高温隧道余热利用节能方案
高温隧道炉余热回收利用技术改进方案
指导老师：
魏林生老师
环境与化学工程学院
过程装备与控制工程081班
钟裕勇
一、前言
节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是建设发展和谐社会的必要条件。为推动全社会开展节能降耗，缓解能源紧张，建立节约型社会，促进社会可持续发展，实现和谐社会的目标，就要从日常生活、生产工作入手，加强能源节约建设。高温隧道炉余热回收利用，就是秉承这一宗旨，把生产过程中产生的剩余能量进行回收利用，达到了“节约能源，造福社会”的目标。
在稀土加工中, 消耗尽量少的能源, 生产出更多的合格产品, 是高温隧道炉热工性能、技术水平的重要标志, 也是高温隧道炉设计工作者长期以来为之奋斗的目标。无论引进国外先进窑炉,还是发展新型窑炉, 其目的都是为了改善窑炉的热工性能, 降低烧成能耗, 提高炉的热效率。为了提高产品的产量和质量, 首先就要使高温隧道炉的热工性能符合产品的烧成工艺。对高温隧道炉, 要求烧成( 温度、压力、气氛) 制度要稳定,温度要均匀, 燃料燃烧要完全, 热能的综合利用率要高等, 从而实现低耗、优质、高产的目的。本文通过对高温隧道炉综合与分析, 探讨了降低能耗, 提高炉热效率的潜力的一些方法。
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二 现况分析
在稀土生产过程中, 消耗尽量少的能源, 生产出更多的合格产品, 是衡量窑炉热工性能、技术水平的重要标志, 也是高温隧道炉设计工作者长期以来为之奋斗的目标。无论引进国外先进窑炉,还是发展新型窑炉, 其目的都是为了改善高温隧道炉的热工性能, 降低烧成能耗, 提高炉的热效率。
为了提高稀土产品的产量和质量, 首先就要使高温隧道炉的热工性能符合产品的生产工艺。对连续式的高温隧道炉—隧道, 要求温度、压力、气氛条件要稳定, 断面温度要均匀, 燃料燃烧要完全, 热能的综合利用率要高等, 从而达到快速烧成, 实现低耗、优质、高产的目的。从以上数据表明，生产工艺中产品仅消耗5%的热量，95%的热量被散失，能源浪费严重。
可主要表现在几个方面：
1） 炉内热交换慢，生产周期长。 2） 高温隧道炉保温不好，散热多。 3） 余热利用途径少，浪费大部分热量。
三 设计方案
1 高温隧道炉余热利用的现状与节能潜力
世界各国对隧道炉余热利用技术的研究和应用主要是把少量余热用于物料干燥、加热空气用于助燃或加热水供企业内部冬季供暖和职工洗浴等用途，余热利用效率较低。将隧道炉余热回收发电是近几年兴起的一种隧道炉余热利用方式，可降低企业的生产成本，在市场竞争
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中缩小与其他企业生产线产品成本差距，加速企业的装备技术水平升级。目前最高效、先进的余热发电技术是隧道炉辐射换热式余热发电技术。
2 隧道炉辐射换热式余热利用（发电）技术 1) 隧道炉辐射换热式余热发电技术及工艺原理
隧道窑余热发电系统由水处理及给水除氧系统、余热锅炉系统、汽轮机发电系统及热工、电气监控系统等组成（见图1）。首先，要保证锅炉给水水质完全达到电站锅炉水质标准， 同时考虑给水预热除氧，防止酸腐蚀和氧腐蚀，以增强锅炉的安全性能。经省煤器加热后的给水进入汽水分离器，汽水分离器内的水通过下降管分配到布置在各炉窑冷却段的加热器进口联箱，再分配到每根换热管内继续加热而产生汽水混合物。汽水混合物汇集到加热器出口联箱后，通过上升管进入汽水分离器产生饱和蒸气，饱和蒸气进入蒸气过热器内升温产生过热蒸气，再通过蒸气母管进入汽轮发电机发电，做功后的低温低压蒸气排入冷凝器转化为凝结水， 最后通过凝结水泵进入除氧水箱，回收凝结水。循环水吸收低温低压蒸气的热量后进入循环水冷却塔散热，通过循环泵不间断地向冷凝器供应循环水，确保凝汽器真空度。根据换热装置的布置情况分别设置温度、压力、水位、流量等热工仪表以及高限、低限声光报警和自动控制调节设备，对设备运行信息进行收集， 并将信号传输至集控中心处理，实现控制中心对余热发电装置的远程监视控制，以确保隧道窑余热发电系统的安全和正常运行。
