窯外分解窯純低溫余熱發(fā)電量措施的探索與實(shí)踐
2011-02-28 00:00
一、窯頭低溫廢氣余熱的循環(huán)利用
水泥窯實(shí)施純低溫余熱發(fā)電項目后，在采用較先進(jìn)的低溫低壓補(bǔ)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(jī)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(diǎn)工質(zhì)換熱后用于發(fā)電的方案，但其經(jīng)濟(jì)性和實(shí)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(dá)能源工程公司的方案，將窯頭廢氣經(jīng)篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)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(diǎn)在于將110℃左右目前難于利用的低溫廢氣通過與篦冷機(jī)內(nèi)的中溫（500℃左右）熟料換熱升溫后加于利用。實(shí)現(xiàn)低溫廢氣余熱資源焓—的轉(zhuǎn)換。本方案在工程實(shí)踐中已解決的問題有以下幾點(diǎn)：
1、對熟料冷卻尤其是出窯熟料驟冷要求的影響
篦冷機(jī)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(jī)的熟料溫度<65℃+環(huán)境溫度；此外要求在篦冷機(jī)高溫區(qū)段對出窯熟料實(shí)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(jī)中的運(yùn)動和冷卻過程，在推動型篦冷機(jī)（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(shí)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(shí)現(xiàn)對熟料的進(jìn)一步冷卻、降低出篦冷機(jī)的熟料溫度。
分析篦冷機(jī)的風(fēng)量分配關(guān)系：冷卻用風(fēng)由各段風(fēng)機(jī)分別鼓入，風(fēng)溫為20℃左右，高中低溫三個區(qū)段的進(jìn)風(fēng)量分別占總風(fēng)量的31%、50%和19%左右。換熱后出篦冷機(jī)的風(fēng)量分配為：入窯二次風(fēng)占15%左右（標(biāo)況、風(fēng)溫1050℃左右）；入分解爐三次風(fēng)占22%左右（標(biāo)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(shí)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(jī)中溫區(qū)，不會影響篦冷機(jī)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(shí)測對出篦冷機(jī)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(jī)篦板、傳動裝置和電氣線路的影響和措施
篦冷機(jī)篦板頂面與熾熱熟料接觸（第四代篦冷機(jī)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(shí)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(yuǎn)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(yùn)行三年多，對篦板使用壽命無明顯影響。
篦冷機(jī)傳動裝置大都使用普通鋼材，第三代篦冷機(jī)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(qiáng)制潤滑。
篦冷機(jī)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(jī)中溫室風(fēng)機(jī)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(jī)，不需改用高溫風(fēng)機(jī)。需關(guān)注的問題有兩個。一是風(fēng)機(jī)葉輪和機(jī)殼的防磨損措施，窯頭余風(fēng)中含有細(xì)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(qiáng)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(jī)需改用耐磨葉輪，機(jī)殼需采用貼耐磨陶瓷片等防磨損措施。二是風(fēng)機(jī)的工作全壓問題。風(fēng)機(jī)進(jìn)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(jī)全壓無富裕量時，需加大風(fēng)機(jī)的工作全壓值。浙江興寶龍應(yīng)用本方案時因風(fēng)機(jī)全壓富裕量較大對風(fēng)機(jī)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(shí)施，篦冷機(jī)兩臺中溫風(fēng)機(jī)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(dá)能源公司根據(jù)篦冷機(jī)內(nèi)部廢氣溫度的分布規(guī)律對窯頭廢氣余熱資源實(shí)施分級利用，窯頭余熱鍋爐系統(tǒng)設(shè)置獨(dú)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(jìn)一步提高余熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，我們在浙江興寶龍余熱發(fā)電項目中進(jìn)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(yùn)至今運(yùn)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(jìn)。
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(jī)廢氣按溫度分別利用和獨(dú)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(diǎn)，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(yùn)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(jī)系統(tǒng)可以滑壓運(yùn)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(jì)（最佳）運(yùn)行點(diǎn)，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(shí)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(diǎn)，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(jì)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(shí)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(jī)汽耗率較高，也無低溫低壓補(bǔ)汽，設(shè)計平均發(fā)電功率1.95MW。余熱發(fā)電項目投運(yùn)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(yùn)行數(shù)據(jù)看，C1出口溫度平均下降11.5℃, C1出口負(fù)壓基本無變化。SSH余熱過熱器在興寶龍公司運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jìn)，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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)煤4130噸。此外，窯筒體溫度較高部分還需要使用風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)冷卻，再耗費(fèi)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(shí)用意義上存在困難。
和易世達(dá)公司專家合作在浙江興寶龍新型干法回轉(zhuǎn)窯上進(jìn)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(diǎn)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(qiáng)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(jī)再升溫，與篦冷機(jī)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(jìn)一步改進(jìn)。
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(shí)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(diǎn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jī)的補(bǔ)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)和效果
本方案針對水泥回轉(zhuǎn)窯工況進(jìn)行原理設(shè)計，具有以下技術(shù)特點(diǎn)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(qiáng)度有利。同時可免除窯筒體溫度較高部位使用風(fēng)機(jī)強(qiáng)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(qiáng)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(yùn)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(yùn)行無不良影響。
(4) 可直接生產(chǎn)低溫低壓蒸氣作為補(bǔ)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。
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