600t/d玻璃炉窑水平式余热锅炉系统设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

在工业生产中，使用着各种窑炉，如回转窑、加热炉、转炉、反射炉、沸腾焙烧炉等。窑炉都耗用大量的燃料，它们的热效率都很低,一般只有30%左右，而被高温烟气、高温炉渣、高温产品等带走的热量却达到40%～60%，其中可利用的余热在冶金方面约占燃料消耗量的三分之一，机械、玻璃、造纸等方面占15%以上[1]。而玻璃工业是我国国民经济发展和提高人民生活水平所不可缺少的重要材料工业。它是以熔炉为主进行生产的能耗较高的产业，它的生产和发展都受到能源供应的制约。另外，产品质量好坏和企业经济效益高低都与炉窑技术水平有着直接的关系。我国玻璃工业中耗能也很高，耗能占玻璃成本的20%-30%[2]，其能耗中主要为熔窑消耗，采用浮法工艺的玻璃厂能耗的80%是熔窑燃料消耗，国内平板玻璃炉窑能耗高节能潜力很大。因此，玻璃炉窑进行节能技术改造，是保证玻璃工业健康发展的重大措施。本文以时下工业炉窑余热节能技术中采用最普遍、最有效的余热锅炉技术作为研究对象，并设计一台600t/d玻璃炉窑水平式余热锅炉系统。

1、玻璃窑炉余热利用国内外现状

1.1、国内外玻璃工业发展现状[3]

我国玻璃工业经过建国以来近50年的发展，特别是改革开放以来的迅速发展，我国的玻璃工业取得了长足的进步。1971年在洛阳建成的我国第一条浮法玻璃生产试验线标志着具有中国特色的浮法生产线的开始，从此玻璃的产量大幅上升，玻璃的质量也显著提高。此后在秦皇岛、杭州、淄博、江门、南宁、大连等地30多条我国自行设计的浮法生产线相继建成投产，除原有的大、中型垂直引上法玻璃生产线外，新兴建的浮法生产线无论从结构设计还是耐火材料的选用以及保温技术等方面，都有显著提高。随着国民经济的高速发展，年平均产量增长超过10%，到2013年底平板玻璃的年产量已经超过7.8亿重量箱，全国共有256条浮法玻璃生产线运营生产，占全球产量的50％以上，年耗能约1200万[15]吨标煤。我国平板玻璃的产量已经连续20多年位居世界产量的第一[5]。

目前，世界上玻璃生产绝大部分采用的是浮法工艺（如图1），而在这种生产过程中玻璃窑是此工艺的核心部分。玻璃窑是将玻璃原料在高温下加热，使之发生一系列物理化学反应形成玻璃液并实现玻璃液澄清和均化的重要热工设备[14]。所谓玻璃窑炉烟气余热是指玻璃窑炉排放的烟气中含有的可回收利用的热量。其它主要产热行业见（如图2）[4]。相比于另一个高能耗产业水泥产业来说，Engin等[3]通过对水泥回转窑系统的能源分析，给出了新型干法水泥生产线的主要热损失：水泥窑废气占19.15%，冷却机排出的热空气占5.61%，水泥窑筒体表面的对流及辐射热占10.47%。在玻璃产业当中，目前国内浮法熔窑主要以重油、天然气、发生炉煤气、石油焦等作为燃料[6]，排烟温度大多在400～550℃[7]之间。

尽管我国玻璃工业取得了可喜的成就，但对比国外的先进技术仍有很大的差距(如表1)。可以看出，窑炉的热效率低、燃耗高、寿命短是目前我国玻璃工业生产存在的主要问题。我国的能耗明显高于世界先进水平，国外的热效率为40P%，我国大中型玻璃厂熔窑的平均热效率只有20%，热效率低就会导致能耗高，例如同样为燃煤熔窑，国外的能耗为0.16～0.2tce/t，我国则高达0.4tce/t。也可以看出熔化率明显的低。国外的产品成品率为95%以上，我国只有70%～80%，废品玻璃只能以碎玻璃的形式重新回炉进行熔制，这也是造成能耗高的原因。因此熔窑的高能耗、短寿命、低成品率是制约我国玻璃工业发展的瓶颈，各种各样节能技术的应用必将大大促进我国玻璃工业的发展。

图1浮法玻璃工艺示意图

表1各国浮法玻璃生产各项指标的比较

1.2、玻璃窑炉余热利用技术[28-29]

目前国内外窑炉烟气余热利用技术主要有两种[8]：一种是过程内利用，另一种是过程外利用。前者主要借助各种空气-烟气换热装置，来降低排烟温度预热燃烧国内钢铁企业对烟气余热的回收非常重视。后一种主要是采用余热锅炉将热烟气用于采暖供热、发电等[3]。

而针对我国玻璃工业发展的状况来说，窑炉排烟余热回收利用的方法主要有以下几种[5]：

⑴产蒸汽。以前蒸汽的主要用途是加热和取暖，现在利用溴化锂机组可以制冷，但受使用量、使用时间季节的影响，单一的这种方法，往往不能充分地利用烟气中的余热。

⑵余热发电。利用玻璃熔窑废气余热发电是一项资源综合利用项目，在对废气余热进行充分利用的同时，不仅可以大大提高全厂的能源利用率，余热发电相应减少了火力发电产生的大气污染物的排放，减少温室效应。

