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32年第\期
玻痛窑金裁利用枝求科究与应用連展玻璃窑余热利用技术研究与应用进展 董丹汤红运刘余庆邢飞
深圳凯盛科技工程有限公司广东深圳518054
摘要本文从烟气参数、余热锅炉、汽机等几方面综述了近年来的相关研究，特别对余热锅炉的低温腐蚀、粉尘控制、蒸汽参数做了详细介绍，分析了各研究方向给出的计算方式和最优数据，对以后的设计具有指导作用。 关键词：玻璃窑；余热锅炉；低温腐蚀；积灰；蒸汽参数
Progress in Research and Application of Waste Heat Utilization Technology for Glass
Furnace
Dong Dan Tang Hongyun Liu Yuqing Xing Fei
Shenzhen Triumph Science&Technology Engineering Co.,Ltd.Shenzhen Guangdong518054 Abstract:This article reviews related recent researches from flue gas parameters,waste heat boiler,steam turbine, etc.,especially describes low temperature corrosion,dust control and steam parameters of waste heat boiler in detail, and analyzes the calculation method and optimal data given by each research direction,which can guide future design.
Key words:Glass Furnace;Waste Heat Boiler;Low Temperature Corrosion;Ash Deposit;Steam Parameters
1前言
随着社会的发展，能源需求逐年增大。全球温室效应的持续恶化迫使各国采取措施降低碳排放及各类污染物的排放。因此，能源的高效利用成为全球共识。而能源的二次回收再利用作为一项高效的方式，在全世界，尤其是高能耗行业中，己得到广泛的应用。
玻璃行业作为能源依赖型的高能耗产业，不仅造成大气污染还造成热污染。截至2015年底，我国共计投产361条浮法玻璃生产线，169条超白压延玻璃生产线，其中仅浮法玻璃熔化量就约7800万吨/年。玻璃窑炉生产过程中将产生巨量的高温烟气，超过30%的能耗以废热的形式被烟气带走，因此，充分回收利用该烟气中的热量具有很高的经济和社会效益。因而余热回收利用技术广泛受到玻璃生产企业
的青睐，具有可观的前景。本文综述了近年来主要涉及的设备、系统、设计、运行等方向的研究，提岀当前存在的问题，并探讨了未来的研究方向。2玻璃窑余热利用技术的概念及分类 玻璃窑余热利用是将窑炉产生的高温烟气流经热交换器，通过换热介质吸收烟气中的热量，再将热能直接利用或者转变为电能。目前，玻璃行业进行余热利用的方式主要有两种，一是余热发电，二是余热产蒸汽/热水。
3余热发电
二分查玻璃窑排放的烟气温度较高，可利用余热进行发电。同时，电能作为一种高品位能源，能够方便的转换为其它所需的各种能源形式，是人们日常使用的主要能源。因此，余热发电是目前玻璃窑炉烟气热量的主要回收方式。我国玻璃窑余热发电技术是在借鉴其他行业的余热发电的基础上，逐步发展起来的，主要采用水蒸汽作为工质。国内第一座玻璃窑余热发电站由江苏华尔润集团投资建设，于2007年投入运行并网发电。余热发电的主要影响因素有烟气参数、锅炉、汽机等。
