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玻璃熔窯廢氣余熱發電技術

推廣與應用

PromotionandApplicationofWaste-heatPowerGenerationTechnologyforGlassFurnace2006-4-25第十七屆中國國際玻璃工業技術展覽會The17thChinaInternationalGlassIndustrialTechnicalExhibition

(ChinaGlass2006)

主要內容廢氣余熱資源及其利用途徑玻璃熔窯節能潛力廢氣余熱發電技術概要余熱發電系統建設原則和要求玻璃熔窯的工作特點和廢氣資源特性適應于玻璃熔窯特點的余熱發電專利技術玻璃熔窯余熱發電關鍵裝備及系統介紹典型解決方案廢氣余熱資源大部分工業過程都伴隨產生一定的廢棄熱能，稱之為“余熱資源”，如煙氣、廢蒸汽、廢熱水、高溫待冷卻物料、化學反應過程放熱、未燃燼物等。余熱資源屬于二次能源、中級能，就形態分有氣態、液態和固態三種，這里主要討論的是“廢氣余熱資源”。廢氣余熱資源按溫度分：高溫廢氣余熱（>650℃）中溫廢氣余熱（350~650℃）低溫廢氣余熱（<350℃）廢氣余熱資源工業過程的能源消耗以燃料和電力為主，通常燃料的利用率在30~40%之間，會有大量的余能產生，且大部分余能以廢氣余熱的形式存在。如不對廢氣余熱資源進行回收利用，不僅會浪費能源，而且還污染環境。玻璃熔窯設計使用重油、天然氣、煤氣等燃料。燃料在爐內燃燒形成的煙氣被排出窯外，即產生了廢氣余熱資源。玻璃熔窯廢氣屬于中溫廢氣余熱，溫度在450℃左右。廢氣余熱資源的利用途徑主要有：熱利用和動力回收：熱利用就是直接利用廢氣熱能，提供生產生活需要，簡單、直接。動力回收是將廢氣熱能轉化成清潔的、使用方便、輸送靈活的電能，可以擴大余熱利用途徑。對廢氣余熱中的熱能進行動力回收，發出清潔的電力，是一項最佳的節能措施。利用工業過程的廢氣余熱資源建設余熱發電站,，能實現“變廢為寶”，是一項節能環保綜合利用技術改造項目，其經濟效益、環保效益和社會效益十分顯著。廢氣余熱資源利用途徑玻璃熔窯節能潛力玻璃熔窯的能流平衡關系為：玻璃液吸熱占總熱量40~45%；，即燃料利用率只有40~45%；通過熔窯表面散熱損失為20~25%；排煙損失為30%。目前，玻璃行業主要采用熱利用的回收途徑，即設置熱管式余熱鍋爐，回收部分廢氣熱能，煙氣大部分是半通過的。余熱鍋爐用于產生飽和蒸汽，提供給重油加熱或承擔采暖熱負荷。目前余熱鍋爐的排煙溫度在230~250℃，余熱利用率只有30~40%而實際上，玻璃窯的排煙余熱利用率可達65~80%，詳細分析如下。