⑶余热加热配合料或其他载体。利用烟气加热玻璃配合料或碎玻璃是各国长期以来一直研究的课题，加热碎玻璃已有应用，加热配合料难度较大。而直接利用高温烟气来预热投入窑炉燃烧室之前的燃料、助燃空气和原料，以提高其初始温度，最终达到节省燃料的目的。

图2主要产热行业

注：（a）、煤炭（b）、石油（c）、钢铁（d）、化工（e）、建材（f）、机械（g）、造纸（h）、纺织

2、玻璃窑余热锅炉

余热锅炉[9]英文简写为HRSG,即HeatRecoverySteamGenerator的简称，直译成中文为热回收蒸汽发生器。余热锅炉主要用于冶金、石油、化工、轻工、建材、电力等部门的炉窑及其它加热设备的余热回收[10]。余热锅炉的分类并无统一标准；按气体通道可分为火管式、水管式、热管式；按换热形式可分为辐射式、对流式；按结构可分为烟道式、管壳式[11.30]；玻璃窑余热锅炉是我国早期开发的余热锅炉产品之一。结构简单,参数较低。七十年代末以后开始大规模生产,至上个世纪末,国内己有不同系列300余台玻璃窑余热锅炉投入运行。这种锅炉主要用于回收玻璃熔窑烟气的余热。进入锅炉的烟气温度约480-530℃,锅炉产生的低压蒸汽用于加热重油或取暖[12]。

2.1、卧式烟管型和直通式水管型余热锅炉[12]

国内使用卧式烟管型余热锅炉居多,两种锅炉结构见图3、图4[12]。烟气从前烟箱入本体的烟管,与外面的锅水进行热交换,产饱和蒸汽。

图3玻璃窑用水平式火管余热锅炉结构示意图

图4玻璃窑用水管余热锅炉结构示意图

2.2、热管余热锅炉

随着金属材料、换热器的类型结构的多样化以及余热回收技术的发展，现在越来越多的玻璃窑炉开始采用热管余热锅炉（如图4）[13]，由于热管独特的结构和相变传热机理,它具有如下特点[1]:

(1)安全可靠性高[14]。不存在管内超压,不怕干烧,因液体工质汽化后,热管的内压不随温度变化而变化,而且热管余热回收器是二次间壁换热,与常规的换热设备一般都是间壁换热不同;

(2)导热性强、等温性好。它在蒸发器和冷凝器区传热系数是103-105W/㎡K；热管的热阻是0.01-0.03K/W[[27]。

(3)热流密度可变性。热管可以独立改变蒸发段或冷却段的面积;

(4)环境的适应性强。受环境的限制相对常规换热设备小,通过适当的热流变换把热管管壁温度调整在低温流体的露点之上,从而可防止露点腐蚀。同时热管在导热时会产生自振动,使灰不易粘附在管壁和翅片上,不易堵灰;热管可根据环境的需要而设计;

(5)使用寿命长、应用领域广。

图5璃窑热管余热锅炉示意图

1-烟气入口；2-除尘器；3-吹灰器；4-烟箱；5-落灰斗；6-烟气出口；7-汽包

3、发展方向和存在的问题

3.1、节能技术方向

（1）、蓄热节能技术[3]

自从英国的BritishGasgong公司开发了一套蓄热燃烧系统应用于小型玻璃熔窑上起，蓄热技术经历了一系列的技术变革，已经广泛应用到钢铁、铝制业、建材等工业，直到现在这项技术依不足与解决方法然广泛的应用到各种各样的玻璃炉窑上，成为节能的主要措施。

玻璃炉窑主要包括熔化部空间、成对分布的小炉、蓄热室以及换向装置(如图5)[3]。蓄热技术是通过两侧小炉的交替工作，利用格子砖的蓄热、放热而实现节能的。在一个换向周期内，一侧小炉作燃烧器，另一侧作排烟装置，高温烟气经小炉后进入蓄热体进行蓄热，本身温度降低后排人大气；在下一个换向周期冷空气进入蓄热室被预热后进入小炉进行燃烧，如此交替进行完成热回收。

图6玻璃窑示意图

（2）、富氧燃烧和全氧燃烧对于玻璃窑炉设备的节能减排有明显效果，是玻璃窑炉的发展方向[15]。

全氧燃烧技术[16](Clear-OxygenCombustion)指以纯度在92%以上的氧气作为助燃介质，该氧气需要独立自制或外供购买。与传统方式相比，玻璃熔窑取消了蓄热室、小炉、换火系统等，可降低能耗12.5%～22%甚至更高，废气排放量减少60%以上，氮氧化物可减80%～90%，烟气成分含水量高，含氮量低，烟尘也可降低50%以上。无稀释风的情况下熔化吨玻璃液排放出的烟气量约500Nm3～1300Nm3，熔窑排烟温度为950℃～1540℃。

