全氧燃烧玻璃窑废气特点及余热发电锅炉系统设计方案分析

周旭;朱云杰;华胜东

【摘 要】This article illustrated the basic flow of waste heat power

generation for glass furnace,compared the difference between the oxy-fuel and air-fuel combusted glass furnace in respect to the flue gas and explained the design schemes of waste heat power generation boiler system adopted in current oxy-fuel combusted glass furnace with analysis on their potential drawbacks in practice.%该文介绍了玻璃窑余热发电的基本流程,比较了采用全氧助燃的玻璃窑和采用空气助燃的玻璃窑所排废气的区别,列举了目前全氧燃烧玻璃窑采用的余热锅炉系统设计方案,并对这些方案在运行中可能存在的问题进行了分析. 【期刊名称】《建材世界》 【年(卷),期】2017(038)002 【总页数】4页(P117-120)

【关键词】全氧燃烧;玻璃窑;废气;余热发电;锅炉 【作 者】周旭;朱云杰;华胜东

【作者单位】中国建材国际工程集团有限公司,蚌埠 233010;中国建材国际工程集团有限公司,蚌埠 233010;中国建材国际工程集团有限公司,蚌埠 233010 【正文语种】中 文

改革开放以来，经济社会发展日新月异，我国玻璃工业的工艺技术和装备水平取得了长足发展，但仍存在能耗大和环境污染等问题。在国家大力提倡节能减排的形势下，目前大部分浮法玻璃生产企业配套建设了余热发电站和环保处理设施。余热发电站可以对玻璃窑排出的废气所带的余热进行回收和利用，环保处理设施可对玻璃窑废气中所含的二氧化硫、氮氧化物和烟尘等进行处理。通过在末端对废气进行回收和利用，为玻璃生产企业带来了较好的经济和环境效益。

为了进一步做好节能减排工作，从源头上减少燃料的消耗和污染物的产生，国内已有部分企业开始使用利用全氧助燃的玻璃窑炉。该文将主要介绍全氧燃烧玻璃窑的废气特性，并就全氧燃烧玻璃窑余热电站锅炉系统常用设计方案做出比较和分析。 普通空气玻璃熔窑在燃烧过程中，助燃空气中约79%的氮气被带入窑炉燃烧室，这些氮气不仅不参与燃烧反应，反而会吸收燃料燃烧产生的热量，然后排入大气，造成了大量的热损失。另外氮气在窑炉高温下还会与氧气反应生成NOx，造成环境污染。

随着社会和科技的发展，为了追求低成本、高质量的玻璃产品，被誉为玻璃熔化技术第二次的全氧燃烧技术应运而生。全氧燃烧技术是以纯度为90%～99%的氧气为助燃介质，避免了利用空气助燃时，有大量N2引入的情况。它一方面可以避免在燃烧中，对不起任何作用的N2进行不必要的加热，从而节约大量能源；另一方面，可以大大减少NOx的形成与排放，该气体排入大气层极易形成酸雨造成环境污染，因此NOx的排放浓度是考核环保问题的一个重要指标。另外，大量的氮烟气流过小炉、蓄热室、烟道、烟囱等设备，不仅会携带大量粉尘，而且还会减少设备的使用寿命，并对环境造成污染。

全氧燃烧技术可以明显改善玻璃液质量。全氧燃烧的烟气成分中只有CO2和H2O，所以对玻璃液透热性好、传热量多，加上玻璃液和大量水汽产生反应，羟基含量增加，粘度降低，有利于玻璃液的澄清和均化。另一方面，全氧燃烧火焰稳定，无换

向，燃烧气体在窑内停留时间长，窑内压力稳定且较低，这些都有利于玻璃的熔化、澄清，减少玻璃液的气泡、灰泡及条纹等缺陷。

玻璃窑余热发电系统采用的是朗肯循环，主要由余热锅炉、汽轮机、凝汽器、凝结水泵等组成。由玻璃窑炉排出的废气经过余热锅炉，进行热交换。余热锅炉里的水经过定压吸热产生过热蒸汽，过热蒸汽经管道送至汽轮机内进行等熵膨胀做功，做完功的蒸汽在凝汽器内定压凝结成凝结水，凝结水经凝结水泵等熵压缩再送回锅炉进行循环。

根据全氧燃烧工艺的特点，相比普通空气燃烧玻璃窑，全氧燃烧玻璃窑没有传统的蓄热室。如表1所示，在不同燃料情况下，全氧燃烧和普通空气燃烧废气的区别。 对比分析表1中的数据，可知：

1)全氧燃烧玻璃窑废气量很小。无论是以天然气还是以重油作为燃烧，全氧燃烧玻璃窑的废气量均不到空气窑的1/3。

2)除氧燃烧玻璃窑废气的N2含量很低。全氧窑废气中N2的含量只有空气燃烧玻璃窑的约5%。在单位时间内，全氧窑燃烧产生的N2总量约为空气窑的1.7%。其中部分N2在燃烧过程中会生成NOx，若按相同的转化率计算，单位时间内，同样熔化量的全氧窑废气中的NOx含量仅为空气窑中的1.7%。

3)全氧燃烧玻璃窑废气的含水量很高。约为空气窑的3倍，特别是以天然气为燃料的全氧窑，H2O含量达到了56.42%。

4)全氧燃烧玻璃窑废气温度较高。从全氧燃烧窑炉排出的废气没有经过蓄热室的降温，直接通过烟道排走，所以进入主烟道的废气温度比空气燃烧玻璃窑高出500～600 ℃。

根据全氧燃烧玻璃窑废气的上述特点，利用窑炉排出的高温废气进行发电，可以为企业节省大量成本。但是根据理论研究以及实际运行经验，全氧燃烧玻璃窑的余热发电锅炉易发生以下2个问题。

