陶瓷工業(yè)煙氣余熱利用技術(shù)*

康建喜

(咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院 陜西 咸陽 712000)

前言

在國(guó)家環(huán)保大形勢(shì)影響下，我國(guó)建筑陶瓷行業(yè)制定了“十三五”節(jié)能減排規(guī)劃，將在“十三五”期間努力實(shí)現(xiàn)建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)節(jié)能減排全面達(dá)標(biāo)，力爭(zhēng)在“十二五”基礎(chǔ)上：萬元產(chǎn)值綜合能耗降低15%、煙氣粉塵排放總量減少20%、二氧化硫排放量減少40%、氮氧化物排放總量減少10%、二氧化碳排放總量減少10%、淘汰落后產(chǎn)能30%。

建筑陶瓷行業(yè)作為我國(guó)能源消耗大戶之一，尤其以民營(yíng)經(jīng)濟(jì)為主的建筑陶瓷行業(yè)，節(jié)能減排的任務(wù)非常艱巨。節(jié)能減排、低碳環(huán)保是時(shí)代需求，是陶瓷行業(yè)永遠(yuǎn)的追求,技術(shù)節(jié)能具有廣闊的發(fā)展空間。目前在建筑陶瓷工業(yè)中，主要的熱工設(shè)備有：噴霧干燥塔、陶瓷窯爐、陶瓷素坯干燥器三大類，噴霧干燥塔排放的煙氣溫度目前基本上都控制到85～95 ℃，素坯干燥器目前干燥溫度一般也是在100 ℃左右，基本上沒有利用的價(jià)值，可以利用余熱的主要熱工設(shè)備就是陶瓷窯爐。陶瓷工業(yè)使用窯爐主要有隧道窯、輥道窯、梭式窯三大類，其中輥道窯具有產(chǎn)量大、質(zhì)量好、能耗低、自動(dòng)化程度高、操作方便、勞動(dòng)強(qiáng)度低、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今陶瓷窯爐的發(fā)展方向。因此，對(duì)陶瓷輥道窯的余熱進(jìn)行綜合利用具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，將智能控制技術(shù)及裝備技術(shù)應(yīng)用在陶瓷輥道窯和其它耗熱設(shè)備上，通過優(yōu)化工藝和設(shè)備改進(jìn)實(shí)現(xiàn)能源高效利用是非常有意義的。

國(guó)內(nèi)外對(duì)陶瓷窯爐余熱利用的研究有很多，余熱利用在國(guó)外也很受重視，并將其視為陶瓷工業(yè)節(jié)能的主要環(huán)節(jié)，目前窯爐余熱已利用部分有高溫?zé)煔夂屠鋮s熱風(fēng)兩部分，國(guó)外對(duì)煙氣帶走的熱量和冷卻物料消耗的熱量占總窯爐耗能的這一數(shù)量可觀的余熱利用較好，國(guó)外將余熱主要用于干燥和加熱助燃空氣。目前歐洲陶瓷企業(yè)普遍采用在窯爐上安裝附加余熱利用裝置進(jìn)行余熱的再回收利用，對(duì)于排放煙氣的余熱利用亦采用換熱器進(jìn)行能量收集并輸送到所需場(chǎng)所，其綜合節(jié)能的效果十分顯著(熱效率達(dá)到80%～90%)。

近幾年來，由于廣大科技工作者的共同努力，我國(guó)在余熱利用方面，采用新技術(shù)、新材料、新工藝,使其生產(chǎn)能耗有了大幅度的降低,有的甚至已經(jīng)接近國(guó)際水平。余熱利用方面也取得了突出成績(jī)，進(jìn)行了多項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的研究。以下是幾種常用或可能會(huì)在將來要被推廣的余熱利用技術(shù)：噴霧干燥塔利用陶瓷窯爐余熱技術(shù)、多層強(qiáng)制對(duì)流快速坯體干燥技術(shù)、高溫空氣燃燒技術(shù)、燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)、磁懸浮余熱發(fā)電技術(shù)等。

為了高效回收利用煙氣余熱，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排技術(shù)的改造，筆者提出的幾項(xiàng)技術(shù)，根據(jù)不同生產(chǎn)工藝或單獨(dú)使用，或相互疊加，最終目的是提高燃料的燃燒效率，提高能源的利用效率，實(shí)現(xiàn)能量的高效高用，節(jié)約能源、減輕污染、降低企業(yè)的生產(chǎn)成本從而達(dá)到提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 噴霧干燥塔利用陶瓷窯爐余熱技術(shù)

