第5讲-建材工业节能减排技术窑炉节能

LEC.5窑炉节能减排技术,5.1窑炉节能减排意义,工业窑炉能耗大，能效水平较低。目前，我国工业窑炉年耗煤达3亿多吨，约占我国工业用煤的40。水泥窑约7800座，年耗煤1.6亿t，平均能效比国外先进水平低20以上；墙体材料窑炉约10万座，年耗煤6400万t，平均能效比国外先进水平低30以上。钢铁工业窑炉每年消耗煤炭约6600万t，其中球团工序回转窑生产线20多条，平均能效比国外先进水平低50以上；石灰热工窑炉约350座，平均能效比国外先进水平低10；耐火材料热工窑炉约1900余座，平均能效比国外先进水平低1020。,工业炉窑是耗能企业众多用能设备中的重点耗能设备一家拥有工业炉窑的耗能企业，其工业炉窑耗能量约占到本企业耗能量的1070，有的企业甚至更多。以电子工业炉窑为例，该行业工业炉窑耗能量约占到电子行业耗能量的30。水泥、陶瓷、玻璃生产企业的工业炉窑耗能量约占到该企业耗能量的50以上，有的企业甚至占到80以上。,5.1窑炉节能减排意义,显然，窑炉节能减排意义十分明显，提高窑炉能源利用效率是建材企业开展节能减排工作的重点方向！,在工业生产中，利用燃料燃烧产生的热量，或将电能转化为热能，从而实现对工件或物料进行熔炼、加热、烘干、烧结、裂解和蒸馏等各种加工工艺所用的热工设备，称为工业窑炉。工业窑炉主要由炉衬、炉架、供热装置（如燃烧装置、电加热元件）、预热器、炉前管道、排烟系统、炉用机械等部分组成。,5.2工业窑炉的定义及分类,一般来说，熔炼和加热金属的装置常常称为炉，而熔化和加热非金属的装置往往称为窑或窑炉。原始人把铁矿石和木柴（后来发展成木炭）放在极为简单的炉炕里进行还原，这时的炉炕就是最早的炉。我国的陶瓷窑历史悠久，从西安半坡的遗址发掘中，证明我们的祖先在原始社会（五千年前）就利用了升焰式柴窑烧制陶器，唐宋时代（715世纪）著名的窑厂遍布全国。,工业窑炉的种类,工业炉窑门类很多，常有以下分类：1.按工作温度分为：高温窑炉、中温窑炉和低温窑炉。2.按燃用燃料分为：煤窑、油窑、天然气窑炉、煤气窑炉、电窑等。3.按燃烧方式控制分为：自动调节(含机械加煤)和人工调节(含人工加煤)两类。4.按工艺特征分为：金属冶炼炉、热处理炉、加热炉、蒸馏炉、水泥窑、玻璃窑、陶瓷窑、石灰窑、玻纤窑等。,5.按炉窑结构特征分为：隧道窑、台车窑、室式窑、网带炉、推板窑、推杆窑、井式炉、环形炉、立窑、辊道窑、梭式窑、钟罩炉、池炉、坩埚炉等。6.按窑炉内气体成份分为：真空窑炉、氢气窑炉、氮气窑炉、氢氮混合气体窑炉等。,建材企业窑炉概况,5.3窑炉节能的潜力分析,窑炉节能的数学分析,5.3窑炉节能的潜力分析,影响窑炉单耗的因素（管理途径&技术途径）：,（1）生产管理与生产工艺如果生产负荷饱满，即较高，窑炉在经济点工作；再采用热料装炉，尽量保存物料的原热，则可下降，于是可大幅度降低单耗，节约能源。（2）炉体结构如果炉体采用轻质材料砌筑，选用经济壁厚；炉子结构严密，既不外冒热气，又不吸入冷气；适当加长炉膛长度，带预热段，蓄热损失及散热损失很小，从而使单耗降低。（3）燃烧装置及燃料种类采用先进的燃烧装置，减少化学及机械不完全燃烧；采用优质燃料，提高燃烧温度，可使单耗明显降低，煤气炉和油炉的热效率一般均高于煤炉。（4）余热回收对燃料类窑炉而言，余热回收是节能的重点。