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3.1烟气参数
余热烟气参数主要包括流量、流速、温度、压力、成分、尘特性（浓度、粒径、硬度、粘性、腐蚀性），由玻璃窑及其生产工艺所决定。据统计，玻璃窑每吨玻璃液排放岀的烟气量约3000~4500m3，窑炉排烟温度大约为500〜6000烟气流量越大，温度越高，烟气焰值越高，发电潜力越大；烟气流速越大，对流换热系数越大。同时，烟气参数会影响系统设备的选型。
窑炉出口烟道的密封和保温性能对锅炉入口的烟气参数也有一定的影响。烟道密封差会增加锅炉入口的漏风量，降低烟气温度，增大系统阻力，其不仅降低烟气焙值，还增加厂自用电量。北方某玻璃厂曾发生该情况，经计算，在不做任何措施的情况下，锅炉引风机功率必须由630kW升至710kW，风机全年耗电将增加64万度。因此，进行余热发电的方案与设计时，锅炉入口烟气参数不仅需实地测量，同时要与窑炉出口烟气参数进行复核，必要时对窑炉出口烟道做技术处理，确保余热烟气热量的充分评估与利用。
3.2余热锅炉
余热发电锅炉作为余热发电系统的核心设备之一，对烟气热利用率和蒸汽参数起决定作用。余热发电锅炉从无到有，最早借鉴水泥等行业的技术经验。但是，玻璃行业有其不同于其他行业的工艺要求和烟气特性，首先，对窑压的要求极高，允许波动范围仅为土0.5Pa；其次，每隔15-20min进行一次换火，烟气参数在周期间隙频繁巨幅波动。同时，玻璃窑烟气具有腐蚀性强、粉尘易沉积等特性。因此，
简单照搬其他行业不仅无法充分利用烟气余热，而且可能会严重影响玻璃窑和余热锅炉的安全、稳定、可靠的运行。
余热发电锅炉宜采用倒U形结构，该结构可实现烟气下进下出，具有占地少、传热性能好、阻力小、经济性好等优点。
由于玻璃窑烟气具有腐蚀性，易造成锅炉内管束腐蚀，因此，探究腐蚀机理对改善锅炉性能有很好的指导意义。对余热锅炉省煤器的腐蚀机理进行研究，结果表明，烟温较高时，SO3或者S0?气体几乎不会腐蚀金属，当烟气进入省煤器后温度降低，SO3与水蒸汽生成硫酸蒸汽，当管壁温度降低至硫酸蒸汽的露点温度时，硫酸蒸汽逐渐在管壁凝结后腐蚀管壁见图1，即低温腐蚀。随着硫酸蒸汽在管壁不断凝结，将生成FeSO”而FeSO。具有吸潮性，将进一步吸收烟气中的水蒸气生成FeS04-H20o而管壁的腐蚀层容易剥脱，烟气的冲刷使旧的腐蚀层脱落并形成新的腐蚀层，长期运行时，管壁将不断变薄，严重时即会爆管泄露。
图1省煤器管腐蚀结焦图
腐蚀严重区域多为一级省煤器和二级除氧器进水口附近的管子。锅炉酸露点经验估算公式见公式1，在进行工程概算和设备初选型时十分方便。
T m=186+201gV|（2o+261gV so3（1）
低温腐蚀的影响因素包括SO3的含量、烟气酸露点温度及管壁温度、换热管材质。实验表明随着硫酸浓度先上升后下降，当硫酸浓度为56%时达到最大腐蚀速率，而在10%时速率最低。该实验采用的浸泡，实际运行工况为高温潮湿状态下的腐蚀，需做进一步贴近实际情况的实验。为防止腐蚀，应尽可能降低烟气中的含硫量。在已知排烟温度、给水温度、管壁厚、各物质的传热系数时，通过金属管壁温度和各参数的关系式即可计算出金属管壁温度，有助于研究酸露点的形成区间，及其对低温腐蚀的影响，从而确定最优排烟温度。锅炉受热面腐蚀速度与壁面温度的关系，如图2。锅炉排烟温度和尾部受热面温度高于烟气露点温度不是造成低温腐蚀的必要因素。要防止锅炉发生低温腐蚀，低温段受热面的金属壁温需比烟气的酸露点温度高10K。上述两种观点相悖，需进一步的实验来确定。管材防腐性能的优劣决定了是否发生低温腐蚀，对某锅炉内实际使用的20号钢进行实验模拟，发现从1009开始直到酸
