玻璃窯余熱利用關鍵技術問題的探討

胡 帆, 史慶璽, 任 冬, 吳曉光, 杜長澎

(天壕節能科技股份有限公司,北京 100082)

我國玻璃行業余熱發電經歷了從無到有的發展歷程,目前已有一批玻璃窯余熱電站投運,最長的運行時間已近兩年.從已投運項目的實際情況來看,行業內對玻璃窯余熱發電還存在認識不足、缺乏基礎理論研究、簡單照搬其他行業余熱發電技術和經驗的現象,這樣不僅無法實現最佳的煙氣余熱利用,造成煙氣余熱資源的二次浪費,而且還會對玻璃窯的安全生產帶來負面影響.

筆者長期從事余熱發電技術的研究工作,結合研發實踐提出做好工業窯爐煙氣余熱發電的三項基本原則:(1)余熱發電是工業窯爐的配套設施,余熱電站尤其是余熱鍋爐系統的啟、停、事故等操作不能影響工業窯爐的正常運行,不對窯爐的產量、質量和能耗造成影響;(2)需充分掌握煙氣余熱參數,根據煙氣余熱參數及煙氣特性優化設計余熱鍋爐及熱力系統,以獲得最大化的余熱利用率和熱電轉換效率,避免煙氣余熱資源的二次浪費;(3)需綜合考慮余熱發電、煙氣脫硫、脫硝和除塵的要求,實現煙氣治理的四位一體,同時實現節能降耗和環保排放達標的要求.

掌握玻璃窯煙氣余熱的特性,研究玻璃窯粉塵的積灰機理和煙氣的腐蝕特性是進行余熱鍋爐設計的重要基礎;研究如何調節和穩定玻璃窯的窯壓是保證玻璃窯及余熱鍋爐安全、可靠和穩定運行的重要先決條件.

1 玻璃窯的工作特點

玻璃窯是將玻璃原料在高溫下加熱,使之發生一系列物理化學反應形成玻璃液并實現玻璃液澄清和均化的重要熱工設備[1].

玻璃窯最重要的特點就是在一個窯齡內不停窯.窯齡是指玻璃窯自點火生產到停窯之間的時間周期,通常燃用重油的玻璃窯窯齡為8～10年,甚至更長.因此,玻璃窯對與其相關的設備、設施和材料的工作安全、穩定可靠要求極高.

玻璃窯余熱發電是玻璃窯的附屬配套工程,尤其余熱鍋爐系統是玻璃窯排煙通道上的重要設施,因此,余熱電站的設計和建設必須充分考慮玻璃窯不能停窯的特點.

2 玻璃窯的煙氣余熱特性

2.1 影響玻璃窯煙氣余熱參數的主要因素

煙氣余熱參數主要包括:煙氣流量、煙氣溫度、煙氣壓力、煙氣成分、粉塵特性(濃度、粒度、硬度、腐蝕、磨損、積灰、沉積與熔化).這些煙氣余熱參數(尤其是煙氣流量和煙氣溫度)會隨著工業窯爐工況的改變而產生一定的波動和變化.煙氣余熱特性主要有換熱特性、積灰特性、磨損特性和腐蝕特性等.只有準確掌握煙氣余熱參數和煙氣余熱特性,才能正確地進行余熱鍋爐系統的設計.

影響玻璃窯煙氣余熱參數的主要因素包括:(1)燃料種類及低位熱值;(2)燃料消耗量,與玻璃窯的拉引量、窯老期等因素有關;(3)玻璃窯總煙道、支煙道、空氣交換機、煙道閘板的漏風及保溫情況;(4)配合料析出氣體.

2.2 玻璃窯所使用的燃料

玻璃窯熔池的熔化溫度為1 500～1 600℃,熔化所需的熱量全部來自燃料燃燒放出的化學反應熱.目前,我國玻璃行業所使用的燃料有液體燃料、氣體燃料和固體燃料三大類.液體燃料主要有重油、筑路油和煤焦油等;氣體燃料主要有天然氣、發生爐煤氣、焦爐煤氣和煤層氣等;固體燃料主要有石油焦粉.