该类窑炉排烟温度较高，热损失大，要想节能必须采用余热回收装置，余热回收率愈大，则单耗愈小。,5.4窑炉节能减排措施和途径,政策、法规的推动和保障实现科学管理加强窑炉保温完善自动化控制窑炉燃煤节能技术途径余热利用,加强窑炉保温,窑炉保温是提高窑炉热效率、降低能耗的重要技术措施。窑炉窑体表面温度高、表面散热量大，约占总支出热量的1530%（有的高达50%)。窑炉保温可减少表面散热损失，提高窑内温度2030，节约能耗1050%。,窑炉保温材料的合理选用,窑炉保温中要注意的几个问题,保温的安全性保温的经济性炉衬组合结构轻型化，外型体积小型化,完善自动化控制工业窑炉节能的一条重要措施是采用先进的自动控制技术，特别是采用计算机控制系统。工业窑炉自动控制的首要任务是保证炉温为预定值，使其波动不超过允许的偏差，从而保证物料能够均匀地加热到符合工艺要求的炉温。常用的炉温控制系统是利用实测值与预定值的偏差量来调节燃料管道及空气管道的阀门，以实现炉膛温度恒定。自动控制还要保证燃烧过程的经济性，就是使燃烧过程在最合适的“空燃比”下进行。要使工业窑炉实现最佳燃烧，由人工操作是不可能实现的，即使采用常规仪表组成的自动控制系统也往往难以做到。,窑炉燃煤节能技术途径,稳定和提高燃煤质量煤炭质量是工业锅炉、窑炉设计的依据发展多元化燃煤节能技术层煤优化配风节能技术高效煤粉燃烧技术多元耦合燃烧技术自动控制技术我国在工业窑炉的自动控制方面有国外有较大差距污染物控制技术,5.5窑炉节能减排实例,水泥盐工业窑炉,生料在煅烧过程中的物理化学变化,碳酸盐分解强吸热900固相反应放热8001200熟料烧结微吸热1300-1450熟料冷却放热1300,水泥工业窑炉,硅酸盐工业窑炉,硅酸盐工业窑炉,熟料中废热的回收：冷却机,（1）水泥窑炉节能减排新技术（2）水泥熟料煅烧过程中的节能降耗（3）低温煅烧技术和低能耗熟料（4）分解炉用煤的高比例控制促进节能减排（5）水泥生产过程CO2减排潜力分析（6）水泥行业NOx的污染与减排,（1）水泥窑炉节能减排新技术,水泥窑炉系统包括窑尾预分解系统、回转窑系统、熟料冷却系统及煤粉燃烧系统，其能耗主要是燃料的消耗及电能的消耗，以5000t/d规模的生产线为例，烧成热耗年均一般为690780kcal/kg，电耗为2530kWh/t熟料，按照GB16780-2007水泥单位产品能源消耗限额中的相关公式，烧成系统的综合能耗为(690780)/7+0.1229(2530)=101.7115.1kcal/kg，且其主要为燃料的消耗量，因此节能降耗的重点是降低系统的燃料消耗。,（1）水泥窑炉节能减排新技术,（a）新型高效低阻的预热预分解系统（预热器、分解炉）在上升管道增加撒料装置，提高物料在风管中的分散度，提高换热效果；适当提高风管风速（1719m/s）来提高预热器系统的换热效果；采用分离效率高的270大蜗壳的旋风筒，有效提高预热器系统换热效果。采用六级预热器系统，提高预热器换热效率。可使其出口温度由通常五级的320降为290左右，系统热耗降低75kJ/kg（18kcal/kg），而系统阻力在5600Pa。,（1）水泥窑炉节能减排新技术,（b）强化煅烧的两支撑短回转窑,两档支撑短回转窑是指长径比L/D12.5的回转窑。