淺析玻璃熔窯余熱發(fā)電項目的影響因素

楊穎

（天津市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站天津300192）

1 研究背景

1.1 平板玻璃行業(yè)產(chǎn)能過剩問題日益嚴重

“十一五”期間，我國玻璃工業(yè)取得了快速進步和發(fā)展，國際影響力逐步擴大。但由于部分地區(qū)對于玻璃生產(chǎn)線建設審核不嚴，大量企業(yè)鉆了“超白超薄”、“太陽能”等高新技術申報的空子，導致產(chǎn)能過剩問題日益嚴重。自“十二五”規(guī)劃制定以來，國內(nèi)玻璃市場將從快速增長轉(zhuǎn)為平穩(wěn)緩長，調(diào)整玻璃行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，控制平板玻璃產(chǎn)能、淘汰落后、提高玻璃深加工率是玻璃行業(yè)健康發(fā)展的主要目標。2011年底，我國投產(chǎn)的浮法玻璃生產(chǎn)線240余條，產(chǎn)量達7.38億重箱，占全球產(chǎn)量的50%以上，年耗能約1200萬噸標煤。[1]隨著我國浮法玻璃技術的推廣以及玻璃產(chǎn)能的不斷提高，我國玻璃行業(yè)的廢氣余熱資源越來越多。

1.2 余熱發(fā)電具備良好的社會基礎

多年來，為實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，我國政府一直鼓勵余熱余壓等形式的資源綜合利用。早在1996年，國務院即發(fā)布《關于進一步開展資源綜合利用意見》，明確鼓勵利用余熱、余壓發(fā)電。2006年，在《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》中，指出要將鋼鐵和建筑材料等行業(yè)開展余熱余壓利用列為國家十大重點節(jié)能工程之一。2008年，發(fā)改委頒布了《國家重點節(jié)能技術推廣目錄（第一批）》，將玻璃熔窯余熱發(fā)電技術列入其中。2011年，財政部、國家稅務總局規(guī)定，銷售自產(chǎn)的符合一定條件的利用工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱、余壓生產(chǎn)的電力或熱力，可以享受增值稅即征即退100%的政策。2012年，第八屆余熱利用國際峰會召開，旨在借助余熱發(fā)電在水泥行業(yè)的成功推廣及應用經(jīng)驗，加快余熱發(fā)電在鋼鐵、玻璃、有色等行業(yè)應用。

1.3 玻璃窯余熱發(fā)電項目現(xiàn)狀

相對于水泥窯余熱發(fā)電技術，玻璃窯余熱發(fā)電技術起步較晚。國內(nèi)第一座浮法玻璃窯余熱電站于2007年9月建成，裝機規(guī)模僅4.5MW。目前，全國在建和運行玻璃窯爐余熱發(fā)電站超過30座，最大裝機容量為12MW項目，年發(fā)電量7920萬kWh，可滿足玻璃生產(chǎn)線的自用電量的60%以上。折算年約可節(jié)約2.7萬噸標煤，減排二氧化碳6.7萬噸，并能有效減少煙氣中粉塵的排放。此外，該余熱電站平均水耗約50噸/小時，與同規(guī)模熱力發(fā)電水耗80噸/小時相比，降低了37.5%。

綜上，玻璃窯余熱發(fā)電項目節(jié)能、減排效果顯著，發(fā)展前景良好。

2 玻璃窯余熱發(fā)電影響因素分析

余熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理為，利用余熱鍋爐回收的煙氣余熱，加熱鍋爐給水后產(chǎn)出過熱蒸汽，并將其送到汽輪機中膨脹做功，從而將熱能轉(zhuǎn)換成機械能，帶動發(fā)電機發(fā)電。此后，乏汽從汽輪機排出，經(jīng)循環(huán)冷卻系統(tǒng)形成冷凝水，與鍋爐補水混合后做為鍋爐給水，經(jīng)給水泵再送回到鍋爐中。如此形成循環(huán)。

與火力發(fā)電系統(tǒng)的主要差別為熱源不同。余熱發(fā)電系統(tǒng)的熱源為主工藝生產(chǎn)過程排出的煙氣余熱，主要受以下幾種因素影響：

2.1 玻璃熔窯燃料種類分析

玻璃企業(yè)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，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、煙氣成份、粉塵特性。近年來，在石油價格不斷攀升的背景下，新建生產(chǎn)線多采用焦爐煤氣、天然氣等，先前廣泛使用的重油為備用燃料。因玻璃生產(chǎn)過程中，原料中的硫含量較高，棄用重油燃料，也可有效改善余熱鍋爐易腐蝕、積炭嚴重且難清理的難題。