玻璃窑废气中含有大量烟尘，烟尘成分以Na2SO4为主，还有一些玻璃生产的配合料，如CaSO4、MgSO4及SiO2等。普通空气燃烧玻璃窑的蓄热室可以对烟尘起到较好的拦截作用，全氧燃烧玻璃窑没有蓄热室，所以除了少量粉尘在烟道中沉降以外，大部分烟尘会直接进入余热锅炉。

在高温下碱性硫酸盐中的Na2SO4、管壁氧化膜中的Fe2O3及烟气中的SO3反应会产生复合硫酸盐，反应公式为

当锅炉管壁温度大于550 ℃时，熔融态的复合硫酸盐与锅炉金属换热管壁发生如下反应见公式

2R3Fe(SO4)3+6Fe→1.5FeS+1.5FeO4+

同时，复合硫酸盐会捕捉烟气中的灰粒并形成灰层，且灰层不易被在线清灰装置清除，随着灰层的增厚，其表面温度会不断升高，使腐蚀进一步恶化。由此可见，当锅炉管壁温度大于550 ℃的情况下会产生硫酸盐高温腐蚀。图1为某全氧燃烧玻璃窑余热发电锅炉过热器换热管高温腐蚀情况。

当锅炉金属管道壁温低于烟气的酸露点温度时，硫酸蒸汽就会凝结在管壁上，对管道产生腐蚀。酸露点经验计算公式为 Tld=186+20lg VH2O+26lg VSO3

式中,Tld为露点温度,℃;VH2O- H2O为烟气的容积百分比,%;VSO3- SO3为烟气的容积百分比(按SO2容积的10%考虑)。

按照表1中不同燃料及不同燃烧方式下的废气成分，可以计算出表2结果。 根据表2中的露点温度可以看出，全氧燃烧玻璃窑的废气露点温度比空气燃烧玻璃窑的废气露点温度高22～23 ℃。这表示全氧燃烧玻璃窑的废气更容易出现低温腐蚀的情况，特别是在锅炉尾部低温段以及锅炉漏风处。

针对全氧燃烧余热发电锅炉目前的一些设计方案，进行了以下分析。

设计方案一：在全氧燃烧玻璃窑主烟道上设置掺冷风口。通过主烟道的负压吸入冷

空气，使余热发电锅炉进口温度降至550 ℃以下，同时降低锅炉过热蒸汽温度，使过热器管壁温度降低，可改善锅炉过热器金属管道高温腐蚀情况，同时也能使部分烟尘在进锅炉前沉降，减少进入锅炉的烟尘量。掺冷风后的废气成分有了很大的变化，见表3。

从表3数据可见，掺冷风后的废气单位体积水含量、CO2和SO2含量下降，O2和N2含量增加。根据公式(3)，掺冷风后的废气露点温度下降了约20 ℃。随着露点温度的降低，余热发电锅炉的排烟温度给水除氧器的运行压力也可以降低，给水泵的进水温度也降低。这种方案的优点是设备可靠性较高，能有效地避免或减少高温腐蚀和低温腐蚀的情况。缺点是进入余热锅炉烟气量变大，设备体积增加，需要配置较大型号的引风机，导致投资和自用电率增加。

高温烟气直接送入锅炉进行换热。锅炉进口高温段设置膜式水冷壁，利用水冷壁先吸收部分辐射热量，使烟气温度降至550 ℃以下，然后再与过热器换热管束进行换热。

这种设计方案的优点是能有效地避免高温腐蚀情况，同时由于没有掺入冷空气，所以烟气量小，锅炉体积较小。而且只需配置较小型号的引风机即可，投资和自用电量相对较小。

此方案的缺点是烟气含水量太大，且单位体积的烟气中SO2含量也相对较高，导致露点温度过高，为了避免或减少低温腐蚀情况，须将排烟温度设计在较高水平。以天然气为燃料的全氧玻璃窑，排烟温度设计在200 ℃左右，以重油为燃料的全氧燃烧，其排烟温度设计在220 ℃左右。由此可见，这种设计方案对全氧燃烧玻璃窑能源的利用率不如第一种方案高。另外随着锅炉运行时间的增加，一旦锅炉炉墙出现漏风等情况，由于烟气露点温度高，漏风处炉墙温度低，烟气中的硫酸蒸汽极易在漏风处凝结，导致炉墙腐蚀加快，减少锅炉寿命。在锅炉启动预热期间，这种方案的锅炉会产生更大量的酸性冷凝水，对锅炉的腐蚀情况会更严重。

对比上述两种设计方案，各有优劣，在设计中还需结合窑炉实际情况和各方要求，选择更加合适的方案。

全氧燃烧技术最早主要被应用于增产、延长窑炉使用寿命以及减少NOx排放，但随着制氧技术的发展以及电力成本的相对稳定，相信不论是在玻璃行业，还是在其它行业，全氧燃烧技术也会成为取代常规空气助燃的更好选择。虽然目前为全氧燃烧玻璃窑配套的锅炉系统还存在诸多问题，但随着科技的进步，以及对相关技术更深入的研究，会出现更多更好的余热锅炉解决方案。