以一條600t/d燃用重油的浮法線為例：排煙溫度約450℃左右，廢氣量約96000Nm3/h；排煙所攜帶的總熱量約6100×104kJ/h，相當于每小時燃燒2.08噸標煤所放出的熱量；根據發電領域的經驗，余熱鍋爐排煙溫度的選擇主要考慮1）能順利排煙，2）防止鍋爐受熱面低溫段腐蝕，3）鍋爐受熱面布置技術經濟合理；因重油燃料含有硫份，煙氣中含有酸性氣體，為防止余熱鍋爐產生低溫腐蝕，余熱鍋爐的排煙溫度要高于酸露點溫度，即大于130~150℃；換言之，上述排煙總熱量中有65~70%可以被余熱鍋爐回收，剩余30~35%仍為排煙損失；如果鍋爐的排煙溫度能達到130~150℃，則余熱利用率為65~70%，節標煤1.35~1.46噸/小時，可發電2700~2900kWh左右；對玻璃企業全廠而言，燃料利用率提高了20~21%。如玻璃熔窯設計燃用天然氣或煤氣等清潔燃料，不受酸露點的限制，鍋爐的排煙溫度可為90℃，廢氣余熱回收的比例（余熱利用率）可達78~80%，節標煤1.62~1.67噸/小時，可提高玻璃企業燃料利用率23~24%。玻璃熔窯節能潛力600t/d玻璃熔窯余熱鍋爐煙囪玻璃熔窯節能潛力40~45%40~45%60~66%63~69%回收利用玻璃熔窯的排煙熱能，進行余熱發電，可提高玻璃企業的能源利用率。余熱發電所發電力直接用于玻璃生產各環節，減少外購電量，降低單位玻璃生產成本。可以緩解能源供應緊張的局勢、減少污染物的排放。玻璃企業建設余熱發電可提高企業的經濟效益，減少大氣污染物的排放，實現經濟效益、環保效益和社會效益多贏的局面，符合循環經濟“減量化、再利用、資源化”原則，是我國玻璃企業發展循環經濟重要途徑。廢氣余熱發電技術概要余熱發電系統就其本質而言與火力發電系統相同，主要工作原理為：利用余熱鍋爐回收廢氣余熱中的熱能，將鍋爐給水加熱生產出過熱蒸汽，然后過熱蒸汽送到汽輪機內膨脹做功，將熱能轉換成機械能，進而帶動發電機發電余熱發電系統與火力發電系統的主要差距就是熱源不同。余熱發電系統的熱源為主工藝生產過程排出的廢氣余熱，其主要特征是：與火力發電相比，熱源不可控熱源參數受主工藝的影響較大因此，在保證余熱發電系統的可靠、穩定、安全運行的前提下，為最大化利用廢氣余熱，有著不同的余熱發電系統技術。廢氣余熱發電技術概要目前已有的廢氣余熱發電技術主要有：按形式分：純余熱發電技術（高溫余熱發電、中低溫余熱發電）帶補燃的余熱發電技術按熱力系統分：單壓余熱發電系統多壓余熱發電系統，如雙壓、三壓、蒸汽/熱水閃蒸復合發電系統余熱發電技術在鋼鐵、冶金、建材（水泥）、化工、燃氣蒸汽聯合循環等行業中有著大量的應用實例。實踐證明，任何余熱發電技術必須滿足如下要求才能得到長足發展：主工藝過程對余熱發電系統的要求對熱源的特性（廢氣參數、波動范圍、換熱特性等）有很好的適應性在滿足上述兩項要求的前提下，盡量獲得最大化的余熱利用率玻璃行業發展余熱發電是必然的趨勢和選擇玻璃行業發展余熱發電是必然的趨勢；玻璃熔窯廢氣余熱資源的規模比水泥行業相對較少，在過去對玻璃窯的廢熱利用大部分是熱利用，回收部分熱量用于重油加熱和承擔采暖熱負荷。隨著我國浮法玻璃技術的推廣以及玻璃產能的不斷提高，我國玻璃行業的廢氣余熱資源越來越多。過去的熱利用以不能滿足余熱利用最大化的要求。此外，隨著能源價格的不斷上漲，玻璃企業如何能降低生產成本、提高企業的競爭力，已是眾多玻璃企業能否擺脫困境、獲得持續發展的關鍵。