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2）隧道炉辐射换热式余热发电方案
在隧道炉余热利用的过程中，大部分企业一般是把500 ℃～ 1 000 ℃的热量降到500 ℃以下后再通过换热装置回收余热，虽然能源的总量没有改变，但却降低了余热的品位，损失了大量高品位余热,导致余热再利用的经济指标降低，余热回收的成本加大，余热利用的效率也随之较低，热源污同时也造成大量的能源浪费和污染。产量直接关系着企业的经济效益，同时也是决定余热利用效益的关键。当产量越大时，进入炉内的热量也越多，安装余热锅炉后产汽量也就越大，余热利用的经济价值也就越高。把余热锅炉收集余热产生的过热蒸气送到凝汽式、抽气凝汽式或背压式汽轮发电机组发电，根据各企业的规模、实际产量、具体需求等条件全部发电或部分发电。可供选择的隧道炉余热利用方案如下: ①
凝汽式汽轮机发电
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无用蒸气需求的企业，可选择凝汽式汽轮发电机组，将余热全部用于发电，发出的电供企业使用。 ② 抽凝式汽轮机发电
周围有用汽量不稳定热用户（如冬季供暖、夏季制冷、蒸压釜制砖或大中型煤矿职工洗浴等）的企业，则选用抽凝式汽轮发电机组。需要用汽时，先把2.45 MPa 过热蒸气降至0.3 MPa ～ 0.8 MPa，在这个过程中，利用压差和温差发电，从汽轮机抽出0.3 MPa ～ 0.8 MPa 的蒸气再向热用户供汽，不需用汽时则全部用于发电。发电、供热两不误，并且热效率高，经济效益比凝汽式机组发电更高。 ③ 背压式汽轮机发电
周围有连续稳定热用户（如物料干燥、化工制药用汽等）的企业，则选用背压式汽轮发电机组，利用压差和温差发电，汽轮机排出的0.3 MPa 蒸气再向热用户供汽，热利用率高，经济效益最好。
3） 隧道炉辐射换热式余热发电技术的适用范围与技术经济指标
隧道炉辐射换热式余热发电技术是稀土焙烧技术与火力发电技术的交叉和集成，综合了电力、稀土两大行业的工艺流程、安全、质量标准，经过多个项目的工程和运行实践经验总结而成，该技术成熟，对大中型企业的隧道炉余热利用（发电、供暖、制冷、干燥）有较好的投资效益。该技术适用于内燃或外燃所有类型依赖隧道炉的企业余热综合利用。对生产稀土发光材料的企业尤其适用，可有效地换取高温带多余的热量，对提高隧道炉产量有明显效果。对于受电网各种因
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素停电而影响生产的企业而言，本技术则能彻底解决因电网停电影响生产的问题。无论是新建或已建成的企业，均可在隧道炉上安装辐射换热式余热发电装置。余热全部用于发电，可满足企业30%—80%的用电量。对于周边有热用户的企业而言，采用热电联供工艺，经济效益将更好。
4） 隧道炉辐射换热式余热发电技术应用时注意事项
隧道炉辐射换热式余热发电技术在应用过程中必须注意以下事项： 3 方案设计
通过蒸气发电的原动机有汽轮机和膨胀螺杆机。膨胀螺杆机适用于低参数蒸气发电， 汽轮机适用于中、高参数蒸气发电。根据工程热力学原理，进入原动机的蒸气参数越高，排汽参数越低，原动机的效率也就越高。在方案设计时， 对企业周边有稳定热用户（如供暖、干燥、化工用汽、蒸压釜用汽）的项目，应尽量选择抽凝式或背压式汽轮机发电，也可采用凝汽式机组低真空运行、利用循环水供暖的方案，这都将提高余热利用的效率和价值。 4 余热发电工程设计