玻璃企業進行燃料選擇時通常要考慮燃料的供應價格、長期供應的保障性等,因此,玻璃窯存在燃用單種燃料和燃用多種燃料組合的情形.不同的燃料將導致不同的煙氣量、煙氣溫度、煙氣成分和粉塵特性.

2.3 傳統空氣助燃玻璃窯的煙氣余熱

傳統的玻璃窯采用蓄熱式高溫空氣燃燒技術,窯爐兩側設有蓄熱體,采用換向燃燒方式.冷空氣通過蓄熱體加熱到1 000～1 100℃后送入窯內參與燃料的燃燒,燃燒產生的煙氣經蓄熱體冷卻后排向總煙道.

通常,玻璃窯的排煙熱焓占總燃料輸入熱的35%～40%,有關玻璃窯的熱平衡見圖1[2].折算成熔化噸玻璃液排放出的煙氣熱焓為190×104～300×104kJ(具體數值取決于玻璃窯的熱耗水平),折算成熔化噸玻璃液排放出的煙氣量約3 000～4 500m3(具體數值取決于煙道及閘板的漏風),旋轉閘板處的煙氣溫度約500～560℃(具體數值取決于煙道及閘板保溫效果和漏風的情況),煙囪根的煙氣溫度為450～500℃.

圖1 玻璃窯熱平衡圖Fig.1 H eat balance diagram of g lass-m elting furnace

由于采用換向燃燒方式,在每個換火周期,玻璃窯排放的煙氣的余熱參數呈周期性頻繁波動.煙氣溫度波動范圍約±(30～50)℃,煙氣流量波動范圍約±(5 000～8 000)m3/h.典型的玻璃窯煙氣余熱參數隨換火周期的變化曲線見圖2.

圖2 玻璃窯煙氣流量及溫度的變化曲線Fig.2 Flow rate and tem perature of flue gas from glass-melting furnace

由于煙氣溫度周期性地頻繁波動,容易造成余熱鍋爐高溫過熱器金屬材料的蠕變變形.

2.4 全氧燃燒玻璃窯的煙氣余熱

玻璃窯采用全氧燃燒技術被譽為玻璃熔化技術的二次革命,代表今后的技術發展方向.與傳統空氣助燃的玻璃窯相比,全氧燃燒玻璃窯取消了蓄熱室、小爐和換火系統等,能顯著提高玻璃液質量,可使能耗降低12.5%～22%,甚至更高,廢氣排放量減少60%以上,氮氧化物NO x可減少80%～90%,是玻璃企業實現節能減排、提高產品質量和企業競爭力的重要途徑[3].

全氧燃燒玻璃窯的排煙余熱情況如下:在無稀釋風的情況下,熔化噸玻璃液排放出的煙氣量約500～1 300m3,玻璃窯排煙溫度為950～1 300℃.

2.5 煙氣成分

2.5.1 空氣助燃玻璃窯排煙煙氣成分

在燃用不同燃料的情況下,傳統空氣助燃玻璃窯(旋轉閘板處)排煙的煙氣成分見表1.

表1 空氣助燃玻璃窯排煙煙氣成分Tab.1 Flue gas composition of air-fuel glass-melting furnace %

在上述各種采用空氣助燃的情況下,煙氣成分中的水蒸氣含量有較大區別,CO2、SO2等三原子氣體含量越多,煙氣所攜帶的熱焓越大.

2.5.2 全氧燃燒玻璃窯排煙煙氣成分

在燃用不同燃料的情況下,全氧燃燒玻璃窯(旋轉閘板處)排煙的典型煙氣成分見表2.

全氧燃燒玻璃窯煙氣中水蒸氣的含量較多,N2及NO x的含量較低.