2.2 玻璃熔窯燃燒方式分析

不同燃燒方式，對于煙氣排放量、溫度、氮氧化物含量、煙塵含量等同樣會產(chǎn)生一定影響。傳統(tǒng)燃燒技術采用空氣助燃，只有21%的氧氣參與燃燒，78%的氮氣不僅不參與燃燒，還會帶出大量熱量，熔化噸玻璃液排放出的煙氣量約為3000Nm3～4500Nm3，煙氣溫度約為450℃～500℃。相對于傳統(tǒng)燃燒技術，富氧燃燒和全氧燃燒對于玻璃窯爐設備的節(jié)能減排有明顯效果，是玻璃窯爐的發(fā)展方向。

全氧燃燒技術指以純度在92%以上的氧氣作為助燃介質(zhì)，該氧氣需要獨立自制或外供購買。與傳統(tǒng)方式相比，玻璃熔窯取消了蓄熱室、小爐、換火系統(tǒng)等，可降低能耗12.5%～22%甚至更高，廢氣排放量減少60%以上，氮氧化物可減少80%～90%，煙氣成分含水量高，含氮量低，煙塵也可降低50%以上。無稀釋風的情況下熔化噸玻璃液排放出的煙氣量約500Nm3～1300Nm3，熔窯排煙溫度為 950℃～1540℃[2]。

而富氧燃燒是以氧含量高于21%的空氣做為助燃氣體，可來源于廠內(nèi)制氮所產(chǎn)生的富氧氣體，是玻璃行業(yè)中廣泛應用的節(jié)能技術之一。與傳統(tǒng)燃燒技術相比，可提高火焰溫度、加快燃燒速度、降低燃料燃點溫度、促進燃燒完全、降低燃料消耗，同樣可減少排氣量，一般可以節(jié)能3%～5%。

2.3 其它特性

玻璃熔窯換向頻繁，通常每20分鐘進行一次周期性換火，因此煙氣余熱的相關參數(shù)具有一定的波動性。玻璃窯的此種運轉(zhuǎn)方式，不適合自除氧方式。改用集中除氧，外加熱方式保證除氧器穩(wěn)定運行，可有效降低給水泵故障率。

熱容量大，煙氣流量小，因此玻璃熔窯煙氣余熱發(fā)電采用幾臺鍋爐共用一套汽輪發(fā)電機組的配置方案，即在每條玻璃生產(chǎn)線的端部各自配置一臺余熱鍋爐。對于600t/d以下的單生產(chǎn)線企業(yè)，從經(jīng)濟可行性考慮，往往投資回收期過長，而不適宜建余熱發(fā)電站。隨著小規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)的陸續(xù)關停，玻璃窯爐余熱發(fā)電項目覆蓋率將大幅提高。

腐蝕嚴重、積灰嚴重玻璃窯爐余熱發(fā)電常見的技術難題。除上文提到的采用煤氣、天然氣等含硫低的燃料，改變類似水泥窯的機械震打式除灰，改為過熱蒸汽吹灰、壓縮空氣吹灰等，也可以有效改善除灰難的現(xiàn)狀。此外，還要注意盡量使余熱鍋爐在正常設計溫度參數(shù)下運行，防止發(fā)生低溫腐蝕。

3 余熱鍋爐熱循環(huán)方式的選擇

余熱回收利用技術通?？梢苑譃閯恿厥蘸蜔崂脙深悺Ｒ活愂菍τ酂徇M行回收利用后，直接排放，以充分利用余熱為原則，排放溫度越低越好，要求動力循環(huán)輸出的凈功率最大；另一類要求對余熱最終以一定的溫度排出，用于各生產(chǎn)過程，如烘干物料、重油加熱、采暖、制冷等。

余熱發(fā)電技術屬于第一類，基本形式是以水為工質(zhì)的朗肯循環(huán)系統(tǒng)，但受水的等溫蒸發(fā)因素影響，循環(huán)的平均吸熱溫度偏低，溫差增大，使不可逆損失增加。而近期興起的卡林納循環(huán)以氨—水混合物為工質(zhì)，可變溫蒸發(fā)，使氣化過程與熱源放熱過程更好的匹配，降低換熱過程中的不可逆損失，從而提高余熱利用效率。采用遺傳算法對卡林納循環(huán)和朗肯循環(huán)應用于中低溫余熱回收利用的系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化，比較對外做功的能力。[3]在此類余熱利用環(huán)境中，卡林納循環(huán)與朗肯循環(huán)相比，因排煙溫度較低，可吸收余熱熱量大，凈功率約可提高25%，具有優(yōu)勢。