由于企业的原料、炉型、实际产量、产品发热量等千差万别，隧道炉余热发电项目的设计安装也要根据每个企业的具体情况进行调查、核算和设备选型，切忌照抄照搬。余热发电项目属于新能源发电范畴，项目设计应由具有新能源发电工程设计或火力发电工程设计资质的单位承担，并且设计单位要熟悉隧道窑生产工艺,不要被一些锅炉、汽轮机制造企业的广告所迷惑，否则项目将面临失败或达不到预
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期效果的风险。
5 余热锅炉工艺设计与制造
余热锅炉属于特种设备，其设计、制造和安装均有严格要求， 首先是工艺设计要经省级特检院审批，制造完工出厂前须由锅炉制造单位所在地市级锅检所检验合格，在锅炉安装所在地市级锅检部门验收合格后方可投入使用。否则均属违法制造、安装和使用。此外，关键部位的安全阀和压力表还需每年进行一次校验，以保证锅炉使用安全。由于各企业原料、燃料、烧成方式、高温隧道炉结构、风机型号等千差万别，这就决定了余热锅炉的结构也将发生变化，锅炉设计必须综合上述因素进行个性化设计，才能避免对高温隧道炉的负面影响，提高余热锅炉的换热效率。辐射换热式余热锅炉的产汽量由冷却段蒸发装置确定。冷却段蒸发装置以辐射换热方式为主，余热锅炉的产汽量将会在额定参数的30% ～ 80%之间波动，气温也将有50 ℃左右的波动。只要控制好锅炉压力，蒸发装置内的温度就比较稳定，蒸发装置内水的温度就能稳定在215 ℃ ～ 225 ℃之间。辐射换热式余热锅炉换热装置全部采用膜式壁结构，使安装余热锅炉的区域密封性能和强度得以增强，并且不改变炉烟道风流通截面积，确保炉的正常生产。锅炉的换热方式基本上以辐射换热方式为主，虽然成倍增加了锅炉的换热面积，但避免了强制抽热时改变隧道炉内压力场而使炉难以调控的问题，也避免了高品质余热降级使用的问题，使锅炉产汽量和产汽压力、温度成倍提高，并且不改变隧道炉内的气流压力平衡，使余热利用的效率更高。余热发电项目中使用的起吊装置、水处理设
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备、电气控制设备等，国家也有强制性规定，制造、安装和使用单位必须严格遵照执行。
6 隧道炉和余热发电机组控制
锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成，余热锅炉实际上只是“锅”，隧道炉的焙烧系统才是“炉”。因此，隧道炉和余热发电机组的控制系统必须协调操作，这样才能保证余热锅炉产汽参数稳定，同时避免余热锅炉吸热对焙烧系统的影响。 7 余热发电机组并网
为了保证用电安全，隧道炉余热发电项目尽量采用并网运行方案， 通过开关控制柜并入厂区电网，直接向厂区内相应负荷的设备供电， 减少电网供电量，节约电费开支。虽然国家鼓励发展分布式能源，鼓励利用余热发电，但由于地区差异、部门利益等原因，小型余热发电机组办理并网（不上网）手续也相当困难。在这种情况下，稀土发光材料生产企业可选择孤网运行方案。余热发电机组发出的电力向企业内部的车间、办公楼和原料车间内负荷稳定的设备供电，使余热发出的电力最大限度地得到利用，多余的热负荷则用于企业洗浴、供暖。选择孤网运行方案时，稀土发光材料生产线低压配电室的开关柜和余热发电机组的开关柜、控制柜的功能设计必须满足孤网运行的技术要求，生产设备的供电一次线路也必须做相应的调整，以保证连续、稳定、安全用电。2011 年6 月13 日，四川国立能源科技有限公司在河北中节能新型材料有限公司进行的余热发电机组孤网运行试验获得成功，目前已开发出相应的设备控制柜、余热发电机组控
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制柜和热工控制柜等产品，可满足余热发电机组孤网运行的要求。 8 人员培训