两档短窑的一个显著特点是比常规长径比L/D为1416的窑节能，相同规格窑的散热损失相差约16.7kJ（4kcal/kg熟料），此外还具有装备投资省、土建费用低等一系列优点。,两档窑和三档窑比较,（1）水泥窑炉节能减排新技术,（c）新型大推力的煤粉燃烧器新型大推力的煤粉燃烧器的主要特点：轴流风速高达300m/s以上、燃烧器推力大，可达1500m/s以上，相应卷吸高温二次风的能力强，对各种煤质的适应性好，有利于各种劣质燃料及低挥发煤包括无烟煤的使用；一次风用量少，总比例仅为10%左右，较老燃烧器小3.5%6.5%，相应系统热耗可降低19.035.3kJ/kg。,（1）水泥窑炉节能减排新技术,（d）行进式稳流篦式冷却机篦冷机的发展经历了第一代的大风室通风、第二代的小风室通风、第三代的充气梁供风到第四代的纵向单元通风的发展历程依料床变化自动敏感地恒定冷却风量、无漏料等特点；较高的热回收率，可达74%以上，系统能耗低；模块化设计，便于施工安装；设备使用寿命长且易于维护；设备高度降低，土建费用大幅减少。实测其热回收效率超过74%，较目前第三代高出4%6%，可节省61.992.8kJ/kg的热耗。,（1）水泥窑炉节能减排新技术,（e）高性能的耐火衬料衬料设计上充分考虑烧成装备的高温操作特点，不同的部位采用不同的砌筑方式，如大型旋风筒及分解炉顶部火砖采用吊挂方式，确保耐火衬料的使用寿命；对于回转窑的过渡带采用导热系数较小的火砖，减少回转窑的散热损失；对于预热器、分解炉及冷却机等固定设备采用多层隔热材料加耐火浇注料或火砖的方式，可使其表面温度控制在100以下甚至80以下，从而可有效降低表面散热。,6.1.4窑炉节能减排实例,（2）水泥熟料煅烧过程中的节能降耗,（2）水泥熟料煅烧过程中的节能降耗,对上表中列出的4个水泥生产厂家熟料生产线相同项目的检测数据进行比较分析，可以认识到，在节能降耗工作上，以下几个方面应当作为工作的重点：1）更新陈旧的工艺设备2）主机设备的大型化与辅助设备能力的配套3）降低出系统物流的温度与流量，充分回收余热降低出冷却机熟料温度减少出冷却机余风热量减少出窑尾系统（C1筒）废气热量降低出系统废气的含尘量4）加强系统的密封性能5）加强系统的隔热保温6）建立合理的热工制度,（3）低温煅烧技术和低能耗熟料,众所周知，水泥熟料的烧成温度一般为1450左右，若掺入少量（l3%）的矿化剂和助熔剂，可使熟料的烧成温度降低100200，因为矿化剂能促进熟料化合物生成，尤其是C3S的生成；助熔剂能降低液相形成的起始温度和降低熟料熔融体的粘度，加速反应的进程。由于熟料烧成温度降低，窑的热损失也减少了，但随着燃料用量的减少、出窑熟料温度的降低，从熟料冷却机回收的有利于煅烧过程的能量也减少（二次风温度降低）。同时，由于窑内气体温度降低，筒体表面散热相应减少。根据模型计算：对于旋风预热器窑和预分解窑，熟料煅烧温度降低200，可节省燃料能量5%，即可从3140kJ/kg降至2981kJ/kg。,（3）低温煅烧技术和低能耗熟料,理论上硅酸盐水泥熟料形成的热耗约为1760kJ/kg，消耗的热能主要用于碳酸钙的分解，分解硅质矿物所需的能量较少，而且从氧化物生成熟料化合物是个放热反应。因此，如果生料中的CaCO3含量降低，从而使熟料中C3S含量降低，而C2S的含量增加，这样熟料形成所需的能量将大大降低。