摘要:

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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(guò)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。

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本方案的要點(diǎn)在于將110℃左右目前難于利用的低溫廢氣通過(guò)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(wèn)題有以下幾點(diǎn)：

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篦冷機(jī)在預(yù)分解窯系統(tǒng)中作為一項(xiàng)重要的熱工設(shè)備，主要完成對(duì)出窯熟料（1300℃左右）的冷卻和回收熱能兩項(xiàng)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(duì)出窯熟料實(shí)現(xiàn)驟冷，以阻止熟料礦物晶體的長(zhǎng)大和其中阿利特礦物C₂S由β型向γ型的轉(zhuǎn)化。

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分析出窯熟料在篦冷機(jī)中的運(yùn)動(dòng)和冷卻過(guò)程，在推動(dòng)型篦冷機(jī)（目前通常稱第三/第四代）中，熟料在篦床上的冷卻可劃分為高中低溫三個(gè)區(qū)段：其高溫區(qū)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)熟料的進(jìn)一步冷卻、降低出篦冷機(jī)的熟料溫度。

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

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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(shí)，會(huì)引起篦板工況溫度上升，實(shí)測(cè)對(duì)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(duì)篦板使用壽命無(wú)明顯影響。

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

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篦冷機(jī)風(fēng)室中設(shè)有測(cè)溫和觀察用照明裝置。風(fēng)溫的提高對(duì)測(cè)溫元件無(wú)影響。照明裝置需改用耐溫較高的瓷質(zhì)燈座，測(cè)溫信號(hào)和照明引線改用耐溫較高的F級(jí)絕緣電纜。

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

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表面看來(lái)，在C₂旋風(fēng)筒內(nèi)設(shè)置過(guò)熱器存在與水泥窯預(yù)熱系統(tǒng)爭(zhēng)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(jí)預(yù)熱器中，最上級(jí)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(guò)熱飽和蒸汽的吸熱量小。因此從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度分析，在C₂旋風(fēng)筒內(nèi)設(shè)置過(guò)熱器是合理的。

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預(yù)分解窯尾五級(jí)預(yù)熱器的換熱過(guò)程主要在上升管道中完成，因此在C₂旋風(fēng)筒內(nèi)設(shè)置過(guò)熱器不影響C₂預(yù)熱器的換熱。由于過(guò)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(guò)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(guò)熱到345℃時(shí)需?? kcal/t蒸汽；2.45MPa—222.9℃飽和蒸汽過(guò)熱到380℃時(shí)需?? kcal/t蒸汽。因過(guò)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(duì)入窯生料在C₁預(yù)熱器的換熱影響不大，對(duì)窯系統(tǒng)的正常生產(chǎn)無(wú)不良影響。相應(yīng)的，在窯系統(tǒng)相同熱耗時(shí)、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(huì)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(guò)熱度、流量和系統(tǒng)穩(wěn)定性多方面影響，采用SSH余熱過(guò)熱器技術(shù)對(duì)提高余熱發(fā)電量有利。

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附圖所示為水泥煅燒用回轉(zhuǎn)窯筒體結(jié)構(gòu)示意圖。回轉(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(lái)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(jì)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(wàn)kwh左右。

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到目前為止，水泥行業(yè)對(duì)回轉(zhuǎn)窯筒體散熱還沒(méi)有較好的利用方法。國(guó)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(guò)渡帶靠窯頭部位）裝設(shè)半封閉的隔熱罩（全封閉會(huì)帶來(lái)窯筒體超溫問(wèn)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(duì)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(xiàng)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。

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本方案所要解決的技術(shù)問(wèn)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(wèn)題。本方案已獲得專利授權(quán)（證書號(hào)1183223），目前處于小試階段。方案要點(diǎn)為：

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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(guò)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(guò)渡帶（筒體表面溫度較高）的4#換熱裝置可作為過(guò)熱器使用。

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（2）用作蒸發(fā)器的換熱裝置工作原理相同。通過(guò)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(duì)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(guò)換熱腔頂部的蒸汽管道引至汽包。在4#換熱裝置作為過(guò)熱器使用時(shí)通過(guò)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(guò)渡帶回轉(zhuǎn)窯筒體表面強(qiáng)制對(duì)流換熱后，形成低溫低壓過(guò)熱蒸汽（過(guò)熱度30℃左右）用于汽輪機(jī)的補(bǔ)汽。

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（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(guò)滑輪安裝在4個(gè)導(dǎo)軌上，每個(gè)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(dòng)但可通過(guò)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(dòng)掃描測(cè)溫儀方向設(shè)置測(cè)溫窗，滿足對(duì)窯筒體的測(cè)溫要求。由于工質(zhì)引起的測(cè)溫誤差可通過(guò)自動(dòng)測(cè)溫儀的數(shù)據(jù)調(diào)整進(jìn)行修正。

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密封結(jié)構(gòu)由“柔性聯(lián)接”于窯筒體上的動(dòng)密封環(huán)、裝設(shè)在換熱罩上的可自動(dòng)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。

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本方案針對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯工況進(jìn)行原理設(shè)計(jì)，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(duì)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(shí)可防止因換熱效率低引起窯筒體表面超溫。

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（2）在上述換熱方式下，對(duì)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(guò)熱段部位的窯筒體表面溫度可控制在300℃以內(nèi)，對(duì)窯筒體鋼板強(qiáng)度有利。同時(shí)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。

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（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(duì)窯運(yùn)轉(zhuǎn)率的影響；換熱罩上設(shè)有測(cè)溫窗以滿足對(duì)窯筒體測(cè)溫要求；與窯筒體聯(lián)接的動(dòng)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(wèn)題；此外通過(guò)在回轉(zhuǎn)窯上分段裝設(shè)換熱罩（避開(kāi)窯的輪帶、托輪）等措施，在裝設(shè)換熱裝置后對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯設(shè)備及運(yùn)行無(wú)不良影響。

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（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。