表2 全氧燃燒玻璃窯排煙煙氣成分Tab.2 Flue gas composition of oxygen-fuel glass-melting furnace %

2.6 煙氣粉塵

玻璃窯煙氣所攜帶的粉塵主要來自:(1)玻璃液表面蒸發、配合料揮發(約占顆粒物排放總量的80%);(2)燃料中的灰塵,如重油中的雜質、石油焦粉等;(3)部分細小的配合料顆粒被熔窯內的煙氣卷吸攜帶走.

玻璃窯煙氣粉塵是超細粉塵,通常粉塵粒徑尺寸為0.1～0.5μm,粉塵濃度為0.4～0.8 g/m3,粉塵的主要成分是各種硅酸鹽的化合物或共晶體,主要單體組 分有:SiO2、A l2O3、Fe2O3、CaO 、MgO、SO3、TiO2、K2O 、Na2O 、P2O5、M nO2等 ,這些單體組分在不同溫度區間組成復雜的化合物或共晶體,熔化溫度范圍較寬(350～1 100℃),大部分化合物或共晶體的熔點在700～900℃,呈弱還原性的熔融狀態.

玻璃窯煙氣粉塵中堿金屬(K2O+Na2O)質量分數為35%～40%,硫化物和硫酸鹽的質量分數為30%～50%(燃料不同,硫化物的含量也不同),堿金屬和硫化物或硫酸鹽的含量超過80%.玻璃窯煙氣粉塵中SiO2和A l2O3的質量分數為2%～10%,粉塵粒徑在0.1～0.5μm.

通過研究表明:玻璃窯粉塵在高溫環境下易結渣,在低溫環境下易沾污;粉塵中堿金屬與硫化物產生化學反應,腐蝕性強,容易產生高溫腐蝕和低溫腐蝕;粉塵易吸附水分,易溶于水;粉塵濃度小、粒徑細、不會發生磨損.此外,由于玻璃窯煙氣中水蒸氣份額較大,并含有一定的硫酸鹽蒸汽,這會加劇玻璃窯粉塵的沉積和腐蝕.

由此可見,因粉塵特性不同,在設計玻璃窯余熱鍋爐時不能簡單地照搬其他行業余熱發電的經驗,否則會影響余熱鍋爐的壽命和經濟性.

3 玻璃窯煙氣的積灰特性

3.1 玻璃窯煙氣的積灰機理

玻璃窯粉塵在窯池和蓄熱體的高溫段內多發生熔融性結渣.在煙氣溫度高于600～700℃時,煙道內易發生高溫沉積;在煙氣溫度低于600℃時,煙道內易發生低溫沉積.通過實踐證明,在玻璃窯余熱鍋爐受熱管上同時存在高溫沉積和低溫沉積現象,因此,本文重點討論玻璃窯粉塵高溫沉積和低溫沉積的積灰機理.

高溫沉積主要分兩層:內層(也稱原生層、第一層灰)主要成分是含有NaO2、K2O、SO3等的低熔點化合物,以液態形式沖刷到壁面然后附著在表面上,相當于黏合劑的作用;外層則是飛灰沉積在第一層灰上的梳形沉積物,生長速度很快.

在溫度低于300～600℃的煙道及鍋爐受熱面上發生低溫沉積,低溫沉積形成的積灰與冷卻在表面上的酸或水蒸氣凝結有關,主要是酸液或水蒸氣與飛灰凝聚在一起的產物,由三類物質構成:(1)酸腐蝕產生的腐蝕產物;(2)形成的低溫積灰捕捉到的碰到管子表面的飛灰;(3)酸液與飛灰中的鐵、鈣、鈉等反應形成的硫酸鹽[4].