此外，值得注意的是，氨—水混合物在較低的溫度下就可以氣化，因此在小于350℃的低溫廢氣溫余熱利用工程中，卡琳娜循環(huán)具有更好的應用前景。而在高、低熱源共存的工程中，卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)因具有熱源溫度不宜超過650度、系統(tǒng)設備材料不宜含銅、須在氨法規(guī)有效管理條件下使用的局限性，需要與郎肯循環(huán)應組合應用。

4 余熱發(fā)電項目涉及的節(jié)能關鍵點

4.1 采用節(jié)能產(chǎn)品

余熱鍋爐給水泵、汽輪機凝結(jié)水泵、風機考慮采用變頻調(diào)速的方式，使機組適用于不同負荷工況，降低廠用電率、降低能量損耗。

4.2 采用先進的控制系統(tǒng)和計量儀表

采用分散式控制系統(tǒng)(DCS)，由計算機控制機組啟停，并在各工藝系統(tǒng)上裝設足量的計量或監(jiān)測儀表，有效加強運行管理和經(jīng)濟核算。

4.3 采用合理保溫材料

注意做好鍋爐主體設備、煙氣管道、汽水管道等的保溫工作，350℃以上采用微孔硅酸鈣做內(nèi)保溫，350℃以下采用巖棉或珍珠巖制品做內(nèi)保溫，外包鍍鋅鐵皮，最大程度的減少散熱損失。

4.4 節(jié)約用水的措施

對汽水管道的疏、放水進行有效合理的回收，降低用水消耗。建議在循環(huán)水系統(tǒng)中，適當加大循環(huán)冷卻水的濃縮倍率，以減少冷卻塔的排污水量；在冷卻塔內(nèi)設置高效的除水器，以減少其風吹水量損失；在補水管上設置調(diào)節(jié)閥，以控制溢流水損失。

5 梯級利用及一體化趨勢

平板玻璃行業(yè)目前已經(jīng)實施的余熱發(fā)電項目，還只是利用了可以利用余熱的很小一部分。采用“熱、電、冷三聯(lián)產(chǎn)”技術進行能源的梯級利用，就是將鍋爐產(chǎn)生的蒸汽先全部送入汽輪機做功發(fā)電，然后部分用于制冷和工業(yè)用所需的蒸汽，尾部排汽可用于采暖供熱。該技術相對于傳統(tǒng)發(fā)電，發(fā)電量會略有降低，但可以提高余熱鍋爐的綜合利用率。

除了提高余熱發(fā)電能力，將余熱發(fā)電與煙氣脫硫、脫硝、除塵同步實施的一體化，是平板玻璃節(jié)能減排的重要內(nèi)容。國內(nèi)玻璃行業(yè)余熱發(fā)電事業(yè)尚處于起步階段，由于技術、裝備等的局限，目前這些方面的效果并不顯著。

6 結(jié)論

依靠技術進步來降低能源消耗、減少環(huán)境污染是推進循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展、建設資源節(jié)約型社會的必然要求。玻璃行業(yè)發(fā)展余熱發(fā)電需要認清玻璃熔窯廢氣余熱資源的特性和玻璃熔窯的工作特點，在借鑒其他行業(yè)余熱發(fā)電所取得的經(jīng)驗的基礎上，開發(fā)出適合于玻璃熔窯特點的余熱發(fā)電技術。玻璃熔窯余熱發(fā)電技術，尚處于發(fā)展或者說起步階段，需要科技人員持續(xù)探索、研究。推動玻璃行業(yè)余熱發(fā)電項目如同水泥、鋼鐵等行業(yè)，朝向規(guī)?；l(fā)展。

[1]玻璃窯煙氣余熱利用收益測算.中國水泥網(wǎng)

[2]玻璃窯、水泥窯余熱發(fā)電技術比較分析.百度文庫

[3]劉洪國.玻璃窯余熱鍋爐常見問題分析.玻璃，2012.3

[4]黃杰、趙恩錄、陳福.玻璃窯爐節(jié)能技術的最新發(fā)展