水泥窯旁路放風技術及余熱利用簡介

包文忠，張磊，張福濱

1 引言

隨著技術的發展和資源的日益緊缺，在水泥生產過程中使用一些堿、氯、硫含量較高的原材料生產優質熟料，不僅是社會發展對資源利用的要求，也是水泥技術和裝備進步的體現。20世紀50年代出現了旋風預熱器[1]，它利用窯尾廢氣余熱在旋風筒內將懸浮態的生料預熱，使入窯生料中碳酸鈣的分解率達到了40%左右，大大降低了熟料的熱耗，增加了單位產量。但由于美國原料中堿含量較高，揮發組分循環容易發生結皮和堵塞現象，導致這種窯型在美國投產后不得不陸續關閉，停止使用長達20年之久。20世紀70年代旋風預熱器窯在歐洲發展為預分解窯，碳酸鈣的分解率達到90%，熟料的熱耗更低，但是窯內結圈或窯尾煙室、旋風筒錐體等部位結皮堵塞問題則更加嚴重。

現代水泥廠大多使用新型干法水泥生產方法。揮發成氣態的堿、硫、氯與窯內氣體一道進入預熱器系統，由于生料充分懸浮于熱氣體中，當氣體溫度達到堿、硫、氯的熔點溫度時，他們便冷凝在生料粉顆粒表面，隨生料又重新回到窯內，在高溫帶再次揮發，揮發性組分就這樣在窯與預熱器之間經過多次揮發、冷凝，使得預熱器、窯內生料的有害成分顯著提高。從測試結果來看，一般入窯熱生料中K2O含量是生料的2～4倍、Na2O為1.5～2倍、Cl-為20～30倍[2]，由此可以看出，揮發組分的循環累積相當嚴重。

為了解決此問題，一般會采用水泥窯旁路技術，其主要分為三類：

第一類是旁路窯灰，即將窯尾電收塵器收下的窯灰，將其作水泥混合材或其他添加料使用，減少揮發組分的循環，該技術比較簡便，但效果不是很明顯。

第二類是旁路熱生料，即將預熱器入窯的熱生料部分旁路，從而減少揮發性組分的富集和循環，該技術的效果也是比較明顯的，但旁路損失的熱量難以利用。

第三類為旁路放風，即在窯尾與預熱器之間增設旁路放風裝置，減少揮發性組分的富集和循環，這是目前應用最廣泛的技術，也是旁路效果最好的技術，本文后續將著重介紹。

近年來隨著水泥窯余熱發電技術的不斷發展，在水泥窯上可以同時使用旁路放風和余熱發電技術。旁路放風排出的高溫煙氣可以通過余熱鍋爐產生過熱蒸汽接入現有余熱發電系統，因此解決了以往旁路放風熱損失較大的問題，經濟效益提升明顯。

2 旁路放風技術簡介

2.1 旁路放風系統工藝流程

旁路放風系統常見工藝流程有4種形式：

（1）帶旋風收塵器及旁路氣體返回主氣流的旁路系統，適用于有害成分含量不高時。旁路氣體堿粉塵分離，經過收塵后的氣體從C1筒的進風管道與主氣流匯合后進入C1。

（2）帶旋風收塵器及單獨用于旁路氣體電收塵器的旁路放風系統。旁路氣體從抽氣點抽出，摻入冷風后，先經旋風收塵器，再進入電收塵器收塵，經收塵后的氣體通過排風機排出。

（3）直接由電收塵器收塵的旁路系統。旁路氣體從抽氣點抽出，摻入冷風后，經過增濕塔進入電收塵器收塵。

（4）直接由袋收塵器收塵的旁路系統。旁路氣體從抽氣點抽出，摻入冷風后，直接進入袋收塵器的旁路系統。

由于流程3和流程4比較簡單，因此實際應用較多。以流程4為例，旁路放風系統的工藝流程如圖1所示，系統主要由抽氣裝置、袋收塵裝置、輸送裝置、排氣裝置、窯灰儲存處理等裝置組成。

圖1 旁路放風系統工藝流程圖

旁路放風設施一般設置在氣流中粉塵濃度最小的部位，抽氣點以窯尾煙室上部為宜[4]。放風量在25%以下時，抽氣點的位置選在靠窯一側的煙室上部（圖2）。

取氣點抽出的煙氣溫度約為1100℃[3]、壓力-1kPa、氣體含塵濃度約400g/m3（標），由于此時煙氣溫度過高，為便于下一步處理，一般在取氣點設置急冷室，以冷風作為冷卻介質，將抽取的約1100℃的熱氣體驟冷至450℃或更低。此時廢氣中的揮發性組分幾乎全部冷凝為固態并附著于煙塵表面。抽出的廢氣進一步進入熱交換器或繼續與冷風混合進行冷卻，最終降低到200℃左右進入袋收塵裝置，凈化后的廢氣通過煙囪排入大氣。而窯灰經輸送裝置進入窯灰倉，最終用汽車運走處理或作為混合材與熟料混合。