玻璃窯余熱鍋爐受熱面管子上的積灰通常表現為三種形式:松散型積灰、黏結性積灰和黏附性積灰.靠近管壁的積灰層為黏附性積灰,其捕捉灰顆粒的能力較強,從而形成第二層即黏結性積灰層,最外層為松散型積灰.由于粉塵較細,松散型積灰到一定尺寸后,灰殼的強度不足,在重力作用下自行斷裂,因此最外層積灰具有中等以上的生長性.松散型積灰容易去除,黏結性積灰相對也容易去除,但黏附性積灰主要是揮發性物質或低熔點化合物在壁面上附著形成的,不容易去除.

玻璃窯煙氣在鍋爐內的積灰形態與煙氣速度和流動方向有關.積灰形態主要為雙鍥形積灰和熔變形積灰.

3.2 清除玻璃窯粉塵積灰的有效措施

由于玻璃窯粉塵中堿金屬和硫化物的含量多、煙氣中水蒸氣的含量大,使得玻璃窯余熱鍋爐容易積灰.因此設計余熱鍋爐時需要考慮:(1)如何避免積灰的無限制生長;(2)如何清理積灰.

通過研究和實踐驗證發現,玻璃窯余熱鍋爐產生的第一層灰的黏結性和黏附性極強,很難去除,這主要是因為細小顆粒沉積在管子凹凸的表面,附著力極強.

通過實踐證明,對于玻璃窯余熱鍋爐受熱面的積灰,用一定過熱度和一定壓力的過熱蒸汽(高溫高壓氣流)進行吹掃具有明顯的效果.采用過熱蒸汽吹灰不僅能吹掃附著力強的積灰,而且對減輕低溫腐蝕有很好的效果,這主要是因為吹掃蒸汽的過熱度較大,蒸汽不僅可以吹掃沉積在管子表面的積灰,而且其攜帶的熱量還可烘干管子表面,減慢低溫腐蝕的沉積速度.

3.3 自清潔煙氣流速的確定

避免和減緩積灰的生長不僅與清灰方式的選擇有關,也與煙氣流速的選擇密切相關.如果煙氣流速選擇合適,則能實現管子表面積灰的自清潔,能有效降低清灰裝置的使用頻率.

玻璃窯煙氣粉塵很細且粉塵濃度較低,屬黏結性積灰,幾乎不產生磨損,因此煙氣流速的選擇主要考慮以下2個要求:如何能避免或減緩積灰的生長,即如何選取自清潔煙氣流速;煙氣流速與阻力成平方關系(主要影響運行費用)、與傳熱系數呈線性關系(影響鍋爐的造價),則還應考慮如何選取經濟煙氣流速.此處重點討論自清潔煙氣流速的選取.

通過研究表明:當煙氣流速在8～11 m/s時,玻璃窯煙氣粉塵在受熱面管子上的沉積呈松散型狀態,積灰的平衡狀態易被破壞;當煙氣流速在8～11 m/s區間外時,粉塵積灰易增加積灰的致密性,形成致密性強的黏結性積灰.因此,8～11m/s是防止粉塵沉積的自清潔煙氣流速,是玻璃窯余熱鍋爐設計的關鍵,在此煙氣流速范圍內不僅能防止致密性積灰的形成,而且還能抑制積灰的增長,起到自清潔作用.

4 玻璃窯煙氣的腐蝕性

4.1 積灰中堿金屬物質加速積灰和腐蝕

玻璃窯的粉塵中含有大量的堿金屬,由于部分堿金屬化合物或共晶體的熔點較低(340～600℃),在400～500℃時(這通常是余熱鍋爐進口的煙氣溫度)就會在管子表面發生類似高溫黏結的第一層灰.隨著溫度的降低,堿金屬的硫酸鹽與鐵、鋁硫酸鹽(因腐蝕產生的腐蝕物)產生化合作用,其產物的熔點更低(300～400℃),更容易捕捉到煙氣中的飛灰,形成二次灰.由此可見,堿金屬對增加玻璃窯粉塵的積灰起到“推波助瀾”的作用,不僅可以促進一次灰的形成,而且還會加快二次灰的沉積.

