一、窯頭低溫廢氣余熱的循環(huán)利用

 

　　水泥窯實施純低溫余熱發(fā)電項目后，在采用較先進的低溫低壓補汽系統(tǒng)情況下，窯尾余熱鍋爐（SP爐）的排煙溫度可做到165℃左右，這部分廢氣中的余熱大都用于原料（生料）磨作為烘干熱源加以利用；窯頭余熱鍋爐（AQC爐）在設(shè)置鍋爐熱水段后排煙溫度可做到130℃左右，這部分廢氣與窯頭篦冷機余風(fēng)混合后的溫度為110℃左右，一般經(jīng)窯頭收塵后排放。

 

　　如何利用窯頭排放廢氣中的余熱資源? 理論上有使用低沸點工質(zhì)換熱后用于發(fā)電的方案，但其經(jīng)濟性和實用性尚需探討；此外還有生產(chǎn)熱水等方案。我們采用了易世達能源工程公司的方案，將窯頭廢氣經(jīng)篦冷機風(fēng)機引回中溫段，通過循環(huán)利用其熱焓提高AQC爐的產(chǎn)汽量，方案示意如附圖1。

 

　   方案的要點在于將110℃左右目前難于利用的低溫廢氣通過與篦冷機內(nèi)的中溫（500℃左右）熟料換熱升溫后加于利用。實現(xiàn)低溫廢氣余熱資源焓—的轉(zhuǎn)換。本方案在工程實踐中已解決的問題有以下幾點：

 

　　1、對熟料冷卻尤其是出窯熟料驟冷要求的影響

 

　　篦冷機在預(yù)分解窯系統(tǒng)中作為一項重要的熱工設(shè)備，主要完成對出窯熟料（1300℃左右）的冷卻和回收熱能兩項任務(wù)。一般要求出篦冷機的熟料溫度<65℃+環(huán)境溫度；此外要求在篦冷機高溫區(qū)段對出窯熟料實現(xiàn)驟冷，以阻止熟料礦物晶體的長大和其中阿利特礦物C₂S由β型向γ型的轉(zhuǎn)化。

 

　　分析出窯熟料在篦冷機中的運動和冷卻過程，在推動型篦冷機（通常稱第三/第四代）中，熟料在篦床上的冷卻可劃分為高中低溫三個區(qū)段：高溫區(qū)主要實現(xiàn)對出窯熟料的驟冷并提高入窯和入爐的二、三次風(fēng)溫；中溫區(qū)為熱回收區(qū)：低溫區(qū)實現(xiàn)對熟料的進一步冷卻、降低出篦冷機的熟料溫度。

 

　　分析篦冷機的風(fēng)量分配關(guān)系：冷卻用風(fēng)由各段風(fēng)機分別鼓入，風(fēng)溫為20℃左右，高中低溫三個區(qū)段的進風(fēng)量分別占總風(fēng)量的31%、50%和19%左右。換熱后出篦冷機的風(fēng)量分配為：入窯二次風(fēng)占15%左右（標況、風(fēng)溫1050℃左右）；入分解爐三次風(fēng)占22%左右（標況、風(fēng)溫950℃左右）；其余作為余風(fēng)排放。在無純低溫余熱發(fā)電項目時余風(fēng)風(fēng)溫200℃左右；實施純低溫余熱發(fā)電項目后，余風(fēng)風(fēng)量中65%左右的中低溫風(fēng)（500℃和300℃左右）通過窯頭余熱鍋爐（AQC爐）加于利用，排放的余風(fēng)風(fēng)溫為100℃左右。

 

　   綜上分析：將110℃左右的低溫廢氣代替常溫風(fēng)（20℃左右，簡稱循環(huán)風(fēng)）引入篦冷機中溫區(qū)，不會影響篦冷機對出窯熟料的驟冷；中溫區(qū)大部分余風(fēng)引入AQC爐也不會影響出窯熟料溫度。

 

　　2006年下半年浙江興寶龍預(yù)分解窯（1600t/d）純低溫余熱發(fā)電項目已使用本方案，經(jīng)實測對出篦冷機熟料溫度無影響；經(jīng)熟料易磨性對比試驗，不影響對出窯熟料的驟冷要求。

 

　　2、對篦冷機篦板、傳動裝置和電氣線路的影響和措施

 