中（3玻痛f
露点温度前，其腐蚀速率随温度的提高而缓慢上升，表明20号钢无法阻止低温腐蚀。可采用耐腐蚀的铜管、ND（09CrCuSb）合金钢管或316L等材质，但会增加成本。上述材料均无法完全抵抗低温腐蚀，仍需寻和开发新的可替代材料从而在根本上解决该问题。
玻璃窑烟气中的粉尘对锅炉性能也有较大影响，其不仅含量高且具有很强的粘性，在流经锅炉时，易沉积在锅炉换热管表面形成积灰，严重时甚至堵塞通道，增大热阻，影响传热，降低余热烟气的热利用率。此外，积灰又吸收烟气中的水汽和酸性物质，腐蚀管束。炉内管束的排布方式影响烟尘的沉积速度和程度，采用横向冲刷、顺列布置的光管对流管束使粉尘较难以沉积。同时，有必要采取措施清理管束表面的积灰，形式主要有松散型积灰、黏结性积灰和黏附性积灰。目前主要有蒸汽吹灰和高频脉冲吹灰等清除方式，实践表明过热蒸汽吹扫不仅能吹扫附着力强的积灰，而且对减轻低温腐蚀有很好的效果。积灰形式与烟气速度有关，当烟气流速在8-llm/s时，玻璃窑烟气粉尘在受热管的表面呈松散型沉积，此时积灰易被破坏；当在8-llm/s区间外时，积灰的致密性增加，形成黏结性积灰。
余热锅炉蒸汽参数包括压力和温度，影响锅炉的热效率和系统发电量。当余热烟气量较小，烟气温度低于450°C时，蒸汽压力宜为1.27〜1.57MPa；当烟气温度为450-550-C时，理论上蒸汽压力可采用2.45〜6.27MPa。而据目前的经验数据，蒸汽压力一般在2-2.5MPa0不同的工况对应的最佳蒸汽压力也不相同，笔者在做相关的设计计算时，与上述观点存在不一致的情况。此外，在其
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他参数一定时，窄点温差越小，蒸汽压力越大，系统发电量越大，但锅炉所需的受热面积呈指数曲线关系增大。因此，需同时考虑系统发电量和投资成本，从而确定合理的窄点温差。此外，接近点温差不可选择过低，否则当锅炉低负荷运行或起动时省煤器内可能会发生汽化现象。建议窄点温差取值范围在8〜20°C，接近点温差取值范围在5〜20°Co
除氧系统是回热系统中的一个组成部分，它既可提高机组热经济性，还能保证除氧效果及给水泵安全运行。整体式闪蒸热力除氧系统，它可以利用余热锅炉蒸发器、省煤器后烟气的余热，加热多余的给水回流到闪蒸器，作为除氧器的蒸汽热源。该系统简单、热能利用率较高、造价增加不多。建议燃烧天然气的玻璃窑可采用闪蒸自除氧系统，灰和硫含量重的燃料采用单压或自除氧系统。
3.3汽机
当玻璃企业生产时有用汽需求，余热发电系统选用抽汽式汽轮机，一般选择0.5〜0.6MPa、温度285°C左右的过热蒸汽。但市售换热机组一般按饱和蒸汽设计生产，参数较低，过高的蒸汽温度对管材要求高、投资大。因而有必要在抽汽管路上增设减温器。
凝汽器在长期运行过程中，由于循环水含有杂质，会结垢堵塞冷凝管，降低冷凝效果，影响整个系统的运行，需要对冷凝管进行清洁。胶球清洗装置可在汽轮发电机组运行过程中对凝汽器冷却管进行有效清洗，目前常用于大型发电机组，应积极推广至玻璃窑余热发电机组。
3.4化水系统
由于玻璃窑余热发电系统存在排污损失和对外供汽，需实时进行补给合格水质的给水。在进行某玻璃厂余热发电项目设计时，余热发电锅炉补给水水质的确定方法，通过对比分析钠离子交换树脂软化处理、一级复床离子交换除盐系统、反渗透系统三种工艺方案，提出单纯软化处理系统（含氢-钠系统）无法满足本项目设计要求；一级除盐系统、软化+—级反渗透系统的出水均可满足本项目锅炉补给水的水质要求。
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4余热产蒸汽/热水