國家倡導的能源政策、環保政策也要求玻璃企業必須走低能耗、低污染的道路，因此，玻璃行業發展余熱發電已具備廣泛的社會基礎。玻璃行業發展余熱發電要掌握好余熱發電系統的建設原則，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，在借鑒其他行業余熱發電所取得的經驗的基礎上，開發出適合于玻璃熔窯特點的余熱發電技術，不走低水平重復建設的道路。余熱發電系統的建設原則：首先需充分理解和認識主工藝過程的工作特點和廢氣余熱資源的特性，如主工藝工作特點，廢氣參數的變化，廢氣的成份，廢氣的換熱特性等在充分理解和掌握理解廢氣特性及換熱特性的前提下，正確處理好余熱發電與主工藝的主輔關系，以不影響并要保證主工藝過程的正常生產為建設原則因此，對余熱發電系統及裝備提出如下要求：首先，余熱發電系統及裝備必須可靠，即可靠性要高，因為余熱發電系統是主工藝的配套工程，在任何情況下不能影響主工藝的正常運轉；其次，余熱發電系統及裝備的運行要穩定，即保持一定的穩定性，對主工藝排出的廢氣余熱要無條件接受；此外還必須提高余熱發電系統及裝備對廢氣參數的適應性，在主工藝排出的廢氣參數波動時，要求余熱發電系統及設備的變工況性能要好。余熱發電系統建設原則和要求玻璃熔窯的工作特點和廢氣資源特性玻璃熔窯生產的主要特點是在一個窯齡（6~10年）內不停窯，這樣就要求余熱發電系統運行時：在任何情況下保證排煙通暢，保證玻璃熔窯的安全運行；在任何情況要保證窯內壓力的平穩，任何操作對窯壓的影響要保持在±0.5Pa范圍內波動，保證玻璃的質量；要適應玻璃窯頻繁換向的工作特點；需充分認識到玻璃行業中溫廢氣余熱資源的特性：廢氣余熱屬于中溫余熱、廢氣流量較少，熱品位較低，熱回收代價較大；廢氣余熱的參數（溫度、流量、壓力）具有一定的波動性，波動范圍大；我國90%左右的玻璃企業燃用重油，重油平均含硫率在0.5～3％，其燃燒產物含有大量的腐蝕性（酸性）氣體和黏結性較強的油灰。在認識上述特性的基礎上，開發出適應于玻璃熔窯特性的余熱發電系統技術和關鍵裝備技術。玻璃熔窯的工作特點和廢氣資源特性玻璃熔窯中溫廢氣余熱資源的特性分析中溫余熱、廢氣流量較少熱品位較低廢氣參數（溫度、流量、壓力）具有一定的波動性針對熱源品位，選取適合工作壓力。整合窄點技術、換熱端差和接近點端差優化熱力系統，獲得最大化余熱利用率系統增加調節旁路，通過給水量的調節來適應廢氣參數的變化。提高設備的變工況能力，保證設備安全、可靠、穩定運行廢氣含有酸性氣體、黏結性強的油灰余熱鍋爐排煙溫度大于酸露點溫度。余熱鍋爐結構設計應減緩灰垢的集結。余熱鍋爐設置有效的在線清灰設施。玻璃熔窯的工作特點和廢氣資源特性玻璃熔窯工作特點分析在任何情況下保證排煙通暢在任何情況要保證窯內壓力的平穩優化煙道系統設計，設置旁路及應急煙道，采用強制排風方式，保證在任何情況下排煙通暢。采用變頻調節引風機，保證正常運行期間窯壓平穩。采取煙道切換控制技術，保證煙道切換時窯壓平穩過度。玻璃窯頻繁換向熱力系統設置調節旁路，適應窯向頻繁切換，保證玻璃窯和余熱發電系統正常運行。提高設備變工況能力。適應于玻璃熔窯特點的余熱發電專利技術---

