介绍了我国在工业生产中余热资源利用的基本现状,探讨了各种余热利用技术的进展,分析了水泥窑、工业炉余热利用等方面存在的主要问题,为科学合理地进行余热利用提出了相关建议。
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。这些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。
节能减排是我国经济和社会发展的一项长远战略方针,也是一项极为紧迫的任务。回收余热降低能耗对我国实现节能减排、环保发展战略具有重要的现实意义。同时,余热利用在对改善劳动条件、节约能源、增加生产、提高产品质量、降低生产成本等方面起着越来越大的作用,有的已成为工业生产中不可分割的组成部分。自上世纪六七十年代以来,世界各国余热利用技术发展很快。目前,我国的余热利用技术也得到了长足进步,但是与世界先进水平还有一定的差距,有一部分余热尚未被充分利用,有一部分余热在利用中还存在不少问题。
余热属于二次能源,它是一次能源和可燃物料转换过程后的产物,是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量。一般分成下列七大类:高温烟气余热、高温蒸汽余热、高温炉渣余热、高温产品余热(包括中间产品)、冷却介质余热、可燃废气余热、化学反应及残炭的余热、冷凝水余热等。常见的余热利用方法主要有:余热锅炉、热水法、预热空气、烟气-流体换热器、加工物料等。
由于使用的生产方法、生产工艺、生产设备以及原料、燃料条件的不同和工艺上千变万化的需要,从而给余热利用带来很多困难。一般说来余热热源往往有以下特点:
(1)热负荷不稳定。不稳定是由工艺生产过程决定的。例如:有的生产是周期性的,有的高温产品和炉渣的排放是间断性的,有的工艺生产虽然连续稳定,但热源提供的热量也会随着生产的波动而波动。
(2)烟气中含尘量大。如氧气顶吹转炉烟气中的含尘量达80～150g/m3、沸腾焙烧炉150～350g/m3、闪速炉80～130g/m3、烟气炉80～160g/m3,含尘数量大大超过一般的锅炉。同时烟尘的物理、化学性质也特别恶劣,尤其是炉烟温度高、含尘量大时,更容易粘结、积灰,从而对余热回收的设备有可能产生严重磨损和堵塞的后果。表1和表2示出了几种典型工业过程中余热烟气成分、灰尘浓度、烟尘化学成分的分析数据。
(3)热源有腐蚀性。余热烟气中常常含有二氧化硫等腐蚀性气体,在烟尘或炉渣中含有各种金属和非金属元素,这些物质都有可能对余热回收设备造成受热面的高温腐蚀或低温腐蚀,参见表2。
(4)受安装场所固有条件的限制。如有的对前后工艺设备的联接有一定的要求,有的对排烟温度要求保持在一定的范围内等。这些要求与余热回收设备常发生一定的矛盾,必须认线、我国余热利用的现状
据统计,截至2005年底,我国运行的各种工业炉约有95万台,能耗占全国工业总能耗的35%以上,其中有大量的余热仍没能被充分利用。例如,冶金行业中可利用的余热约占其燃料消耗量的1/3,建筑材料约占40%,机械制造加工业约占15%,化工、玻璃、搪瓷业占15%以上,造纸、木材业占17%;纺织业约占10%。下面就几个高能耗行业的余热利用现状展开论述。
利用纯低温余热发电技术来回收水泥窑余热,已经在水泥行业内被广泛采用,并作为我国“十一五”十大重点节能工程之一的余热余压利用工程被推广。经中国水泥协会初步统计,2008年全国新型干法水泥生产线t/d生产线t/d生产线年之前已有的新型干法水泥生产线年底,全国共有新型干法水泥生产线万吨。国家发改委制定的“十一五”发展目标是:2010年水泥预期产量在12.5亿吨,其中新型干法水泥比重提高到70%,新型干法水泥吨熟料热耗由130kg下降到110kg标准煤,采用余热发电的生产线月,全国水泥行业在新型干法水泥生产线上已经配套建设各种类型的纯低温余热电站约186座(包括已经投产运行和正在建设的),形成年余热发电量98亿度的能力,相当于年节约380万吨标准煤、减排二氧化碳980万吨。
新型干法水泥窑余热烟气一般为400℃以下的废气:一部分是窑尾预热器产生的高粉尘(70～100g/m3)浓度的窑尾烟气;另一部分为窑头冷却熟料的低粉尘(～30g/m3)浓度的窑头烟气。根据水泥窑生产工况的特点,烟气排气量和温度均有较大的波动范围,同时排出的烟气中含有一定量的粉尘,窑尾排出的烟气粉尘主要是生料,磨砺性不强,但有一定的粘附性,容易在余热锅炉受热面上沉积形成沾污,降低传热系数;而窑头废气中的粉尘主要是熟料颗粒,烟气成分接近空气,但其磨砺性较强,容易使余热锅炉受热面产生磨损。
冶金企业属于耗能型企业,其能耗占全国能耗的10%左右,占工业部门能耗的15%左右,能源费用占企业生产总成本20%～30%。由于能源生产的增长速度尚难以适应国民经济发展的要求,能源价格的上升和波动已经对冶金企业的生存和发展构成了挑战,节能降耗已经成为冶金企业长期的战略任务。冶金企业从原料、焦化、烧结到炼铁、炼钢、连铸以及轧钢的生产过程中产生大量含有可利用热量的废气、废水、废渣,同时在各工序之间存在着含有可利用能量的中间产品和半成品。充分回收和利用这些能量,是企业现代化程度的标志之一。