　　篦冷機篦板頂面與熾熱熟料接觸（第四代篦冷機有冷料層溫度較低），底面及風(fēng)道受到冷卻用風(fēng)的冷卻作用。在使用110℃左右低溫風(fēng)代替常溫風(fēng)時，會引起篦板工況溫度上升，實測對比提高60℃左右。由于篦板大都使用耐熱鋼制作。引起的溫升仍遠低于篦板材質(zhì)的許用工作溫度。興寶龍公司使用本方案已運行三年多，對篦板使用壽命無明顯影響。

 

　　篦冷機傳動裝置大都使用普通鋼材，第三代篦冷機的傳動裝置部分位于風(fēng)室中。提高風(fēng)溫后，工況溫度在傳動裝置材質(zhì)許用溫度范圍內(nèi)。主要影響是潤滑脂（油），需改用耐高溫潤滑脂或使用稀油強制潤滑。

 

　　篦冷機風(fēng)室中設(shè)有測溫和觀察用照明裝置。風(fēng)溫的提高對測溫元件無影響。照明裝置需改用耐溫較高的瓷質(zhì)燈座，測溫信號和照明引線改用耐溫較高的F級絕緣電纜。

 

　　3、對篦冷機中溫室風(fēng)機的影響和措施

 

　　使用循環(huán)風(fēng)代替常溫風(fēng)后，因風(fēng)溫較低（110℃左右），仍可使用原有普通引風(fēng)機，不需改用高溫風(fēng)機。需關(guān)注的問題有兩個。一是風(fēng)機葉輪和機殼的防磨損措施，窯頭余風(fēng)中含有細小熟料顆粒，循環(huán)風(fēng)應(yīng)經(jīng)窯頭收塵后再引回，在此情況下需加強窯頭收塵的防漏風(fēng)措施，以免降低循環(huán)風(fēng)溫度。如需在窯頭收塵前取循環(huán)風(fēng)，風(fēng)機需改用耐磨葉輪，機殼需采用貼耐磨陶瓷片等防磨損措施。二是風(fēng)機的工作全壓問題。風(fēng)機進風(fēng)由常溫常壓改為循環(huán)風(fēng)后，需克服循環(huán)風(fēng)引風(fēng)管的阻力。中溫室風(fēng)機全壓無富裕量時，需加大風(fēng)機的工作全壓值。浙江興寶龍應(yīng)用本方案時因風(fēng)機全壓富裕量較大對風(fēng)機未作調(diào)整；新都水泥公司水泥技改項目（2500t/d）與純低溫余熱發(fā)電項目同步實施，篦冷機兩臺中溫風(fēng)機選用較高全壓值并采用變頻調(diào)速裝置。

 

　　二、在窯尾二級預(yù)熱器旋風(fēng)筒內(nèi)設(shè)置過熱器

 

　　易世達能源公司根據(jù)篦冷機內(nèi)部廢氣溫度的分布規(guī)律對窯頭廢氣余熱資源實施分級利用，窯頭余熱鍋爐系統(tǒng)設(shè)置獨立的過熱器（ASH），為提高余熱發(fā)電主蒸汽參數(shù)和提高余熱發(fā)電系統(tǒng)的熱功轉(zhuǎn)換效率奠定了基礎(chǔ)，這一方案目前已得到廣泛應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上為了進一步提高余熱發(fā)電系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，我們在浙江興寶龍余熱發(fā)電項目中進行了窯尾二級預(yù)熱器旋風(fēng)筒內(nèi)設(shè)置過熱器的工業(yè)試驗并取得成功，從初投運至今運行正常。浙江新都水泥余熱發(fā)電項目再次應(yīng)用二級預(yù)熱器旋風(fēng)筒內(nèi)設(shè)置過熱器方案，并在興寶龍方案基礎(chǔ)上有所改進。

 

　　1、在C2旋風(fēng)筒內(nèi)設(shè)置的SSH余熱過熱器

 

　　SSH余熱過熱器是一個特殊形狀的過熱器。其結(jié)構(gòu)、外形尺寸與窯系統(tǒng)二級預(yù)熱器旋風(fēng)筒的內(nèi)筒一致，以過熱管束為主組成，代替二級預(yù)熱器旋風(fēng)筒的內(nèi)筒。其使用功能是雙重的：既是過熱器又起到旋風(fēng)筒內(nèi)筒的作用。示意圖見附圖。選擇在二級預(yù)熱器旋風(fēng)筒內(nèi)設(shè)置過熱器的主要原因是考慮過熱溫度的需要（C₂廢氣溫度500-550℃）、防止生料粉在過熱器上的過度粘附和不影響窯尾預(yù)熱器系統(tǒng)的正常工作。

 

　　2、SSH余熱過熱器的作用

 

