火工藝，煙氣流量和溫度按照換火頻率波動，引起的廢氣入爐參數(shù)的波動。因為玻璃窯的換火時間很短，余熱鍋爐熱慣性很大，從蒸汽產(chǎn)量上看，玻璃窯換火導(dǎo)致的煙氣溫度波動不會對余熱鍋爐的蒸發(fā)量造成影響［6］。

余熱鍋爐設(shè)計足夠大的換熱面積，導(dǎo)致鍋爐的結(jié)構(gòu)尺寸明顯變大，鍋爐消耗的金屬材料數(shù)量上升，鍋爐的重量上升，因此導(dǎo)致余熱鍋爐制造成本上升?？紤]到余熱電站幾乎全年運行，正常運行年限能夠達到20年以上；余熱電站運行無需燃料消耗，純粹回收煙氣廢熱，因此經(jīng)濟效益良好，一般在5年左右就能夠回收全部項目投資。所以余熱鍋爐盡量采用較大的換熱面積，適度提高項目初期投資，會有明顯長期收益。

4 結(jié)論

總結(jié)和闡述了余熱鍋爐的傳熱過程、傳熱原理、提高發(fā)電效率的主要途徑和影響因素，對各類因素的影響力進行了分析，對玻璃窯余熱發(fā)電建設(shè)和運行具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

［1］ 莫德格，李團偉，張軍偉.廢熱鍋爐及設(shè)計計算簡介［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2006（7）：35.

［2］ 劉洪國.玻璃余熱鍋爐常見問題分析［J］.玻璃，2012（3）：17－18.

［3］ 張智斌，陸子龍.玻璃窯余熱發(fā)電鍋爐的優(yōu)化設(shè)計［J］.工業(yè)鍋爐，2012（6）：5－9.

［4］ 洪向道，徐振國，葉全樂，等.小型熱點站實用設(shè)計手冊［M］.北京：科學出版社，1994.

［5］ 劉成雄.玻璃熔窯余熱發(fā)電技術(shù)開發(fā)和設(shè)計應(yīng)用［J］.玻璃，2010（12）：13－16.

［6］ 李志偉，張波，何宏舟.1200t／d玻璃窯余熱發(fā)電系統(tǒng)運行參數(shù)選型［J］.電站系統(tǒng)工程，2013（3）：79－81.