1.1 高溫?zé)煔庾鳛閲婌F干燥塔的熱源

按照工藝使用能源的質(zhì)量(品質(zhì))要求，綜合分等級(jí)使用能源，充分、合理地回收煙氣和熱風(fēng)的余熱，將制粉、干燥和燒結(jié)的工藝過程中能源轉(zhuǎn)換和利用，綜合在一起統(tǒng)籌考慮，最終把沒有利用價(jià)值的廢氣集中到噴霧干燥塔的排氣口，集中進(jìn)行環(huán)保處理。

1.2 高溫?zé)煔飧稍锬酀{的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 制定合理干燥工藝

制粉、干燥和燒結(jié)的工藝過程中能源轉(zhuǎn)換和利用的實(shí)質(zhì)性問題，首先包括水分在制粉(空心圓形顆粒)的蒸發(fā)傳質(zhì)傳熱機(jī)理，尋求最佳的進(jìn)塔干燥熱風(fēng)的溫度；其次是坯體干燥過程中，坯體內(nèi)部傳熱及水分滲透、蒸發(fā)過程的基本原理，尋找適當(dāng)?shù)暮瑵窳亢蜏囟鹊臒犸L(fēng)和煙氣作為坯體干燥的介質(zhì)，并且選配適當(dāng)?shù)母稍飼r(shí)間，以達(dá)到最好的烘干效果；最后是通過合理預(yù)設(shè)的燒結(jié)溫度和時(shí)間,充分利用工藝過程中產(chǎn)品燒成時(shí)的物理、化學(xué)變化過程中的放熱和吸熱時(shí)間和數(shù)量的配合,合理選擇加熱、冷卻的溫度和過程配套的時(shí)間，改變或調(diào)整工藝，降低工藝能耗。

1.2.2 按能源的等級(jí)，按質(zhì)綜合使用能源

綜觀陶瓷產(chǎn)品從原料到成形的工藝過程，使用的載能熱流介質(zhì)溫度是從80 ℃到1 350 ℃的跨幅，善用溫度級(jí)差是整個(gè)成形工藝過程的關(guān)鍵節(jié)能問題。結(jié)合按質(zhì)用能，把載能熱流介質(zhì)統(tǒng)一傳輸?shù)接媚艿慕K端出口，綜合脫硫和去除NOx，回收固體顆粒，實(shí)現(xiàn)零排放。

2 高溫空氣助燃燒技術(shù)

2.1 高溫空氣助燃燒技術(shù)是節(jié)能減排的有效手段

高溫空氣助燃技術(shù)，是一種煙氣余熱極限回收燃燒技術(shù)，是陶瓷工業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效技術(shù)，是陶瓷企業(yè)實(shí)現(xiàn)成本降低的有效手段。高溫空氣燃燒的兩項(xiàng)基本燃燒手段：其一是最大限度地回收燃燒產(chǎn)物顯熱；其二是在低氧的氣氛下進(jìn)行燃料燃燒。燃料在高溫下和低氧空氣燃燒，燃燒和體系內(nèi)的熱工條件與傳統(tǒng)的燃燒過程有明顯區(qū)別。據(jù)統(tǒng)計(jì)，窯爐能耗占全國(guó)總能耗的1/4，而窯爐大部分能量歸結(jié)為排煙損失，估計(jì)每年全國(guó)這部分的能量超過5 000萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。就目前我國(guó)的陶瓷工業(yè)來看，雖然陶瓷產(chǎn)量遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家，但能源利用率與國(guó)外相比差距較大，陶瓷梭式窯的能源利用率低至15%～20%，而煙氣帶走余熱是熱量損失的主要部分。高溫燃燒技術(shù)采用高效回收煙氣余熱的蓄熱設(shè)備和高頻換向設(shè)備，能大大降低排煙溫度，燃料能量利用率達(dá)到90%。且由于燃料在高溫低氧的環(huán)境下燃燒，燃料緩慢放熱，不存在傳統(tǒng)的局部高溫區(qū)，也能有效降低CO2和氮氧化物的排放。

2.2 高溫空氣助燃燒技術(shù)系統(tǒng)