,目前已研制成功的低能耗熟料主要有下列几种：,贝利特水泥改性贝利特水泥铁铝酸盐水泥阿利尼特水泥,（4）分解炉用煤的高比例控制促进节能减排,提高窑的产质量，降低烧成带热负荷头煤比例下降意味着烧成带煤灰沉降量减少，有利于熟料质量的提高。炉窑燃料比的提高，大大延长烧成带衬料使用寿命，即提高窑运转率，为熟料台时产量的上升和质量的提高创造良好的条件。减少窑尾结皮，节约能耗原燃料带入了有害成分一部分是随熟料出窑，一部分是挥发后被窑内烟气带到窑尾，两者是“此多彼少”的关系。降低头煤比例，使窑头单位燃料拥有的窑内风量增加，相对地实现窑内高风量控制，这有利于消除还原气氛，有利于高O2量控制，有害成分更多地随熟料带走，减少窑尾结皮；减少NOx的生成量NOx生成量与燃烧温度、氧浓度、停留时间有关，其中温度影响最强烈；回转窑烧成带烟气峰值在1800左右，远远超过其边界温度（1300）。分解炉内温度远低于其边界温度，氧浓度又小，热力型NOx形成速率极低。因此，降低烧成温度对减少热力NOx生成量作用十分明显。,（5）水泥生产过程CO2减排潜力分析,1）使用替代燃料2）使用替代原料3）添加混合材，减少熟料用量4）水泥窑余热回收利用（余热发电技术、利用余热烘干原燃料）5）改进粉磨设备，降低粉磨电耗,（5）水泥生产过程CO2减排潜力分析,国外水泥工业CO2减排的技术措施,1）欧洲采用先进的节能技术及工艺，提高水泥窑炉的能量利用率以减少CO2排放；通过实施节电技术及采用节电设备降低电耗，减少与发电相关的CO2排放；通过集约化、规模化生产减CO2的排放；使用替代原料作为生产熟料的原料；使用磨细的矿渣、粉煤灰、天然火山灰或石灰石细粉来替代熟料，到2010年，西欧的熟料系数将从0.77降至0.73，从而使CO2排放系数降至0.62左右；大量使用某些废弃物作为水泥窑炉的二次替代燃料，2005年欧盟成员国水泥工业二次燃料的平均替代率为12%，荷兰高达72%，瑞士、比利时、奥地利和法国的替代率为27%31%；提高水泥的品质，延长水泥、混凝土的使用寿命，以减少水泥的用量。,（5）水泥生产过程CO2减排潜力分析,2）澳大利亚使用预分解窑生产熟料；在粉磨设备上安装高效分级机；在收尘器上采用动力控制；开始对余热回收利用；采用低能耗传送系统输送设备材料；使用温室气体排放低的燃料替代煤；使用温室气体排放低的原料替代石灰石；使用工业废渣作为辅助材料替代混凝土中的水泥；建立温室气体捕集体系。,3）日本使用低温余热发电技术。使用辅助水泥材料。日本政府规定水泥工业每生产1t水泥应利用废弃物400kg。加大生态水泥的研发力度。,4）美国采用干法工艺代替湿法工艺；用低碳燃料取代高碳燃料；用混合材料取代水泥熟料；从烟气中捕获和储藏CO2。,（6）水泥行业NOx的污染与减排,由表可见，新型干法预分解窑或湿磨干烧预分解窑，其废气NOx浓度都相当高，而机立窑废气的NOx却相当低。主要原因是燃料在立窑中，掺合在生料中，与空气的接触机会比较少；在低温区内，燃料中逸出的挥发分来不及燃烧便被废气带出；此外，在低温区内，燃料中的固定炭也会与CO2作用生成CO，因而出窑废气中的CO浓度较高。在还原气氛下，NOx浓度会明显下降。