劉艷春武曉峰

（1.唐山冀東機(jī)電設(shè)備有限公司；2.唐山冀東水泥股份有限公司，河北 唐山 064000）

回轉(zhuǎn)窯筒體余熱利用

劉艷春1武曉峰2

（1.唐山冀東機(jī)電設(shè)備有限公司；2.唐山冀東水泥股份有限公司，河北 唐山 064000）

介紹唐山冀東機(jī)電設(shè)備有限公司優(yōu)化設(shè)計(jì)的水泥窯筒體換熱器，通過(guò)回收筒體的輻射熱能，實(shí)現(xiàn)供暖、熱水聯(lián)供及余熱發(fā)電，效益顯著。

回轉(zhuǎn)窯筒體；余熱；回收利用

某5000t/d的生產(chǎn)線實(shí)測(cè)表面散熱損失占總輸入熱量6.6%,其中窯筒體表面散熱量占總散熱量的55%，且熱量較為集中，回收潛力巨大。

唐山冀東機(jī)電設(shè)備有限公司根據(jù)電力系統(tǒng)換熱器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合水泥窯本身的特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的水泥窯筒體換熱器，是通過(guò)在回轉(zhuǎn)窯上方安裝弧形換熱器，利用回收筒體的輻射熱能，實(shí)現(xiàn)供暖、熱水聯(lián)供，還能用于余熱發(fā)電，是一項(xiàng)環(huán)保、節(jié)能、增效減排的工程，其經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益十分顯著。

一、不同窯徑的換熱功率

1.換熱罩介紹。

本系統(tǒng)主機(jī)設(shè)備為回轉(zhuǎn)窯換熱罩，如圖1所示，每條線設(shè)4組相同尺寸的換熱面，其中2#輪帶與3#輪帶之間設(shè)置4組換熱面，1#輪帶至2#輪帶之間設(shè)置4組換熱面。換熱罩之間的距離不留間隙（人孔門處留600間隙），現(xiàn)場(chǎng)用螺栓固定。

圖1

換熱罩與輪帶之間的距離為1500mm左右，以保證換熱面之間汽水管道連接、安裝運(yùn)行檢修的方便性，且不影響回轉(zhuǎn)窯的正常運(yùn)行和檢修。

換熱罩中的換熱管采用Ф32×4mm的無(wú)縫鋼管，鋼管材質(zhì)選用中低壓鍋爐專用鋼材20-GB3087，換熱管之間采用膜式水冷壁結(jié)構(gòu)連接，采用5mm鋼板焊接。為增大換熱面的總換熱面積，還在膜式壁與筒體之間布置一排光管受熱面，主要吸收對(duì)流熱。

同時(shí)為提高換熱管與回轉(zhuǎn)窯表面的輻射換熱能力，在換熱管噴涂有高吸收率噴涂層。

換熱罩外殼采用鋼板卷制焊接而成，外設(shè)加強(qiáng)筋，以保證換熱面的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在外殼上方設(shè)置吊耳，下部與支撐結(jié)構(gòu)采用螺栓方式，方便換熱面檢修和拆卸。

換熱罩外殼與換熱管間距設(shè)計(jì)為80mm左右，內(nèi)部填充巖棉保溫層，最大限度地減小換熱面散熱損失。

（1）換熱罩型式

由于換熱罩存在與窯系統(tǒng)故障不同步的可能，所以將換熱器設(shè)計(jì)成圖2結(jié)構(gòu)，集熱罩故障時(shí)，不停窯即可將換熱器翻轉(zhuǎn)，不影響水泥窯運(yùn)行時(shí)散熱。

（2）結(jié)構(gòu)及制造特點(diǎn)

①換熱器模塊采用中壓鍋爐鋼管制造，根據(jù)不同情況合理選取管徑，材質(zhì)為20-GB3087。

②受熱面采用膜式壁結(jié)構(gòu)，合理選取膜式壁管間距及膜的厚度，增強(qiáng)換熱效果，減少自身重量及成本投入，在增強(qiáng)對(duì)流換熱的同時(shí)增強(qiáng)換熱器模塊剛度。

③膜式壁外側(cè)采用80mm的巖棉保溫，最外側(cè)用薄鋼板做外護(hù)板。

④進(jìn)出水管采用金屬波紋管與給水、回水管道法蘭聯(lián)接，避免因制造偏差或熱膨脹產(chǎn)生應(yīng)力，造成變形。

⑤受壓件全部焊口在制造廠內(nèi)完成，焊后100%無(wú)損探傷檢驗(yàn)，最大程度的保證制造質(zhì)量。

圖2

⑥全部模塊制造完成后，在制造廠內(nèi)預(yù)裝配，保證安裝質(zhì)量。

⑦嚴(yán)格按照壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造，全部受壓部分焊接完成后進(jìn)行水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)壓力采用2倍設(shè)計(jì)壓力。

⑧給水、回水管道采用巖棉管保溫，外敷白鐵皮。

⑨全部模塊串聯(lián)，低進(jìn)高出。

2.基礎(chǔ)負(fù)荷簡(jiǎn)圖。

如圖3所示，換熱器基礎(chǔ)為條形，核算各窯蹲基礎(chǔ)受力情況后，根據(jù)實(shí)際情況考慮換熱罩支撐的制作技術(shù)方案，做到安全、針對(duì)性設(shè)計(jì)。