在陶瓷工業(yè)中，陶瓷燒成窯爐主要以連續(xù)式窯爐為主，如隧道窯、輥道窯、推板窯等。連續(xù)式窯爐的工作特點(diǎn)是：燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，在窯內(nèi)與陶瓷制品逆向運(yùn)動(dòng)，從窯爐的燒成帶流經(jīng)預(yù)熱帶，最后從排煙口排出。煙氣在流動(dòng)過程中將熱量以輻射、對(duì)流和導(dǎo)熱的形式傳遞給坯體、窯具和窯墻，最終以較高溫度排出窯外，在此過程中浪費(fèi)了大量的能源。陶瓷工業(yè)余熱極限回收技術(shù)，可以對(duì)窯爐的主煙道進(jìn)行改造，將主煙道截面分成2個(gè)相等的部分，分別安裝蜂窩陶瓷蓄熱體，通過四通換向閥及引風(fēng)機(jī)，構(gòu)成煙道蓄熱式煙氣余熱極限回收系統(tǒng)，通過高頻換向系統(tǒng)，即可完成窯爐煙氣余熱的極限回收，獲得高溫?zé)峥諝猓糜谥蓟蚺黧w干燥等方面。

3 燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

3.1 燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)陶瓷工業(yè)能源階梯組合的合理利用

熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)能夠獲得更高的能源利用效率。普通電廠通過燃料燃燒來加熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)，汽輪機(jī)再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，其整體利用率約30%。 若采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式，即讓蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)后

圖1燃起輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)在陶瓷廠應(yīng)用原理

不直接排放，而是再輸送到工廠繼續(xù)得到利用，則其整體利用率可達(dá)約70%，經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)相應(yīng)提高。因此，各國(guó)政府非常重視、推廣熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。一個(gè)國(guó)家能源利用率的高低，很大程度上與熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用多少相關(guān)。燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是一種新型的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，極大地提高了系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性，在陶瓷行業(yè)的應(yīng)用中，其整體的燃料利用率可達(dá)95%。

燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)在陶瓷廠的應(yīng)用原理如圖1所示。

根據(jù)國(guó)外經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行顯示，陶瓷廠家應(yīng)用燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)后，能源費(fèi)用節(jié)約在50%左右，不少于30%，投資回報(bào)率在3年左右，不超過5年 。

3.2 燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)解決環(huán)保問題、提高陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量

3.2.1 解決環(huán)保問題

根據(jù)目前情況，燃?xì)廨啓C(jī)廢氣的排放，滿足任何一個(gè)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)。這主要是因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)的燃燒室與普通燃燒室相比，采用了更多的新技術(shù)、新材料，同時(shí)，壓縮機(jī)壓入了足夠空氣，使得燃燒更為完全，排放指標(biāo)更好。

3.2.2 提高陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量

對(duì)于沒有燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)的干燥塔，當(dāng)加熱后的熱空氣與陶瓷漿料混合時(shí)，會(huì)將燃料燃燒后的有害成分和空氣中的雜質(zhì)一起混入，導(dǎo)致粉料中增加一定的雜質(zhì)。當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)，由于燃燒室的先進(jìn)性，燃料燃燒后的有害成分少，又因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)使用的空氣都是經(jīng)過過濾器過濾的，空氣中基本沒有雜質(zhì)，從而使得粉料質(zhì)量會(huì)有一定的提高，進(jìn)而提高了陶瓷產(chǎn)品的質(zhì)量。

4 磁懸浮余熱發(fā)電技術(shù)

4.1 磁懸浮高效低溫余熱發(fā)電技術(shù)，能夠有效提升能源利用率

磁懸浮高效低溫余熱發(fā)電技術(shù)是將較低溫度的煙氣余熱利用起來的技術(shù)，是提升能源利用率的重要途徑之一，尤其在當(dāng)今陶瓷工業(yè)成本逐步攀升時(shí)期(使用天然氣，環(huán)保)，對(duì)于中大型陶瓷企業(yè)而言，是降低成本的有效方法。

磁懸浮余熱發(fā)電技術(shù)可與技術(shù)成熟的高溫?zé)峄厥债a(chǎn)品搭配使用，綜合發(fā)電效率提高15%以上。傳統(tǒng)的工業(yè)高溫余熱回收主要是采用汽輪機(jī)進(jìn)行水蒸汽朗肯循環(huán)，該循環(huán)過程中的大量凝結(jié)潛熱無法回收。針對(duì)這種情況，國(guó)外主要采用水蒸汽朗肯循環(huán)+有機(jī)朗肯循環(huán)的復(fù)疊梯級(jí)利用模式，來提高余熱的利用率。