　　如前所述，對篦冷機廢氣按溫度分別利用和獨立的窯頭過熱器方案為提高余熱發(fā)電系統(tǒng)的主蒸汽參數(shù)創(chuàng)造了條件。目前廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)是窯頭、窯尾余熱鍋爐的飽和蒸汽均引入窯頭過熱器過熱。由于水泥窯生產(chǎn)過程特點，窯尾廢氣溫度較為穩(wěn)定、窯頭廢氣溫度波動較大；窯尾廢氣量大相應(yīng)的窯尾余熱鍋爐產(chǎn)汽量也大。運行中在窯頭廢氣溫度波動時會導(dǎo)致主蒸汽參數(shù)的較大波動，雖然余熱電站汽機系統(tǒng)可以滑壓運行，但主蒸汽參數(shù)的較大波動會導(dǎo)致系統(tǒng)偏離經(jīng)濟（最佳）運行點，引起平均發(fā)電量的下降。窯尾設(shè)置過熱器后，因窯尾廢氣量大且溫度較為穩(wěn)定，可使主蒸汽參數(shù)穩(wěn)定并提高余熱發(fā)電量。與此同時窯頭、窯尾兩套余熱鍋爐系統(tǒng)形成并聯(lián)供汽，系統(tǒng)的可靠性提高。

 

　　表面看來，在C₂旋風(fēng)筒內(nèi)設(shè)置過熱器存在與水泥窯預(yù)熱系統(tǒng)爭搶余熱之嫌，實質(zhì)上有余熱資源利用效率的區(qū)分。在水泥窯五級預(yù)熱器中，最上級預(yù)熱器C₁的換熱比例較小。而余熱發(fā)電系統(tǒng)的特點，產(chǎn)生飽和蒸汽（相變換熱）的吸熱量大，過熱飽和蒸汽的吸熱量小。從技術(shù)經(jīng)濟角度分析，在C₂旋風(fēng)筒內(nèi)設(shè)置過熱器是合理的。

 

　　3、SSH余熱過熱器對水泥工藝和SP爐產(chǎn)汽量的影響

 

　　預(yù)分解窯尾五級預(yù)熱器的換熱過程主要在上升管道中完成，在C₂旋風(fēng)筒內(nèi)設(shè)置過熱器不影響C₂預(yù)熱器的換熱。由于過熱器的結(jié)構(gòu)及外形尺寸與C₂旋風(fēng)筒內(nèi)筒一致，不增加C₂旋風(fēng)筒及窯尾預(yù)熱系統(tǒng)的工況阻力。另一方面，過熱窯尾SP爐飽和蒸汽所需熱量分別為：1.27MPa—190.7℃飽和蒸汽過熱到345℃時需 kcal/t蒸汽；2.45MPa—222.9℃飽和蒸汽過熱到380℃時需   kcal/t 蒸汽。過熱飽和蒸汽引起C₂預(yù)熱器出口廢氣溫度下降為15℃左右，對入窯生料在C₁預(yù)熱器的換熱影響不大，對窯系統(tǒng)的正常生產(chǎn)無不良影響。相應(yīng)的，在窯系統(tǒng)相同熱耗時、由于C₂預(yù)熱器出口廢氣溫度下降引起C₁預(yù)熱器出口廢氣溫度下降，會影響到窯尾SP爐的產(chǎn)汽量。綜合考慮，余熱發(fā)電主蒸汽壓力、過熱度、流量和系統(tǒng)穩(wěn)定性多方面影響，采用SSH余熱過熱器技術(shù)對提高余熱發(fā)電量有利。

 

　　4、應(yīng)用實例

 

　　浙江興寶龍公司水泥窯較?。é?.6×52m），但產(chǎn)量較高（年平均日產(chǎn)1650噸）、煤耗低，窯尾C1出口廢氣平均溫度316℃。純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計主蒸汽參數(shù)為1.27MPa-345℃。由于C1出口廢氣平均溫度低且使用二手汽機汽耗率較高，也無低溫低壓補汽，設(shè)計平均發(fā)電功率1.95MW。余熱發(fā)電項目投運不久即采用SSH余熱過熱器技術(shù)，平均發(fā)電功率提高到2.08MW,提高6.7%。從窯系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)看，C1出口溫度平均下降11.5℃, C1出口負壓基本無變化。SSH余熱過熱器在興寶龍公司運行已近40個月，除今年4月因吹掃用壓縮空氣帶水造成少量過熱器換熱管漏水外未發(fā)生其他故障，也無影響窯系統(tǒng)運行的其他問題。