,（6）水泥行业NOx的污染与减排,降低烧成温度、降低燃料中含氮量和水分减少燃烧气体在高温区的滞留时间改进煅烧工艺采用窑外分解工艺（采用窑外分解工艺后，有5060%的燃料在分解炉内进行燃烧，分解炉内温度约900左右，可大大减少NOx的生成量）采用流化床烧成水泥新技术（流化床烧成炉燃烧温度为1400左右，比一般回转窑的燃烧温度低，所以NOx排放量大大减少）分解炉阶段燃烧分解炉阶段燃烧是使燃料先在空气不足的环境中燃烧、后在空气充分的环境中燃烧以减少NOx排放。NOx还原法催化选择还原法（催化选择还原法是于300400的低温区，在有催化剂存在的条件下加入还原剂，提高还原率）下水道污泥脱氮法（往窑内871982温度段喷射下水道污泥，污泥中的氮化物被窑内的高温转化成氨，氨又使NOx还原，可将NOx排放量减少45%）,梭式窑,隧道窑,隧道窑因类似铁路山洞的隧道而得名，目前多用单通道明焰车式隧道窑。,辊道窑,（1）燃烧系统方面（2）采用新的燃烧方式（3）合理设计窑炉结构（4）工艺配方方面（5）开发宽体窑炉（6）HTAC技术在陶瓷窑炉上的应用（7）减排技术,（1）燃烧系统方面合理选用燃料：先进的辊道窑一般都选用气体燃料，因为气体燃料燃烧完全，热利用率高，产品质量好，更加环保，且有利于自动控制温度。合理选择燃烧设备：窑炉中的烧嘴是燃料燃烧的关键设备，也是决定辊道窑横断面温度是否均匀的重要设备，烧嘴结构不好会造成火焰不稳定，产品易出现变形和色差。合理调整空气过剩系数：每一种燃料，在保证充分燃烧时，其所需的助燃空气量不同。提高助燃风的温度：助燃风预热有助于节能，助燃风预热到100时，可节能4，另外也能使燃烧速度加快、稳定燃烧过程、提高燃烧效率。降低产品的出窑温度：优化工人的操作环境，将尽量多的热量交换出来再利用。,（2）采用新的燃烧方式富氧燃烧技术：大大减少了化学惰性的氮的引入量，理论燃烧温度提高，从而加快辐射传热，提高产量和质量，降低对助燃空气的预热温度的要求，缩小热交换器、蓄热室等设备的尺寸，还有可能扩大低热值劣质燃料的应用范围。高温低氧燃烧技术：一是采用蓄热式烟气余热回收装置，将助燃空气预热到800以上，并最大限度地回收高温烟气的显热，实现余热的极限回收；二是控制燃烧区内氧的浓度在1.5%2%的范围，以达到燃烧过程中氮氧化物NOx的最低排放。优点：火焰温度分布更加均匀，燃烧充分，噪音低。最可贵的是因为不存在常规燃烧时的局部高温富氧区，产生的氮氧化物NOx极少，因而节能与减排效果更佳。,（3）合理设计窑炉结构合理选择耐火保温材料：在保证使用温度的前提下，应尽量选择导热系数低的耐火材料，根据窑墙从里到外的温度梯度来合理配置耐火材料，既能减小窑墙厚度，又能保证窑墙的保温性能。事故处理孔的设计：事故处理孔处耐火材料的选择应注重结实，故材料的比重大，与其热耗的增加成矛盾。观察孔的设计烧嘴砖的设计和选择：碳化硅烧嘴砖具有重量轻、热容量小，窑墙整体性好、窑墙保温好、易更换、寿命长，快速调节窑炉温差、提高产品质量等优点。合理设计窑炉内空高度窑炉长度的选择（炉长不是越长越好）,（4）工艺配方方面,开发低温快烧工艺节能不仅要在窑炉上挖潜力，制定合理的烧成制度同样至关重要，采用低温快烧工艺就是很重要的一环。目前，600mm600mm抛光砖的烧成周期已缩短至40min，它的能耗远远低于以前55min烧成周期的能耗。减小瓷砖的厚度传统观念认为，600mm600mm抛光砖的正常厚度是10mm，但如果能降到8mm，就可以减少20的用料，还可以缩短烧成时间10min左右，节能15以上。