圖2 旁路放風點位置示意圖

2.2 旁路放風系統相關計算

（1）旁路放風料耗

假設窯尾熱氣體中粉塵含量占入窯熱生料量的比例不變，一般為10%～12%。因此旁路放風料耗為不放風時的料耗與放風損失物料量之和。根據假設，旁路放風損失物料量為：

式中：

gh——旁路放風損失物料量，kg/kg熟料

L——生料燒失量

Φ——入窯生料分解率

Phm——窯尾煙氣粉塵量占入窯熱生料物料量的比例

通過式（1）可以得到旁路放風損失的物料量與旁路放風量之間成正比關系。

（2）旁路放風熱耗

假設條件與旁路放風量計算時相同，根據熱平衡原理，放風損失熱為：

式中：

Hbs——放風損失熱，kJ/kg熟料

Cg——放風氣體溫度在tg時的比熱，kJ/m3（標）·℃

tg——放風氣體溫度，℃

Chm——放風粉塵溫度在thm時的比熱，kJ/kg·℃

thm——放風粉塵溫度，℃

由式（2）可以估算出旁路每放出1%的風，水泥窯熱耗增加約為9.6kJ/kg熟料。

（3）旁路放風量

假設采用旁路放風后，入窯生料分解率、窯頭用煤量與之前一樣，放風損失的熱量由放風氣體的焓值與放風氣體中粉塵的焓值組成，并由分解爐補充。

根據燃燒計算可得旁路放風量Vbs為:

式中：

α——窯尾空氣過剩系數

Qnet,ad——煤粉熱值，kJ/kg

Qs——未放風時系統的熱耗，kJ/kg熟料

f——未放風時窯頭燃料比例

Vb——旁路放風比例

Φ——入窯生料分解率

通過上述公式可以看出，旁路放風料耗和旁路放風熱耗都與旁路放風量成線性正比關系[5]，雖然旁路放風在原料有害組分超標的情況下能夠穩定系統操作和提高熟料質量，但是旁路放風量并不是越多越好，應結合水泥廠的實際情況綜合考慮，既要生產出質量好的產品，又要盡量降低料耗和熱耗。

（4）K2O、Na2O、SO3、Cl-的旁路放風效果

揮發性組分的旁路放風效果主要受原料含量、揮發率、吸收率、熱耗等因素的影響，其中以揮發率因素影響最大。一般進行旁路放風系統設計時，需要通過試驗確定揮發性組分的揮發率，據此確定旁路放風量。

一般條件下，K2O、Na2O、SO3、Cl-的旁路放風效果如圖3所示。

由圖3可以看出，Cl-的旁路放風效果最好，K2O、SO3效果比較接近，而Na2O的效果最差。因此當生料中Cl-含量較高時，采用旁路放風是比較好的解決辦法。但是當生料中Na2O超出標準很高時，旁路放風可能并不能解決問題，此時可以考慮更改生料配料成分或更換生料[6]。

因此在水泥生產過程中應注重原料的選用。國外部分公司對生料中氯、硫、堿的允許含量見表1，超過規定標準應考慮采取旁路放風措施。

在我國北方地區原料一般含堿量較高，而在南方地區，燃煤含硫量較高，采用旁路放風技術可以降低熟料中的堿含量及對燃料含硫的要求。另外，某些水泥廠為了生產低堿水泥，即使揮發性組分對窯的操作未造成麻煩，也必須采取旁路放風措施以減少窯內堿的含量。

2.3 加入旁路放風系統帶來的影響

現有水泥廠加入旁路放風系統后，應考慮如下幾個問題：

（1）由于旁路放風會產生一定的熱量損失，窯尾分解爐需增加相應的燃煤量，對水泥熟料生產來講，增加煤耗相應地提高了成本。

（2）增加旁路放風系統后需增加分解爐喂煤系統的能力，有可能需更換或調整分解爐燃燒器、煤粉計量、送粉管路及一次鼓風裝置。

（3）加入旁路放風系統后如果工廠生產低堿水泥，則旁路放風系統的降塵不能混入生料入窯而需設置一套旁路放風灰處理裝置。如果工廠不準備生產低堿水泥，則旁路放風系統的降塵可直接混入生料入窯。

上述三點問題從技術、運行、維護、管理等角度來看都是可以解決的，但要考慮加入旁路放風系統所帶來的經濟效益是否可以抵消其所帶來的成本增加（如額外投資、人工成本、煤耗增加等），因此項目的經濟性是水泥廠需要重點考慮的問題。

3 旁路放風余熱發電技術

從旁路放風技術來看，排出高溫煙氣的熱量浪費十分可惜，如果利用現有余熱發電技術將排出的高溫煙氣用于發電，在保證水泥窯正常生產以及獲得低堿水泥的同時，還有可能取得一定的經濟效益。