圖3

二、設(shè)備設(shè)計(jì)及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

本設(shè)計(jì)結(jié)合廠區(qū)的水泥生產(chǎn)線、冷/暖供應(yīng)系配置特點(diǎn)，充分利用原有設(shè)備設(shè)施，采用先進(jìn)的新技術(shù)替代傳統(tǒng)的、落后的生產(chǎn)工藝，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能解決方案最優(yōu)化的目的，其主要技術(shù)措施及優(yōu)勢(shì)如下。

1.針對(duì)不同用戶進(jìn)行不同設(shè)計(jì)。

針對(duì)不同用戶需求及窯筒體表面溫度分布情況進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，根據(jù)使用參數(shù)確定集熱罩串聯(lián)或者并聯(lián)使用，集熱罩內(nèi)的循環(huán)水可使用軟化水或者直接使用發(fā)電系統(tǒng)的除鹽水，收集后的熱量可用于洗浴、供暖、發(fā)電等。

2.集成化模塊設(shè)計(jì)。

每個(gè)模塊包含膜式壁、光管受熱面、保溫材料和外護(hù)板，在制造廠內(nèi)組裝完成，現(xiàn)場(chǎng)只用法蘭連接進(jìn)出水管，沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)受壓件焊接，最大程度的保障焊接制造質(zhì)量。

3.系列化設(shè)計(jì)。

根據(jù)回轉(zhuǎn)窯直徑系列化設(shè)計(jì)換熱器，每系列的模塊尺寸完全相同，便于檢修互換，減少備件庫(kù)存。

4.優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)一。將原來(lái)的半圓形結(jié)構(gòu)改成兩片四分之一圓弧拼裝結(jié)構(gòu)，在頂部留有開(kāi)口，換熱器罩內(nèi)的空氣在自生通風(fēng)力的作用下自下向上流動(dòng)，增強(qiáng)了對(duì)流換熱，并且保證了筒體表面溫度。

（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)二。將管子布置方式由原來(lái)的沿筒體縱向布置改為沿筒體圓周弧形布置，不但減少了彎制集箱而產(chǎn)生的制造費(fèi)用，而且在運(yùn)行過(guò)程中，局部產(chǎn)生的氣泡隨著水流自然向上移動(dòng)，最終匯集到集氣箱頂部的排氣閥排出，增加了運(yùn)行安全。

（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)三。集熱罩布置離輪帶及大齒圈距離經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)，消除窯筒體表面溫度上升給輪帶及大齒圈帶來(lái)的潛在危害。

5.適應(yīng)室外布置設(shè)計(jì)。

（1）采用全排空設(shè)計(jì)，能在短時(shí)間內(nèi)將換熱器的水全部排空，有效避免冬季停窯時(shí)換熱器防凍問(wèn)題。

（2）兩片四分之一圓弧拼裝結(jié)構(gòu)的換熱器可以向后翻轉(zhuǎn)，將回轉(zhuǎn)窯筒體全部裸露出來(lái)，避免夏季換熱器停用時(shí)因換熱器罩遮擋影響窯體自然散熱對(duì)窯體造成的損害。

6.受熱面采用高吸收率和低反射率的高科技材料,吸收率為0.94～0.96,發(fā)射率為0.37～0.39，能更好的吸收窯筒體散發(fā)的熱量，提高效率。

7.安裝簡(jiǎn)便。全部裝置通過(guò)鋼架支撐在地上，不與窯體產(chǎn)生任何聯(lián)接，不會(huì)對(duì)窯體產(chǎn)生不利影響，可實(shí)現(xiàn)不停窯安裝。

8.對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，系統(tǒng)阻力小、無(wú)結(jié)垢、高效率、低投入，且對(duì)窯筒體影響小。

三、工程實(shí)例及效益

1.某公司3200t/d生產(chǎn)線熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)（圖4）。

根據(jù)該公司要求，窯筒體輻射熱夏季用于發(fā)電及洗浴，冬季用于洗浴、采暖及發(fā)電，通過(guò)優(yōu)化管路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)隨時(shí)切換，保證了各個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4

該公司發(fā)電系統(tǒng)采用的是閃蒸補(bǔ)汽方式，因此將窯筒體輻射熱收集的低品位熱量用于閃蒸補(bǔ)汽系統(tǒng)中，對(duì)于有除氧器的機(jī)組可以應(yīng)用到給水加熱，減少汽輪機(jī)抽汽，間接提高發(fā)電量，或者應(yīng)用到機(jī)組補(bǔ)汽中，提高發(fā)電量。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.效益（全年按運(yùn)行7200h計(jì)算）。

（1）實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)吸熱量為（722.37-170.38）×7000/3600=1.07MW。

（2）全年用于洗浴時(shí)（每天洗浴3次，水溫15℃加熱至65℃）與電加熱器進(jìn)行比較，可節(jié)電104.65萬(wàn)kW?h，約52.33萬(wàn)元。

（3）冬季用于供暖時(shí)，可減少抽發(fā)電新蒸汽約1.3t/h，每小時(shí)提高發(fā)電量約260kW?h，按5個(gè)月計(jì)算，增加效益46.8萬(wàn)元。

（4）夏季除去洗浴外多余熱量用于閃蒸發(fā)電，按5個(gè)月計(jì)算，年增加發(fā)電量約32.4萬(wàn)kW?h，增加效益16.2萬(wàn)元。設(shè)備運(yùn)行所需電量約為20kW?h，費(fèi)用為7.2萬(wàn)元，因此全年收益約為108.13萬(wàn)元。

換熱器投產(chǎn)后，總吸收熱量1.07MW，以年運(yùn)行300天計(jì)算，可減少NOx排放32t，減少CO2排放21394t，具有重大的社會(huì)效益。

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