“單壓低參數回熱余熱發電系統技術”根據上述分析，我們開發出“單壓低參數回熱余熱發電系統技術”，這是一項能完全適應前述玻璃熔窯廢氣余熱特性及玻璃窯工作特點的系統技術。“單壓低參數回熱余熱發電系統”系統簡單、余熱利用率高，在提高余熱發電系統發電量的同時保證發電系統穩定性、可靠性和適應性。該項專利技術能較好地適應玻璃熔窯的廢氣余熱資源特性（低品位及波動性）以及玻璃窯的工作特點，運用了先進的窄點分析技術，能最大程度地提高余熱綜合利用率，減少火用損失。該項專利技術在同樣的廢氣參數及保證余熱發電系統的安全、穩定、可靠前提下，余熱發電系統的發電量最大（比常規技術高15~30%）。基于成熟的常規單壓發電技術，系統簡單、可靠；選取了適當的、相對較低的工作壓力參數，以及選取技術經濟最優的窄點溫差、接近點溫差及換熱端差等關鍵指標，通過不同的組合，以便獲得最大化的余熱利用率；系統內部設置了回熱調節旁路及裝置，提高對廢氣參數變化的適應性和穩定性。“單壓低參數回熱余熱發電系統技術”

熱力系統示意圖余熱電站構成電站構成：熱力系統：余熱鍋爐、汽輪發電機組、凝汽器、減溫減壓裝置、汽輪機旁路系統、回熱旁路系統、給水加熱裝置、給水泵、閥門、管道等煙道系統：主煙道、旁路煙道、煙道閘板等循環冷卻水系統：循環水泵、冷卻塔、循環水池等化學水系統：化學水處理裝置、除氧裝置、補水泵等電氣系統：高壓系統、低壓系統、直流電系統、同期裝置、保護裝置等控制系統：全廠DCS系統汽輪機旁路系統、回熱旁路系統是保證余熱發電系統可靠性的措施，也是適應玻璃窯廢氣特性和運行特點的有效措施。主機裝備--玻璃熔窯余熱鍋爐用于玻璃窯余熱發電的余熱鍋爐為電站水管鍋爐。玻璃窯發電余熱鍋爐有別于燃用燃料的電站鍋爐，由于沒有燃料供應和爐渣排除設施，因此，玻璃窯發電余熱鍋爐的連續運行時數高于燃用燃料的電站鍋爐。發電余熱鍋爐不同于玻璃廠現用熱管式余熱鍋爐，配置有效在線清灰裝置，可保證在不停爐的情況下連續清灰。玻璃窯發電余熱鍋爐將從省煤器出口抽取未飽和水以適應煙氣工況的變化，防止省煤器出口汽化現象產生，保證鍋爐的安全運行。典型余熱鍋爐總圖主機裝備--玻璃熔窯余熱鍋爐的清灰如前所述，我國90%左右的玻璃企業燃用重油，重油平均含硫率在0.5～3％，其燃燒產物含有大量的腐蝕性（酸性）氣體和黏結性較強的油灰。因此，減緩余熱鍋爐結垢、在線清灰是保證余熱發電系統長期穩定運行的關鍵。煙氣中含有酸性氣體，當鍋爐受熱面壁溫低于酸露點溫度時，容易在鍋爐受熱面金屬表面結露形成酸性液體，酸性液體易腐蝕管壁同時還容易積灰，在管壁表面形成油垢層，這不僅影響傳熱，而且長久使用下去會加重受熱面金屬的腐蝕。因此，配套重油煙氣的余熱鍋爐設計時需充分考慮上述因素，從設計上減緩結垢的形成，同時采取必要的、有效的在線清灰措施。設計上減緩結垢的形成的主要措施：1）提高管壁溫度，提高給水溫度；2）選擇大節距，3）選擇較低煙速，4）順列布置。在線清灰方式為高溫高壓氣體吹灰。在線清灰的頻率和每次清灰的時間取決于灰垢集結的速度。通常說來在線清灰的頻率為每隔8小時清灰一次，每次20~30分鐘。停爐清灰的措施為用堿水沖洗管子表面，每年小修時沖洗一次即可。主機裝備--汽輪機的性能汽輪機內效率根據具體項目的蒸汽參數（壓力、溫度、流量），對汽輪機轉子葉型進行四維設計，提高汽輪機內效率變工況性能采用適應余熱發電特點的調節和控制手段，做到“來多少、吃多少”余熱發電的汽輪機多處于非設計工況運行，采用先進的變工況設計，實現在非設計工況下仍有較高的內效率，從而保證實際發電量玻璃窯余熱發電之煙道系統的設計煙風系統控制及供電原則：由原有配電系統供電，控制納入玻璃生產線的調節系統通過不同煙道閥門的連鎖控制，保證在任何情況下排煙通暢窯壓的控制由現有控制系統實現，通過采取必要的措施保證煙道切換時對窯壓的不沖擊采用強制通風的方式排煙玻璃窯余熱發電之電力接入系統電廠接入系統方案為保證用電穩定可靠及保證發電質量，玻璃窯余熱發電系統所發電力將采用“并網但不上網”的方式。余熱電站的的發電機出線將直接接至玻璃廠的總降壓變電站。電站設一臺備用變壓器，作為啟動和備用電源。備用變壓器的電源取自玻璃廠的總降壓變電站或保安電源。玻璃窯余熱發電站所發電力采用”并網但不上網方式”，符合國家關于資源綜合利用電站的認定條件，所能享受的優惠政策有：根據國務院批轉國家經貿委等部門《關于進一步開展資源綜合利用意見的通知》（國發〔1996〕36號1996年8月31日）一文：：“凡利用余熱、余壓、城市垃圾和煤矸石、煤泥等低熱值燃料及煤層氣生產電力、熱力的企業（以下簡稱綜合利用電廠），其單機容量在500千瓦以上，符合并網調度條件的，電力部門都應允許并網，簽訂并網協議，對并網的機組免交小火電上網配套費。電網購入綜合利用電廠電量所發生的購電費用可計入成本，作為電網銷售電價調整的基礎。綜合利用電廠與電網互供電量在同一計量點的，可以實行電量按月互抵結算。綜合利用電廠所發電力，不納入國家分配計劃，可以在內部調劑使用，電力部門不得扣減電網供應給該企業的電力電量計劃指標”。典型解決方案