目前,冶金企业常用的余热利用方式有:安装换热器、余热锅炉、炉底管汽化冷却、冷热电联产等,回收后的热量主要用于预热助燃空气、预热煤气和生产蒸汽。国内冶金企业换热器的发展趋势是:换热器的型式由简单的低效型走向强化传热的高效型,热风温度一般在300℃以上(比过去提高了80～100℃),出换热器的烟温由过去的400～500℃降低到250～400℃。以宝钢钢铁股份有限公司为例,其主要的余热回收技术有:干熄焦(CDQ)发电技术、烧结余热回收技术、高炉余压发电技术、副产煤气回收技术、热送热装技术、加热炉汽化冷却技术、炉窑烟气余热回收技术等。十年来,该公司余能回收量大幅提高了86%。
建筑陶瓷行业消耗的热能中,主要集中于干燥和烧成工序,它们的能耗占整个企业能耗的80%以上。其中,约有61%用于烧成工序,干燥工序能耗约20%。我国陶瓷行业的能源利用率为28%～30%,而发达国家的能源利用率一般高达50%以上。建筑陶瓷企业的窑炉所产生的烟气带走的热量是巨大的,而目温度较高可达400～500℃,占窑炉总热量的25%～35%,喷雾塔所产生的烟气和水气热能虽然温度较低(80～120℃),但热量巨大。人们对这部分余热利用已经重视起来,目前已经逐渐开始推广利用窑炉余热直接加热干燥坯体或喷雾泥浆、在换热器中用烟气余热加热助燃空气和气态燃料、设置余热锅炉生产蒸汽以及用于冷热电联产。
图1示出了5000t/d新型干法水泥生产线余热发电工程系统图。一般一条生产线台余热锅炉,分别称为窑头余热锅炉(AQC)和窑尾余热锅炉(SP)。水泥窑余热发电技术大致经历了中空窑高温余热发电、预热器及预分解窑带补燃炉的余热发电、带预热器及预分解窑的纯低温余热发电3个发展阶段。纯低温余热发电系统是在带补燃锅炉的低温余热发电技术基础上发展起来的,通过十几年来众多生产线余热锅炉的运行实践,我国几大设计院和制造厂初步摸索和掌握了水泥窑余热锅炉结构设计和性能设计的原理,解决了锅炉漏风、积灰、磨损、腐蚀等运行中曝露出的问题,为目前全面开发纯低温余热发电技术奠定了可靠的基础。目前国内余热发电技术要采用单压、双压、闪蒸等3种热力系统,在相同烟气参数条件下,按照技术经济的观点,这3种系统中,单压系统发电能力较低,双压系统发电能力较高,而闪蒸单级补汽系统其发电能力介于两者之间。
水泥窑纯低温余热发电技术主要是利用预分解窑系统中窑尾预热器排出的废气余热及窑头熟料冷却机排掉的废气余热。根据废气温度和废气量的不同,余热发电系统的余热发电能力也不同,对于水泥熟料产量从700t/d到5000t/d,甚至达到10000t/d的生产线,其余热发电系统单台机组发电功率为4500～24000kW不等。当窑尾预热器排出的废气温度为350～430℃、窑头熟料冷却机排掉的废气温度为200～380℃时,通过余热锅炉回收其中的余热产生温度为330～400℃、压力为1.25～2.45MPa一定流量的过热蒸汽,驱动汽轮机发电,同时产生低压饱和蒸汽作为补汽进入汽轮机。表3给出了某实际使用的2500t/d规模水泥窑生产线中采用的窑头和窑尾余热锅炉的规范参数。
以下是我们在广泛调研国内众多运行的水泥窑低温余热发电系统后,对我国目前低温余热发电系统及余热锅炉技术的评价:
工业炉余热利用的技术主要有:安装换热器或采用蓄热燃烧技术,预热助燃空气或煤气,安装余热锅炉加热热水或产生蒸汽,预热被加热的物料。充分回收余热,节约燃料。一般助燃空气温度每提高100℃,可节约燃料5%。通过预热空气、燃料或工件,使烟气余热加热空气返回炉内,可使火焰稳定、提高燃料温度和燃烧效率和设备热效率,节能效果更好。
(1)针对烟气和热风的保温差,采取措施充分保存与回收余热的排烟,使余热回收装置前的烟气热损失和回炉热风的显热损失分别降到5%和3%左右。而之前由于烟气从炉膛冒出、吸入冷风,地下烟道漏水、漏气,旁通烟道短路和管道绝热不良,使多数锅炉在回收装置前的烟气热损失高达30%～50%,回炉热风的显热损失为20%～33%。
(2)针对排烟温度高和换热器能力小。目前已经开发出了各种高效经济的换热器和能使用全热风的燃烧装置,回收后烟温可下降到180～250℃,不再需要安装价格昂贵而利用率不高的余热锅炉,使炉气余热从炉外回收转到炉内回收的方向来,并提出了“余热全自回收”的新概念,即设法降低排出的烟温和烟量,并使余热回收过程中的各项热损失减少,然后通过高效换热器将余热最大限度地回收并全部送入炉内。
余热锅炉是利用工业生产过程中的余热来产生蒸汽(热水)的设备,过去也称为废热锅炉,燃气—蒸汽联合循环发电过程余热锅炉称为热回收蒸汽发生器(HRSG)。文献《工业锅炉技术创新与发展思路探讨》总结了近年来余热锅炉技术的最新进展和创新思路,主要有以下几点:
(2)采用试验研究的方法研究粉尘的物理、化学和外部工作过程特性,采用数值模拟的方法进行通流结构的优化研究;采用试验研究的方法进行热交换受热面结构设计及传热、阻力特性研。