篦冷機出口煙氣余熱再循環利用

申巧蕊，曾計生，袁俊，劉存超，姚秀麗

在水泥預分解生產工藝中，即便是目前最先進的技術，也會有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來說，無疑是一種浪費[1]。若將這一部分熱能回用于水泥生產，可有效降低水泥熟料綜合電耗，在降低企業生產成本的同時，也可減少CO2等廢氣的排放[2]。

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

1 篦冷機余熱再循環利用工藝

篦冷機是水泥生產工藝中的主要冷卻設備，對水泥熟料的質量和熱回收效率有著重要影響[2]。由高壓鼓風機鼓入的冷空氣，通過篦冷機的篦床與高溫熟料進行熱交換，熱交換后的中、高溫部分風作為二、三次風回到窯系統用作燃料助燃空氣，部分還可用于余熱發電和物料烘干等，低溫部分作為余風收塵后排放。

篦冷機出口廢氣的利用受熟料生產影響較大，因此合理確定余熱取風位置至關重要。結合工程實踐經驗，在保證水泥生產用風不受影響的情況下，取風位置選在中溫區。同時，采用余風再循環技術，將余熱發電和篦冷機尾部出口的低溫廢氣引回到篦冷機中溫段，以進一步提高冷卻機中部出口排風溫度，從而提高余熱鍋爐入口氣體溫度，進一步提高發電量。余熱再循環利用工藝如圖1所示。

圖1 余熱再循環利用工藝示意圖

2 熱平衡計算對比分析

2.1 煙氣未循環利用時的熱平衡

以10 000t/d熟料生產線為例，篦冷機入口熟料溫度為1 450℃。冷卻熟料后的熱風，高溫部分進入窯頭和三次風管，中溫部分入余熱鍋爐進行發電，發電后的廢氣和篦冷機尾部出口廢氣收塵后混合，部分廢氣通過4臺冷卻風機引回到篦冷機中段，其他廢氣經煙囪排入大氣。

根據風平衡和熱平衡計算，未采用煙氣熱循環時，每kg.cl需2.0m3（標）的冷卻風，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

項目當地環境溫度為47℃，以每kg.cl計，熱損失以3kcal/kg.cl計，熱平衡計算結果如下：

（1）收入項

一次風帶入熱：

熟料帶入熱：

收入總熱量QS：

（2）支出項

二次風帶走熱：

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

余熱發電帶走熱：

排出煙氣帶走熱：

冷卻熟料帶走熱：

熱損失：

支出總熱量：

在此設計工況下，系統輸入熱量與支出熱量達到平衡，余熱發電帶走熱QZ3為199.6kJ/kg.cl（47.7kcal/kg.cl），余熱發電效率按25%估算，10 000t/d熟料生產線中，窯頭余熱發電量貢獻約13.9kW·h/t.cl。

2.2 煙氣循環利用時的熱平衡

采用余熱再循環利用后，根據理論計算，在盡量不影響熟料冷卻效果和不影響篦冷機正常操作情況下，考慮系統整體設計能力，在原工況基礎上，參照經驗系數，入篦冷機的冷卻風取2.05m3（標）/kg.cl，循環風取0.789m3（標）/kg.cl，采用余熱再循環利用熱平衡簡圖見圖3。

圖3 余熱再循環利用熱平衡簡圖

余熱再循環利用熱平衡計算結果如下：

（1）收入項

一次風帶入熱：

余熱循環風帶入熱：

熟料帶入熱：

收入總熱量：

（2）支出項

二次風帶走熱：

三次風帶走熱：

余熱發電帶走熱：

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：

由收支風平衡，可得：

結合式（1）、式（2）計算，可得：

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

根據熱平衡計算結果進行對比分析可知，二次風、三次風需占用篦冷機總體熱平衡的70%左右，此為正常生產保證值。篦冷機中段采用循環熱風后，余熱發電效率按25%估算，發電量由原來的13.9kW·h/t.cl提高至18.5kW·h/t.cl,提高約30%以上，有效降低了生產運營成本。

3 結語

采用篦冷機出口廢氣余熱再循環利用技術，以10 000t/d熟料生產線為例，窯頭余熱理論發電量可提高約30%以上，可有效降低能源消耗，提高能源利用率，推動水泥行業余熱發電技術進步，對節能減排工作具有積極意義。