最近十年发展起来的全氧燃烧技术是以纯氧进行燃烧的新技术。美国的康宁公司、葡萄牙、法国、比利时、西班牙等国的许多公司纷纷采用纯氧与燃料进行燃烧，大大提高了玻璃的产量和熔窑的热效率，有效的降低了污染。相对玻璃工业的第一次革命(蓄热技术的应用)，全氧燃烧技术的发展称为玻璃工业的第二次革命[3]。

富氧燃烧（Enriched-OxygenCombustion）是以氧含量高于21%的空气做为助燃气体，可来源于厂内制氮所产生的富氧气体，是玻璃行业中广泛应用的节能技术之一。与传统燃烧技术相比，可提高火焰温度、加快燃烧速度、降低燃料燃点温度、促进燃烧完全、降低燃料消耗，同样可减少排气量，一般可以节能3%～5%。

3.2、浮法玻璃熔窑正在向大型化方向发展[17]

目前运行的浮法玻璃线熔窑,大部分窑型的日熔化量为:450t～800t,排烟温度:400℃～520℃,排烟量:6m3/h～12万m3/h。

3.3、高参数化[4]

近代余热锅炉的另一趋向是把所产生的蒸汽首先作为工厂本企业的动力应用，之后，再作为工艺用气或者供热，使能源的有能利用的更合理，因而余热锅炉就成为了动力锅炉了。为了提高此动力锅炉的蒸汽质量和循环热效率，就需要提高蒸汽的初参数。

3.4、目前玻璃窑行业余热利用主要存在的问题是[18-19]

给水泵运行不稳定、如何积灰减少停炉次数、如何解决玻璃窑烟气特性造成的低温腐蚀、如何设计余热锅炉以满足脱氮处理要求以及如何降低锅炉本体的钢材耗量以提高经济性等。结合已有产品运行情况和新产品开发过程，一些解决方法如下：

（1）将除氧器由锅炉自除氧方式改为集中除氧[20]。外部加热方式保证除氧器运行参数稳定，进而保护给水泵的稳定运行。

（2）玻璃窑废气中的灰尘吸附性、溶水性好，粉尘沉降性差[21]。为防止锅炉受热面表面结灰，需采用合理的管束布置形式、位置尺寸和烟气流速。尽量采用煤气、天然气、低硫焦等含硫量低的燃料，不但对玻璃品质有保证，还对玻璃窑、蓄热室、余热锅炉、脱硫系统等设备运行有好处。

（3）积极寻找适合的锅炉清灰系统。从水泥窑借鉴来的机械振打清灰方式，并不太适合玻璃窑余热锅炉。主要原因是玻璃窑燃料含硫量高，黏性大，不易脱落。例如弱爆清灰技术[22.28]采用乙炔气体爆燃的激波冲击换热管表面，在玻璃窑余热锅炉上充分合理的布置弱爆发生器时，能够起到较好的清灰作用。

（4）为防止余热锅炉产生低温腐蚀，低温段受热面的金属壁温需比烟气的酸露点温度高10K[23]玻璃窑烟气的酸露点温度（见表2）[24.29]采用高温热力除氧闪蒸系统或双压系统提高尾部管内介质温度，提高介质温度从而防止尾部管束低温腐蚀。

（5）减少锅炉用水冲洗次数，提高锅炉排烟温度，减少蒸发管束腐蚀发生。

（6）尽量让锅炉在正常设计的参数下运行，减少低负荷运行时间。

（7）加强运行人员及维护人员的责任心，及时对余热锅炉进行维护保养。

表2玻璃窑烟气的酸露点温度

Aciddewpointtemperatureoffluegasfromglass-meltingfurnace

4、结论

我国是新兴发展起来的发展中大国，伴随着经济实力不断增强，发展无疑成为了现代社会最明显的特征。而自从工业革命以后，世界各个国家的进步、富强，也无不是工业生产发展为第一步；从最近几十年的成果来看，我国工业余热资源十分丰富且广泛存在于各种生产过程中，无论是在玻璃窑、水泥窑高炉等这些方面，还是在煤炭、石油、化工、建材、机械和轻工等行业更是如此，被视为继煤、石油、天然气、水力之后的第5大常规能源。在中国，各主要工业部门的余热资源率平均达7.3%，而余热资源回收率仅34.9%，回收潜力巨大[25]。因此，充分利用余热资源是实现工业节能减排战略目标的主要手段之一。玻璃窑炉余热锅炉的广泛使用，将会是传统的玻璃工业向节能、环保和高效的现代工业的一次转型。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1、课题：

本课题是600t/d玻璃炉窑水平式余热锅炉系统设计，通过回收玻璃炉窑的烟气热量，采用余热锅炉的余热回收技术产生过热蒸汽供汽轮机发电用；提高玻璃炉窑的热效率，改善玻璃生产行业的循环经济性。

现已知，烟气量：65000nm3/h，进口温度：500℃，出口温度：185℃。烟气成分（v%）：o2：14.13；n2：54.69；co2：13.43；h2o：17.75。利用装置回收烟气余热，产生过热蒸汽供汽轮机发电用。给水条件：104℃除氧水；蒸汽要求：2.4mpa，430℃过热蒸汽；