,（5）开发宽体窑炉,利用宽体窑增加产量，是节能的又一个途径。宽体窑主要有两大技术难点：一是宽体窑横断面温差大，二是辊棒走砖容易出现问题。几年来对于开发宽体窑，尤其是烧抛光砖的宽体窑，有些陶瓷企业在使用宽体窑烧制抛光砖上遇到了不少难题，宽体窑是较为新型的烧成设备，有些技术尚不够成熟。,（6）HTAC技术在陶瓷窑炉上的应用,HTAC技术（HighTemperatureAirCombustion）即蓄热式高温燃烧技术，是一种全新概念的燃烧技术，它将回收烟气余热与高效燃烧、降低NOx排放等技术有机地结合起来，实现了余热极限回收和极限降低NOx排放量的双重目的。两个关键技术构成的，一是以蜂窝陶瓷为蓄热体的余热极限回收技术，二是以高温空气助燃和组织贫氧燃烧降低NOx排放技术。,1）余热极限回收技术在陶瓷烧成窑炉上的应用,2）高温空气助燃和降低NOx排放技术在陶瓷窑炉上的应用,（7）减排技术,1）抑制技术2）微波辅助气体烧成技术3）富氧燃烧技术减排4）脱硫除尘技术5）改变燃料结构以减少废气有害气体的排放方面6）窑炉燃料清洁化,无论哪种窑炉，只要是燃料型，燃料（煤、重油、轻柴油或燃气）在燃烧过程中都会产生对环境有影响的废气（NOx、SOx、CO、CO2、粉尘等）。必须采取有效的措施防止和减少这些有害气体的产生和排放。,浮法玻璃工业窑炉,浮法玻璃工艺,（1）蓄热节能技术（2）采用蜂巢型窑顶（3）火-电混合加热熔窑（4）全氧燃烧-全氧顶吹料道（5）采用ACSI系统控制技术（6）烟气分析技术辅助窑炉节能减排,（1）蓄热节能技术,是从1982年英国公司开发的一套蓄热燃烧系统应用于小型玻璃熔窑上开始，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然广泛应用到各种各样的玻璃熔窑上，成为节能的主要措施。,蓄热装置的功能：（1）助热装置，能够对空气（和气体燃料）进行预热，从而提高燃料的燃烧温度，能够使低热值燃料产生高热值燃料的燃烧效果，对提高产品的产量和质量都有明显作用；（2）节能装置，能够回收烟气的余热、降低排出的烟气温度，从而降低窑炉的燃料消耗，对节能减排有比较明显的作用。,（1）蓄热节能技术,玻璃熔窑主要由熔化部空间、成对分布的小炉、蓄热室以及换向装置组成（如图1）。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。,玻璃熔窑示意图,（2）采用蜂巢型窑顶,窑顶是窑体结构的重要部位，它参与熔窑空间热交换，经受高温烟气的冲刷，同时向外界散热。普通的窑顶是由普通碹顶砖直接砌筑而成，辐射面积小，由于烟气的冲刷因而寿命短。新型的碹顶结构蜂巢型结构，这种结构辐射率大、辐射面积大，有效的改善熔化部空间传热，同时由于蜂巢内有一定量的较冷气流滞留，可缓解高温烟气对窑顶的冲刷，大大延长了窑顶的寿命。,普通窑顶结构,蜂巢型碹顶结构,（3）火-电混合加热熔窑,传统的火焰窑，无论是小型马蹄窑或中型以上横火焰熔窑的燃烧效率一般在30%以下，其中烟气排放带走约30%的热能。在较高效率的全电熔化技术的推动下，近年来电助熔技术已广泛应用于玻璃行业。随着电助熔技术应用的发展，对不同种类玻璃、不同产品、不同熔窑结构的电助熔技术不断开发，电能占玻璃熔