 

　　計劃在浙江新都水泥公司與余熱發(fā)電項目同步投運的SSH余熱過熱器，在興寶龍工業(yè)性試驗基礎(chǔ)上有較大改進，預(yù)計其使用效果更好。

 

　　三、回轉(zhuǎn)窯筒體散熱的利用

 

　　1、技術(shù)背景

 

　　附圖所示為水泥煅燒用回轉(zhuǎn)窯筒體結(jié)構(gòu)示意圖?；剞D(zhuǎn)窯筒體內(nèi)部溫度高，窯外分解窯為900-1600℃。盡管采用各種隔熱措施（目前主要是耐火磚和窯皮），窯筒體表面溫度仍較高，窯外分解窯筒體表面溫度沿窯筒體軸向分布變化范圍在120-400℃之間，平均溫度為270℃左右，由此帶來的散熱損失占水泥熟料燒成熱耗的5%以上。以2500t/d窯外分解窯為例，按年有效運轉(zhuǎn)300天，噸熟料熱耗770kcal/t-cl、窯筒體散熱5%計算，窯筒體一年的散熱損失為2.89×10⁷kcal、折合標準煤4130噸。此外，窯筒體溫度較高部分還需要使用風(fēng)機鼓風(fēng)冷卻，再耗費一部分電能，仍以2500t/d窯外分解窯為例，年耗電25萬kwh左右。

 

　　到目前為止，水泥行業(yè)對回轉(zhuǎn)窯筒體散熱還沒有較好的利用方法。國內(nèi)北方一些水泥廠有產(chǎn)生熱水取暖的利用方法，在窯筒體表面溫度較高部位（燒成帶或過渡帶靠窯頭部位）裝設(shè)半封閉的隔熱罩（全封閉會帶來窯筒體超溫問題），在該隔熱罩內(nèi)朝回轉(zhuǎn)窯側(cè)裝設(shè)換熱水管，依靠窯筒體表面對換熱水管的輻射換熱取得熱水用于采暖，但由于低溫輻射換熱、傳熱效率很低。同樣地，筆者了解到某項利用窯筒體散熱產(chǎn)生蒸汽的方案中，由于包裹在窯筒體外的蒸汽發(fā)生器與窯筒體之間必須有空氣間隙，在依靠低溫輻射換熱情況下，不僅傳熱效率低，還極易引起窯筒體超溫，在實用意義上存在困難。

 

　　和易世達公司專家合作在浙江興寶龍新型干法回轉(zhuǎn)窯上進行利用窯筒體表面散熱增加余熱發(fā)電量的工業(yè)性試驗。技術(shù)要點為：在窯筒體過渡帶溫度較高部位裝設(shè)全封閉隔熱罩，在該隔熱罩與窯筒體之間形成的封閉內(nèi)腔中通入空氣，以強制對流換熱方式對窯筒體表面換熱。換熱后取得的熱風(fēng)引入篦冷機再升溫，與篦冷機廢氣一起作為余熱發(fā)電窯頭鍋爐（AQC爐）的熱源。試驗取得一定成功，在窯系統(tǒng)相同工況下增加了AQC爐產(chǎn)汽量。存在的問題是用空氣作為換熱介質(zhì)時，由于空氣的導(dǎo)熱性能差，對流換熱的效率不高，需進一步改進。

 

　　2 技術(shù)方案

 

　　本方案所要解決的技術(shù)問題是提供一種可實用的水泥回轉(zhuǎn)窯筒體散熱回收利用裝置，可以有效換熱并解決可能引起回轉(zhuǎn)窯筒體表面超溫等問題。方案已獲得專利授權(quán)（證書號1183223），目前處于小試階段。方案要點為：

 

　　(1) 在回轉(zhuǎn)窯筒體上分段裝設(shè)換熱罩，換熱罩與回轉(zhuǎn)窯筒體之間采用特殊設(shè)計的密封結(jié)構(gòu)，使回轉(zhuǎn)窯筒體與換熱罩之間形成密封的換熱腔。換熱腔內(nèi)充滿水和汽水混合物，對回轉(zhuǎn)窯筒體進行相變和對流傳導(dǎo)換熱；換熱后可直接產(chǎn)生低溫低壓蒸汽用于水泥廠純低溫余熱發(fā)電，系統(tǒng)圖如附圖所示。

 