近年来随着中国政府环保整治的决心，各行业的环保排放标准的落实不断严苛。在玻璃行业，烟气中的硫、氮、烟尘等均需处理后才可达标。因此，玻璃窑工作时，环保设施必须同时运行，但环保设施的允许运行温度一般为380°C以下，远低于窑炉出口烟气温度。当余热锅炉出现故障需要维护时，环保设施也无法正常工作，备用锅炉已逐渐在行业内应用。备用锅炉一般是临时性运行，因热管式换热器较余热发电锅炉价格更低而具市场竞争力。琼斯模型
目前备用锅炉产生的蒸汽或热水因品质低未被合理利用，但是其有较大的热量利用价值，有待后来者进一步的技术研究和开发。
5设计案例
凤阳某玻璃1200t/d玻璃窑余热发电系统设计，给出了较为完整的设计过程，文中介绍了除氧压力、窄点温度、余热锅炉设计几个方面。该项目以天然气和石油焦作燃料，除氧压力设置为0.12MPa，水温为160°C；窄点温度的设置，当燃料为天然气，最优值为15〜20°C，当为石油焦，最优值为20〜25°C。厂自用电率为15%。
河北某建材有限责任公司4条700t/h特种优质低辐射镀膜玻璃生产线设计余热发电系统，配备4台18t/h余热锅炉和2台6MW抽汽凝汽式汽轮发电机组，电厂综合厂用电率为8%，具体设计参数如表1。该项目年可节约标准煤2X10439.89 t，每年减少CO?排放2X26099.73to
6研究方向
目前玻璃窑余热仍以发电为主，随着近年来的研究和应用，技术日趋成熟。但是，发电系统的单体设备需对玻璃行业有更好的针对性，各设备的参数需进一步优化，在系统集成优化上有待更多的研究。有待研究进行统一。余热发电后烟气排放温度为1709左右，仍有较大利用空间，若排温降至130°C，即可提高10%热利用率。
表1余热发电主要经济指标
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20酉年第両、
海监50设计参数4X700t/d 烟风流量/Nm3•h
烟风温度/°c4X130000
过热蒸汽温度/°c470
过热蒸汽流量/t-h14X17.27
过热蒸汽压力/MPa 2.5
出口烟气温度/°c160
中美贸易额
汽机进汽流量/t•h12X33.50
汽机进汽温度/°c390
汽机进汽压力/MPa 2.35汽轮发电机汽耗/kg•(kW•h)一1 5.951
汽机实际输出功率/kW2X5665
发电机额定功率/kW6000
机组利用小时数/h7000
年发电量/kW•h•a12X39655000
发电厂用电率/%6
供热厂用电率/% 1.3
综合厂用电率/%7.3
年供电量/kW•h•a12X36760185
年供热量/GJ•a-12X101857
全厂热效率/%28
热耗率/kJ-(kJ-h)113182.75
发电标煤耗/kJ・(kJ-h)10.631
供热标煤耗/kg•GJ50.643
供单位热量耗厂用电量/kW•h•GJ'1 5.157
热电比/%76.9节约标煤耗(300MW)/t2X14079.15
节约标煤耗(600MW)/t2X10439.89
此外，各企业的余热发电运维能力参差不齐，导致余热发电系统的实际运行状况可能和设计值相差很大，大大降低了设备的经济和社会价值。亟待完善的系统评估方法和软件对发电系统的运行工况进行科学、实时的评估，为运维人员提供技术支持。
7结束语
全国消毒产品网上备案信息服务平台综上所述，行业内的诸多学者专家对玻璃窑余热利用进行了科学、系统的研究，特别是在烟气参数、锅炉、汽机、化水系统等方面给出了意见和建议。因行业的独特性，仍需有更多的针对性研究。随着研究的深入和技术的不断成熟，余热资源展示出的巨大利用前景，未来的余热利用方式将会更加多样化，利用效率更高。
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