使用低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，在降低工業(yè)排放廢熱溫度的同時(shí)，也降低了廢熱(廢煙、廢水)的綜合治理成本，在實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)自身經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，走出了一條工業(yè)廢熱治理循環(huán)經(jīng)濟(jì)的新途徑。

磁懸浮余熱發(fā)電技術(shù)可針對(duì)不同的行業(yè)廢熱處理工藝，可以實(shí)現(xiàn)按系統(tǒng)總體經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)的目標(biāo)來調(diào)整余熱的吸收量。

4.2 磁懸浮余熱發(fā)電技術(shù)系統(tǒng)

磁懸浮余熱發(fā)電技術(shù)系統(tǒng)主要由磁懸浮渦輪發(fā)電機(jī)(核心機(jī))、數(shù)字電控柜、蒸發(fā)器、冷凝器、工質(zhì)泵等部件組成。系統(tǒng)利用有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle)，將工業(yè)低溫(80～250 ℃) 廢熱液、廢熱煙氣等通過換熱，形成高壓有機(jī)蒸氣，從而吹動(dòng)渦輪做工發(fā)電。

磁懸浮渦輪發(fā)電機(jī)(核心機(jī))是低溫余熱發(fā)電產(chǎn)品的核心部件，主要由渦輪、高速永磁同步發(fā)電機(jī)和磁懸浮軸承系統(tǒng)組成。

磁懸浮低溫余熱發(fā)系統(tǒng)電機(jī)組的可利用80～250 ℃的工業(yè)廢熱(廢熱水、廢煙氣、余熱蒸汽)發(fā)電，熱電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)13%以上(額定工況下)?？蛇_(dá)到零燃料(廢熱成本不計(jì))、減少熱排放、高效回收廢熱、清潔輸出電力的目的。

磁懸浮余熱發(fā)電系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化/模塊化設(shè)計(jì)，在不改變用戶原生產(chǎn)工藝的前提下進(jìn)行廢熱回收，廣泛適用于多種高能耗行業(yè)，如：電力、鋼鐵、水泥、化工、冶金、制藥等?？刹⒙?lián)擴(kuò)展，能滿足余熱豐富應(yīng)用場(chǎng)合的熱回收和發(fā)電需求。模塊化設(shè)計(jì)同時(shí)降低了設(shè)計(jì)成本和產(chǎn)業(yè)化的難度。

實(shí)踐證明，陶瓷工業(yè)煙氣余熱利用技術(shù)是可行的，其充分利用陶瓷工業(yè)煙氣的熱量，既節(jié)約了能源，也對(duì)地球環(huán)境做出了一份貢獻(xiàn)，上述幾種節(jié)能方式已經(jīng)在一些陶瓷企業(yè)采用，一種或幾種疊加使用，普遍反映良好,取得了顯著的節(jié)能效益，其節(jié)能率為18%～35%，日耗燃煤可節(jié)約20%～30%，CO2、SO2、NOx及粉塵等污染物的排放總量分別減少16%、16%、16%和25%以上。

陶瓷工業(yè)煙氣余熱利用技術(shù)一定是與時(shí)俱進(jìn)，不同的時(shí)期煙氣余熱利用技術(shù)的方式是不盡相同的?？傮w而言，能源的利用是由粗放型逐步向精細(xì)型方向發(fā)展，能源的利用率在逐年提高。陶瓷行業(yè)作為高能耗、高消耗的行業(yè)，在目前的大環(huán)境下，一定要深挖能源、利用潛能，在生產(chǎn)工藝過程中，圍繞提升能源利用率對(duì)各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行實(shí)施、堅(jiān)持陶瓷工業(yè)余熱利用技術(shù)自主創(chuàng)新，研發(fā)新型節(jié)能技術(shù)及余熱利用設(shè)備，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和陶瓷熱工裝備技術(shù)革新，都可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，為發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)揮出舉足輕重的作用。陶瓷工業(yè)余熱綜合利用技術(shù)的運(yùn)用，將有力地推動(dòng)陶瓷行業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，加快發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的步伐，從而為陶瓷企業(yè)建立節(jié)能、清潔、循環(huán)、低碳的新型生產(chǎn)方式提供強(qiáng)有力的科技支撐。