當煙溫在200～300℃以下時,玻璃窯粉塵在鍋爐低溫段受熱面的表面發生低溫沉積,如上所述,堿金屬的硫酸鹽與其他硫酸鹽在酸液和水蒸氣的作用下產生腐蝕性更強的化合物.

4.2 煙氣的酸露點

煙氣的酸露點主要與煙氣中SO3的體積分數有關,玻璃窯煙氣中的硫化物主要來自:(1)燃料中的硫分;(2)配合料中的芒硝.在燃用不同燃料時,玻璃窯煙氣的酸露點溫度見表3.

表3 玻璃窯煙氣的酸露點溫度Tab.3 Acid dewpoint temperature of flue gas from glass-melting furnace ℃

4.3 余熱鍋爐排煙溫度和給水溫度的選擇

為防止余熱鍋爐產生低溫腐蝕,低溫段受熱面的金屬壁溫需比煙氣的酸露點溫度高10 K[5].在煙氣溫度低于200℃時,受熱面的金屬壁溫基本接近管內工質溫度.因此,為避免發生低溫腐蝕問題,需根據酸露點合理地選擇排煙溫度和給水溫度,受熱面金屬材料需考慮選擇適合的防腐蝕材料.

5 玻璃窯窯壓的調節和穩定

玻璃窯窯壓的調節和穩定主要與排煙方式有關.能否實現無間斷的、順暢的排煙是關鍵技術問題,否則將直接影響窯壓、玻璃產品的質量以及窯爐設備的安全,造成巨大的經濟損失.以熔化玻璃液600 t/d的玻璃窯為例,如果停止排煙1min,則窯壓需要10～15 m in左右才能調整正常,玻璃產品質量需要3～4 h才能達標,造成經濟損失20～25萬元;如果停止排煙10 min,則窯壓需要30 min左右才能調整正常,玻璃產品質量需要20～30 h才能達標,造成經濟損失150～180萬元;如果停止排煙 30 min以上,則玻璃窯將無法運行,被迫停窯、停止生產,以減輕對窯體設備的損壞,此時將至少造成經濟損失2 000～3 000萬元.

未建設余熱電站時,玻璃窯產生的煙氣經蓄熱室排出,經支煙道、總煙道后排向煙囪,窯壓的控制與穩定主要通過煙囪的抽力和旋轉閘板的開度來實現,是一種自然通風且排煙通道上無阻塞物的排煙方式.

建設余熱電站后,則改變了排煙方式,變成強制排煙且排煙通道上有阻塞物的排煙方式,窯壓的控制與穩定主要通過引風機電機的工作頻率和旋轉閘板的開度來實現.主要特點有:(1)排煙通道上增加了余熱鍋爐和引風機,余熱鍋爐和引風機是排煙通道上的阻塞物;(2)煙氣的排放由自然通風方式變成強制排風方式,引風機是實現強制排煙的重要設備,其配電安全變得十分重要;(3)煙囪抽力降低,未建設余熱電站時,排煙溫度為480～530℃,煙囪約能形成530～560 Pa的抽力,建設余熱電站后,因余熱鍋爐的排煙溫度較低,只有160～180℃,此時煙囪的抽力將降低一半,約為240～270 Pa;(4)窯壓的調節和控制變得更困難,主要依靠引風機的轉速和旋轉閘板的開度來調節,其調節的準確性和可靠性將變得十分重要;(5)余熱鍋爐及閘板的漏風、余熱鍋爐受熱面的積灰、余熱鍋爐受熱面爆管等增大了排煙控制的難度.因此,排煙系統、余熱鍋爐、引風機和閘板等的設計必須針對上述特點采取針對性的措施,以保證實現順暢、連續、可控的排煙.

筆者通過研究實踐提出圖3所示的玻璃窯窯壓的調節和控制方式.該方式在實際工程中得到了充分的驗證,是一種安全、可靠、穩定、有效的窯壓調節方式.