圖3 旁路放風效果隨風量變化圖

表1 國外部分公司對生料有害成分含量規定

對于旁路放風余熱發電系統，其技術要求及工作條件與現有水泥窯高溫余熱發電系統完全相同，因此不存在技術障礙和技術難點。下面以某生產能力為5000t/d的水泥廠為例[7]，分析其旁路放風余熱發電系統自身的經濟性。該水泥廠余熱發電系統流程如圖4所示。

與傳統水泥窯余熱發電系統不同的是，該項目在窯尾增加了一臺旁路放風余熱鍋爐，旁路放風余熱鍋爐布置在急冷室后，鍋爐進風管道取自急冷室出口。旁路放風余熱鍋爐產生的過熱蒸汽與其他蒸汽混合后一起進入汽輪發電機進行做功發電。

此5000t/d水泥生產線旁路放風廢氣參數為13500m3（標）/h-1150℃，經過急冷室補入大量冷空氣后溫度降至400℃，此時旁路放風煙氣參數變為44500m3（標）/h-400℃。由于鍋爐出口煙氣要送回旁路放風系統收塵器，因此余熱鍋爐排煙溫度不能太低，按照200℃考慮。綜上所述，根據廢氣參數設計出旁路放風余熱鍋爐產汽量為4.80t/h-1.35MPa-375℃。

余熱發電系統自用電率約為7%，采用窯尾旁路放風后電站供電功率增加為（9400-8200）kW×93%=1116kW，按電站年運行7200h計，年多供電803.5萬kWh，年收入增加803.5×E萬元（E為水泥廠外購電電價，元/kWh）。

余熱電站不含財務費用及折舊的供電總成本一般不超過0.07元/kWh。采用窯尾旁路放風時電站年總成本增加（9400-8200）kW×7200h×0.07元/kWh+0.86t/h×7200h×C元/t=（60.48+0.6192×C）萬元（C為煤的到廠價，元/t，熱值取22572kJ/kg）。

在此情況下，采用窯尾旁路放風時電站總投資增加約為500萬元。

因此僅增加旁路放風余熱發電部分的投資回收期為500/[803.5×E-（60.48+0.6192×C）]，通過上式可以看出，當地的電價和煤價共同決定了旁路放風余熱發電系統的經濟性。

假設水泥廠當地煤價為450元/t，電價為0.6元/kWh，可以通過計算得到旁路放風余熱發電系統投資回收期約為3.5年，是可以接受的。但不排除某些水泥廠當地煤價高、電價低，使得投資回收期很長，甚至收益為負的情況，這時就需要綜合考慮旁路放風系統所帶來的生產工藝保證以及優質低堿水泥所帶來的額外收益，綜合計算后才能確定旁路放風系統是否具有可行性。

4 總結

旁路放風技術在國外已經得到廣泛應用，特別是近二十年，歐美原料情況變化和持續增長的替代燃料(如垃圾衍生燃料)或原料的利用，使堿、氯、硫的帶入量增加，對水泥生產工藝造成破壞性影響，采用旁路放風技術能夠很好地解決這一問題。在國內，一般通過選取合適的原料，避免采用該技術，因此國內的研究和實踐并不多。但隨著我國海外市場的發展，在當地原料中堿、氯含量較高，或者燃燒當地硫含量較高的煤時，旁路放風技術的使用就不可避免。

通過本文對旁路放風技術的論述和分析，可以總結得到如下要點：

（1）旁路放風技術拓寬了水泥生產原料的適應性，為使用高堿、氯、硫原料提供了可能，另外水泥廠還可以生產優質低堿水泥，使產品具有更好的市場競爭力。

（2）旁路放風對于防止系統結皮和堵塞具有比較明顯的作用，但旁路放風會損失部分熱量，增加系統熱耗，因此旁路放風量并不是越多越好，應結合水泥廠的實際情況綜合考慮。

（3）旁路放風系統與余熱發電系統相結合，較之單獨的旁路放風系統可能會取得更好的經濟效益。

（4）如今旁路放風技術已經十分成熟，實施過程不存在大的問題，但要考慮增加旁路放風系統所帶來的經濟效益是否可以抵消其所帶來的成本增加（如額外投資、人工成本、煤耗增加等），因此對于一個水泥廠來說是否真的需要旁路放風系統，應該綜合考慮，重點分析其經濟性后再做出結論。

[1]楊紅波.新型干法水泥生產中旁路放風系統的DCS控制[D].武漢：武漢理工大學，2008.

[2]和春梅.預分解窯旁路放風[J].中國水泥,2006,（8）：52～55.

[3]張大康.國外某水泥工廠的旁路放風裝置[J].水泥技術,2006，（4）：56～59.

[4]張程,彭一凡,胡恒陽.旁路放風系統的工藝設計[J].新世紀水泥導報,2007,（6）：5～8.

[5]賀景樣.旁路放風數學模型與計算程序[J].水泥技術,1998，（3）：21～24.

[6]彭學平,胡芝娟,胡恒陽.水泥窯旁路放風的設計及其效果[J].水泥技術,2001,（6）：8～12.

[7]中材節能股份有限公司.莫桑比克馬普托水泥廠自備電站初步設計文件[G].■