600t/d浮法玻璃線（燃用重油）余熱發電站原始條件玻璃熔窯數量 1 條日熔玻璃量： 600 t/d設計使用燃料： 重油煙氣熔化單位玻璃的熱耗： 約1500 kcal/kg排出煙氣量： ~96000 Nm3/h（±5000）排放煙氣溫度： 450 ℃（±30）要求提供0.6MPa、2t/h的飽和蒸汽供重油加熱使用余熱電站形式電站形式： 熱電聯供電站機爐配置: 一臺余熱鍋爐和一套抽凝式汽輪發電機組供熱能力： 提供0.6MPa、2t/h的飽和蒸汽，從汽輪機后部抽汽發電能力： 在保證供熱的同時，發電能力為1940~2640kW

平均發電能力2290kW電站裝機規模: 2500kW建設期： 10~12月典型解決方案

600t/d浮法玻璃線（燃用重油）余熱發電站主要技術經濟指標：電站用地： 發電主廠房用地25×22m

發電輔助生產廠房用地15×22m

余熱鍋爐布置在窯頭，露天占地10×15m電站用水： 循環冷卻水補水31t/h

化水系統補水2.3t/h(重油加熱之冷凝水不回收）電站定員： 24人（四班三運轉，每班6人）設備可用率（隨窯運轉率）： >95%平均負荷年運行時數: 7200h余熱電站綜合自用電率： 5%年發電量: 1649×104kWh年供電量（減少外購電量）: 1565×104kWh單位發電投資： ~7500~8500元/kW平均發電成本: 0.12~0.15/kWh

（包括折舊、攤銷、修理、人工、水、其它材料等）年凈效益： >700萬元（未計供熱效益）投資回收期: 2~3年（外購電成本0.6元/kWh計）典型解決方案

600t/d