陶瓷行業窯爐余熱的綜合利用

摘要 本文介紹了一套窯爐余熱利用的優化方案，包括窯爐煙氣的熱利用、尾冷余熱經急冷加熱后的熱利用、熱交換區和抽熱風的熱利用，不僅能充分利用窯爐余熱，節能降耗，并且使用該優化方案后，每年均能節省相當可觀的費用，具有一定的社會效益和經濟效益。

關鍵詞 窯爐余熱，綜合利用，優化方案

1前 言

陶瓷行業是一個高能耗的行業，尤其是噴霧造粒、干燥和窯爐三個環節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節高升，按建筑陶瓷廠提供的綜合數據，僅燃料成本一項差不多就占了整個陶瓷行業成本的1/4～1/3，而窯爐由于是高溫燒成設備，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。為了實現節能減排，現在各個陶瓷廠已經進行了各種各樣的節能改造，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) 煙氣會對干燥設備造成腐蝕，同時對生產環境產生污染。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拋光磚的生產來計算煙氣和余熱的利用情況。具體生產參數為:日產量為15000m²/天，燒成后重為24kg/m₂磚，燃料為發生爐煤氣(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

窯爐煙囪出口的溫度為400℃(該溫度為不配冷風時的平均溫度，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)的熱風爐前(主要用于補充熱量以滿足噴霧干燥塔所需溫度)，此時的溫度為350℃。產品單位熱耗按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=日產量÷24×產品單重×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——窯頭或其它區域綜合漏入的冷風系數，取1.3

t₁——排出煙氣的溫度，400℃

t₀——環境溫度，取20℃

煙氣質量: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進行計算:

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

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——窯爐煙氣的質量，kg/h

Δt₁=煙氣溫度-塔排出溫度，℃

2.1.3 每年利用煙氣可節省的費用

國內發生爐煤氣的價格按0.3元/m³計算，每天24小時，每年正常生產日按330天算，則每年利用煙氣可節省費用為:

0.3×1092×24×330=2594592元/年

2.2 尾冷余熱風在急冷區加熱后再用作助燃風(空氣)

2.2.1相關參數

助燃風的溫度可加熱到150℃。先將尾冷冷卻余熱(由于其溫度偏低，目前普遍將其排空)接到助燃風機入口，在助燃風出口再利用急冷熱量提溫，通過數根熱交換管(需注意避免影響現有冷卻系統和窯壓)收集熱量后匯總到助燃風出口，兩者混合后可將助燃風出口溫度提升到150℃，經過助燃風主管保溫后再送到每個燒嘴的溫度約為120℃，據此可計算出助燃風量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，取1.3

t₂——加熱后助燃風的溫度，120℃

t₀——環境溫度，取20℃

助燃風質量: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進行計算:

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

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——窯爐助燃風的質量，kg/m³

Δt₂=空氣溫度-環境溫度(按20℃計算)，℃

2.2.3 每年加熱助燃風可節省的費用

國內發生爐煤氣的價格按0.3元/m³計算，每天24小時，每年正常生產日按330天算，則每年利用加熱助燃風可節省的費用為:

0.3×245×24×330≈582120元/年

2.3 熱交換區和抽熱風的利用(送入干燥器)

2.3.1相關參數

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

m₄=cp₃m₃Δt₃/(cp₄Δt₄)

式中:

m₄——急冷風單位時間的質量，kg/h

cp₃——磚的質量比熱容，查表取0.26kCal/(kg·℃)

m³——磚單位時間的質量，kg/h

Δt₃——磚經過急冷區的溫度差，Δt₃=1080-600=480℃

Δt₄=急冷后風的溫度-環境溫度=600-20=580℃

c_p4——急冷風平均溫度310℃時的質量比熱容， 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——熱交換風單位時間的質量，kg/h

c_p3——磚的質量比熱容，查表取0.26kCal/(kg·℃)

m₃——磚單位時間的質量，kg/h

Δt₅——磚經過熱交換區的溫度差，Δt₅=600-450=150℃

Δt₆=熱交換區風的溫度-環境溫度=250-20=230℃

c_p6——熱交換風平均溫度135℃時的質量比熱容，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——尾冷風單位時間的質量，kg/h

c_p3——磚的質量比熱容，查表取0.26kCal/(kg·℃)

m₃——磚單位時間的質量，kg/h

Δt₇——磚經過尾冷區的溫度差，Δt₇=450-80=370℃

Δt₈=尾冷區風的溫度-環境溫度=250-20=230℃

c_p8——尾冷風平均溫度135℃時的質量比熱容，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進行計算:

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

836832÷1450≈577m³/h

式中:

Q₃——200℃余熱風帶入的熱量，kCal/h

c_p9——140℃空氣的比熱容，kCal/(kg·℃)

m₃——余熱風單位時間的質量，kg/h

Δt₉=余熱風溫度-干燥排濕溫度(按100℃算)，℃

2.3.3 每年余熱風利用可節省的費用

國內發生爐煤氣的價格按0.3元/m³計算，每天24小時，每年正常生產日按330天算，則每年利用余熱風可節省的費用為:

0.3×577×24×330=1370952元/年

3結果分析及須注意的問題

3.1 每年節省的費用

煙氣和余熱利用節省的費用列于上表。

從該表可以看出，煙氣和冷卻余熱經上述優化方案利用后，每年創造的效益相當可觀。

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，會對干燥設備的框架產生腐蝕，縮短設備的使用壽命;若調試不當，干燥器正壓過大，煙氣漏入車間內過多，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，塔內壁全部為不銹鋼材質，抗煙氣腐蝕能力好，設備使用壽命長;第二，噴霧干燥塔為負壓操作，氣體不會逸到車間內，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保處理，達標后排入大氣;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生大的污染，能滿足生產的要求。

(2) 注意的問題

由于干燥塔一般為間隙式操作，而窯爐則是連續運轉的，如何保證兩者不干擾、少干擾則成為控制的關鍵所在，必須要有一個合理的設計才能滿足生產的需要。

3.2.2 冷卻余熱利用方面

由于冷卻余熱風基本上是干空氣，送到干燥器的區域范圍和調節則成為關鍵，否則會產生干燥缺陷。摩德娜公司設計的這套系統從實際使用情況來看，幾乎沒有發生干燥磚坯容易產生的開裂缺陷，其結果讓廠方非常滿意。

4 結 語

從上述分析可以看出，以上余熱利用的優化方案，在窯爐煙氣利用方面均不同于現有廠家的一般做法，并且額外利用了窯爐尾冷余熱風，所有煙氣和余熱幾乎全部利用并且未產生新的不利因素。在該余熱利用的優化方案中，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，經水洗脫硫排放后，達到了最佳的環保節能狀態。

參考文獻

[1] 蔡悅民主編.硅酸鹽工業熱工技術[M].武漢工業大學出版社，1997.

[2] 孫晉濤主編.硅酸鹽工業熱工基礎[M].武漢工業大學出版社，1992.