圖3 玻璃窯窯壓調節示意圖Fig.3 Schematic diagram for control and adjustment of fu rnace pressure

調節窯壓的原理如下:(1)當引風機正常工作時,通過變頻器調節引風機電機的轉速來調節引風機的壓頭,進而在調節閘板后形成400～500 Pa的背壓;然后,通過改變調節閘板的開度來穩定玻璃窯卡脖處的壓力處于8～10 Pa、波動范圍在±1 Pa以內.(2)當引風機正常停運時,玻璃窯排放出的高溫煙氣直接經總煙道排向煙囪,在煙囪內會形成較大的抽力,此抽力可在調節閘板后形成400～500 Pa的背壓,進而實現窯壓的調整.(3)當引風機事故停機后,一方面快速蝶閥在30 s內完全打開,使高溫煙氣快速通過緊急排煙通道引入煙囪,從而使煙囪內壁的溫度在3min內從80～160℃升到480～530℃,恢復煙囪的抽力.此時,在慣性力的作用下,引風機的葉輪在慢慢減速,葉輪在未完全停止前仍能實現強制排煙.同時,煙囪根的煙道閘板從全關位置變為全開位置,快速增大排煙通道面積,降低沿程阻力.(4)當引風機事故停機3m in后,煙囪內壁溫度已升至480～530℃,此時煙囪已恢復抽力,煙囪根的煙道閘板也完全打開,這樣玻璃窯的排煙就可以通過總煙道直接排向煙囪.

引風機電機配有變頻器,通過變頻器對電機轉速進行調節,進而調整引風機的壓頭.由于玻璃窯煙氣中含有黏結性的粉塵,容易黏附在風機的葉輪上,造成葉輪失去動平衡,這不僅會降低風機的壓頭,還會引起風機故障.因此,引風機采用一用一備的方式運行,每周定期輪換工作,引風機停運后要進行葉輪的清洗.

6 結 論

(1)玻璃窯排放出的煙氣余熱占總燃料輸入熱的35%～40%.采用空氣助燃的玻璃窯,熔化噸玻璃液排放出的煙氣量約3 000～4 500m3,煙氣溫度約500～560℃;采用全氧燃燒的玻璃窯,熔化噸玻璃液排放出的煙氣量約500～1 300m3,煙氣溫度為950～1 300℃.受換火的影響,空氣助燃玻璃窯的煙氣余熱參數呈周期性頻繁波動.

(2)當玻璃窯采用全氧燃燒時,煙氣中水蒸氣的含量將達到40%～56%,但NO x含量將大大降低.

(3)玻璃窯煙氣粉塵中堿金屬和硫化物或硫酸鹽的含量超過80%.玻璃窯粉塵在高溫環境下易結渣,在低溫環境下易沾污,易產生高溫腐蝕和低溫腐蝕,腐蝕性較強;玻璃窯煙氣的酸露點溫度較高;粉塵易吸附水分、易溶于水;粉塵濃度較小、粒徑細、不會發生磨損.

(4)玻璃窯粉塵在余熱鍋爐中易同時發生高溫沉積和低溫沉積.積灰形態主要為雙鍥形和熔變形積灰,具有中等以上的生長性,黏附性強.采用具有一定過熱度和壓力的過熱蒸汽進行吹掃是有效的清灰方式.玻璃窯余熱鍋爐的自清潔煙氣流速為8～11 m/s.

(5)實現玻璃窯窯壓的調節和穩定是玻璃窯安全生產的重要前提.建設余熱電站后,玻璃窯的排煙方式由無阻塞式的、自然排煙的方式變為阻塞式的、強制性的排煙方式.因此,建設余熱發電需考慮各種主動和被動的措施,以保證實現順暢、連續、可控的排煙,進而實現窯壓的可調和穩定.

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[3] 王宗偉.我國浮法玻璃余熱發電前景[C]//2007年全國玻璃工業節能新技術交流大會論文.北京:[s.n.],2007.

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