　　在回轉(zhuǎn)窯筒體上安裝6組換熱裝置，汽包可安裝在窯尾預(yù)熱器框架上。位于窯尾的6#換熱裝置用于給水預(yù)熱。位于窯燒成帶的1#、2#、3#換熱裝置和位于窯過渡帶的5#換熱裝置作蒸發(fā)器使用，用于產(chǎn)生蒸汽（汽水混合物）；位于窯過渡帶（筒體表面溫度較高）的4#換熱裝置可作為過熱器使用。

 

　　(2) 用作蒸發(fā)器的換熱裝置工作原理相同。通過6#換熱器預(yù)熱后的水從底部進入換熱裝置的換熱腔，與溫度較高的窯筒體表面（表面溫度大于>150℃）直接接觸發(fā)生自然對流沸騰或核態(tài)沸騰，汽泡上升至所述換熱腔上部的集氣區(qū)，集汽區(qū)的飽和蒸汽或汽水混合物通過換熱腔頂部的蒸汽管道引至汽包。在4#換熱裝置作為過熱器使用時通過汽包分離后的飽和蒸汽引至4#換熱裝置，與溫度較高（>200℃）的過渡帶回轉(zhuǎn)窯筒體表面強制對流換熱后，形成低溫低壓過熱蒸汽（過熱度30℃左右）用于汽輪機的補汽。

 

　　(3) 換熱裝置由換熱罩、換熱罩兩端密封結(jié)構(gòu)及窯筒體共同組成，形成密封的換熱腔。其外表面（朝大氣側(cè)）覆蓋隔熱保溫層，以防止熱量散失。換熱罩通過滑輪安裝在4個導(dǎo)軌上，每個導(dǎo)軌的兩端帶有可調(diào)整的限位裝置。換熱罩不隨窯轉(zhuǎn)動但可通過兩端密封裝置傳遞推力后跟隨窯的“上行”或“下行”滑移。換熱罩在朝原有窯筒體自動掃描測溫儀方向設(shè)置測溫窗，滿足對窯筒體的測溫要求。由于工質(zhì)引起的測溫誤差可通過自動測溫儀的數(shù)據(jù)調(diào)整進行修正。密封結(jié)構(gòu)由“柔性聯(lián)接”于窯筒體上的動密封環(huán)、裝設(shè)在換熱罩上的可自動推進的靜密封環(huán)、彈性靜密封環(huán)和主、副密封用盤根等組成。

 

　　3、技術(shù)特點和效果

 

　　本方案針對水泥回轉(zhuǎn)窯工況進行原理設(shè)計，具有以下技術(shù)特點和效果：

 

　　(1) 采用水作為換熱介質(zhì)，窯筒體表面直接充滿水或汽水混合物。

 

　　在此方式下，水對窯筒體表面主要以相變換熱方式換熱，換熱效率高。除了換熱罩外表面隔熱層和兩端密封造成的散熱損失外，可大部吸收利用窯筒體表面散熱，同時可防止因換熱效率低引起窯筒體表面超溫。

 

　　(2) 在上述換熱方式下，對窯筒體表面的冷卻效果好于原自然風(fēng)冷。在蒸發(fā)段（生產(chǎn)低溫低壓蒸汽）部位的窯筒體表面溫度可低于200℃，在蒸汽過熱段部位的窯筒體表面溫度可控制在300℃以內(nèi)，對窯筒體鋼板強度有利。同時可免除窯筒體溫度較高部位使用風(fēng)機強制風(fēng)冷，節(jié)約電能。在換熱腔內(nèi)生產(chǎn)低溫低壓蒸汽，是窯筒體強度允許承受的。

 

　　(3) 換熱罩可跟隨窯的“上下行”滑移且有限位裝置；密封用易損件可快速更換因而減少對窯運轉(zhuǎn)率的影響；換熱罩上設(shè)有測溫窗以滿足對窯筒體測溫要求；與窯筒體聯(lián)接的動密封環(huán)以“柔性聯(lián)接”方式安裝在窯筒體上，解決了可能引起的“縮頸”應(yīng)力問題；此外通過在回轉(zhuǎn)窯上分段裝設(shè)換熱罩（避開窯的輪帶、托輪）等措施，在裝設(shè)換熱裝置后對水泥回轉(zhuǎn)窯設(shè)備及運行無不良影響。

 

　　(4) 可直接生產(chǎn)低溫低壓蒸氣作為補汽用于水泥廠余熱發(fā)電；以2500t/d窯外分解窯為例估算，每年可發(fā)電200×10⁴kwh左右。

 

               

 

                              (來源：中國水泥網(wǎng)  轉(zhuǎn)載請注明出處)