从业人员必须经过专业培训，熟悉《安全规程》、《操作规程》和相关电力管理制度，管理上严格执行有关制度，确保设备的正常运行。 9 维护保养
锅炉对水质有特殊要求，应按《操作规程》的规定定期排污和加药， 防止换热装置结垢而降低换热效率。给水泵在任何情况下，停电时间不得超过半小时。汽轮发电机每半年或累计运行4 000 h 需小修一次，每三年或累计运行2 万h 需大修一次，小修由企业检修人员承担，大修或更换重要部件则由专业检修人员或制造厂检修。
四、工艺流程
隧道炉余热利用（发电）系统可分为水处理及给水除氧系统、余热锅炉系统、汽轮机发电系统及热工、电气监控系统等。首先，保证锅炉给水水质完全达到电站锅炉水质标准，同时考虑给水预热除氧，防止酸腐蚀和氧腐蚀，以增强锅炉的安全性能。经省煤器加热后的给水进入汽水分离器，汽水分离器内的水通过下降管分配到布置在各炉窑冷却段的加热器进口联箱，再分配到每根换热管内继续加热而产生蒸汽（汽水混合物）。汽水混合物汇集到加热器出口联箱后，通过每条炉窑上升管进入汽水分离器产生饱和蒸汽；饱和蒸汽进入蒸汽过热器内升温产生过热蒸汽。再通过蒸汽母管进入汽轮发电机发电，做功后的低温低压蒸汽排入冷凝器转化为凝结水，最后通过凝结水泵进入除氧水箱，回收凝结水。根据换热装置的布置情况分别设置温度、压
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力、水位、流量等热工仪表以及高限和低限声光报警和自动控制调节设备，对设备运行信息进行收集，并将信号传输至集控中心处理，实现控制中心对余热发电装置的远程监视控制，以确保隧道炉余热发电系统的安全、正常运行。为确保用电安全，项目采用并网运行，通过开关控制柜并入厂区电网，直接向厂区内相应负荷的设备供电，减少电网供电量，达到企业节约电费开支的目的。
五、现有隧道炉余热发电技术对比
高温隧道炉余热发电主要有辐射换热式余热发电技术和对流换热式余热发电技术两种，其代表性工程实例项目有：河北中节能新型材料有限公司1.0MW 隧道炉辐射换热式余热发电工程、山西长治某公司0.3MW 隧道炉对流换热式余热发电工程。主要技术经济指标对比见表1。
1.隧道炉辐射换热式余热利用（发电）技术的特点
①比其他技术发电量更大，投资回收期较短；余热锅炉的换热方式以辐射换热为主，遵循隧道炉余热“梯级利用、高质高用”的原则，避免了强制抽热时改变窑内烟风压力场而使窑炉难以调控的问题，也避免了高品质余热降级使用的问题，使锅炉产汽量和产汽压力、温度成倍提高，并且不改变炉内的烟风压力平衡。 ②社会经济效益较好，性价比高；
③ 具有较好的可操作性，运行人员较少（3人/ 班），设备的使用管理较为简便；
④使用寿命长（锅炉寿命20 年以上）；
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⑤对企业原生产工艺无不良影响，占地较少（锅炉不占地），不影响企业原有的生产布局；
⑥设备安全系数较高，运行可靠，停炉改造时间较短； ⑦可孤网运行，向生产线的隧道炉和其它车间正常供电。
表1 辐射换热式与对流换热式余热利用（发电）技术经济指标对比
注：表中数据按相同规格型式（1 条6.9m 隧道炉）和相同产量隧道炉为基准测算。
2.隧道炉辐射换热式余热利用（发电）技术应用实例
隧道炉辐射式余热发电示范项目情况在河北中节能新型材料有限公司两条隧道炉上安装辐射换热式余热锅炉，产生2.45MPa、400℃过热蒸汽，通过凝汽式汽轮机发电。装机容量1.0MW，总投资920 万元，实际平均发电功率0.8MW左右。
3. 隧道炉辐射换热式余热利用（发电）技术应用范围
隧道炉辐射换热式余热利用（发电）技术的适用范围技术适用于
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内燃或外燃所有类型隧道炉余热综合利用。无论是新建或已建成的企业，均可在隧道炉上安装本技术装置。
