篦冷機(jī)出口煙氣余熱再循環(huán)利用

申巧蕊，曾計(jì)生，袁俊，劉存超，姚秀麗

在水泥預(yù)分解生產(chǎn)工藝中，即便是目前最先進(jìn)的技術(shù)，也會(huì)有35%左右的熱量以廢氣的形式直接排放至大氣中，這對于高能耗的水泥生產(chǎn)來說，無疑是一種浪費(fèi)[1]。若將這一部分熱能回用于水泥生產(chǎn)，可有效降低水泥熟料綜合電耗，在降低企業(yè)生產(chǎn)成本的同時(shí)，也可減少CO2等廢氣的排放[2]。

本文以10 000t/d熟料生產(chǎn)線為例，通過熱平衡分析對比，將篦冷機(jī)煙囪外排煙氣再循環(huán)用于提高余熱發(fā)電能力，以提高能源利用效率。

1 篦冷機(jī)余熱再循環(huán)利用工藝

篦冷機(jī)是水泥生產(chǎn)工藝中的主要冷卻設(shè)備，對水泥熟料的質(zhì)量和熱回收效率有著重要影響[2]。由高壓鼓風(fēng)機(jī)鼓入的冷空氣，通過篦冷機(jī)的篦床與高溫熟料進(jìn)行熱交換，熱交換后的中、高溫部分風(fēng)作為二、三次風(fēng)回到窯系統(tǒng)用作燃料助燃空氣，部分還可用于余熱發(fā)電和物料烘干等，低溫部分作為余風(fēng)收塵后排放。

篦冷機(jī)出口廢氣的利用受熟料生產(chǎn)影響較大，因此合理確定余熱取風(fēng)位置至關(guān)重要。結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在保證水泥生產(chǎn)用風(fēng)不受影響的情況下，取風(fēng)位置選在中溫區(qū)。同時(shí)，采用余風(fēng)再循環(huán)技術(shù)，將余熱發(fā)電和篦冷機(jī)尾部出口的低溫廢氣引回到篦冷機(jī)中溫段，以進(jìn)一步提高冷卻機(jī)中部出口排風(fēng)溫度，從而提高余熱鍋爐入口氣體溫度，進(jìn)一步提高發(fā)電量。余熱再循環(huán)利用工藝如圖1所示。

圖1 余熱再循環(huán)利用工藝示意圖

2 熱平衡計(jì)算對比分析

2.1 煙氣未循環(huán)利用時(shí)的熱平衡

以10 000t/d熟料生產(chǎn)線為例，篦冷機(jī)入口熟料溫度為1 450℃。冷卻熟料后的熱風(fēng)，高溫部分進(jìn)入窯頭和三次風(fēng)管，中溫部分入余熱鍋爐進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電后的廢氣和篦冷機(jī)尾部出口廢氣收塵后混合，部分廢氣通過4臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)引回到篦冷機(jī)中段，其他廢氣經(jīng)煙囪排入大氣。

根據(jù)風(fēng)平衡和熱平衡計(jì)算，未采用煙氣熱循環(huán)時(shí)，每kg.cl需2.0m3（標(biāo)）的冷卻風(fēng)，其余熱利用熱平衡簡圖如圖2所示。

圖2 余熱利用熱平衡簡圖

項(xiàng)目當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度為47℃，以每kg.cl計(jì)，熱損失以3kcal/kg.cl計(jì)，熱平衡計(jì)算結(jié)果如下：

（1）收入項(xiàng)

一次風(fēng)帶入熱：

熟料帶入熱：

收入總熱量QS：

（2）支出項(xiàng)

二次風(fēng)帶走熱：

三次風(fēng)帶走熱：（標(biāo)）·℃）=167.1kcal/kg.cl=699.5kJ/kg.cl

余熱發(fā)電帶走熱：

排出煙氣帶走熱：

冷卻熟料帶走熱：

熱損失：

支出總熱量：

在此設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)輸入熱量與支出熱量達(dá)到平衡，余熱發(fā)電帶走熱QZ3為199.6kJ/kg.cl（47.7kcal/kg.cl），余熱發(fā)電效率按25%估算，10 000t/d熟料生產(chǎn)線中，窯頭余熱發(fā)電量貢獻(xiàn)約13.9kW·h/t.cl。

2.2 煙氣循環(huán)利用時(shí)的熱平衡

采用余熱再循環(huán)利用后，根據(jù)理論計(jì)算，在盡量不影響熟料冷卻效果和不影響篦冷機(jī)正常操作情況下，考慮系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)能力，在原工況基礎(chǔ)上，參照經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，入篦冷機(jī)的冷卻風(fēng)取2.05m3（標(biāo)）/kg.cl，循環(huán)風(fēng)取0.789m3（標(biāo)）/kg.cl，采用余熱再循環(huán)利用熱平衡簡圖見圖3。

圖3 余熱再循環(huán)利用熱平衡簡圖

余熱再循環(huán)利用熱平衡計(jì)算結(jié)果如下：

（1）收入項(xiàng)

一次風(fēng)帶入熱：

余熱循環(huán)風(fēng)帶入熱：

熟料帶入熱：

收入總熱量：

（2）支出項(xiàng)

二次風(fēng)帶走熱：

三次風(fēng)帶走熱：

余熱發(fā)電帶走熱：

排出煙氣帶走熱：

冷卻熟料帶走熱：

熱損失：

支出總熱量：

由收支熱平衡，可得：

由收支風(fēng)平衡，可得：

結(jié)合式（1）、式（2）計(jì)算，可得：

余熱發(fā)電帶走熱量QZ3=155.8V1=63.8kcal/kg.cl=267.1kJ/kg.cl，余熱發(fā)電效率按25%估算，10 000t/d熟料生產(chǎn)線中，窯頭余熱發(fā)電量約為18.5kW·h/t.cl。

根據(jù)熱平衡計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析可知，二次風(fēng)、三次風(fēng)需占用篦冷機(jī)總體熱平衡的70%左右，此為正常生產(chǎn)保證值。篦冷機(jī)中段采用循環(huán)熱風(fēng)后，余熱發(fā)電效率按25%估算，發(fā)電量由原來的13.9kW·h/t.cl提高至18.5kW·h/t.cl,提高約30%以上，有效降低了生產(chǎn)運(yùn)營成本。

3 結(jié)語

采用篦冷機(jī)出口廢氣余熱再循環(huán)利用技術(shù)，以10 000t/d熟料生產(chǎn)線為例，窯頭余熱理論發(fā)電量可提高約30%以上，可有效降低能源消耗，提高能源利用率，推動(dòng)水泥行業(yè)余熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)步，對節(jié)能減排工作具有積極意義。