水泥窯工藝操作對余熱發電效率的影響

魏振洋，趙鋒

水泥窯系統風、煤、料等工藝操作對余熱發電系統發電效率有很大影響，為有效提升余熱發電負荷率，降低水泥生產成本，提高企業經濟效益，本文現就此問題與各位同仁進行探討。

1 水泥窯用風對余熱發電的影響

水泥熟料煅燒所用風分別為一次風、二次風和三次風，一次風來源于一次風機和煤粉輸送用風，主要作用是將煤粉吹送入窯內，形成良好的火焰形狀，一次風入窯前溫度與環境溫度相同；二、三次風均來源于篦冷機冷卻熟料后的熱風，溫度約800℃～1 250℃。一、二、三次風的風量之和構成了窯系統及余熱發電所需的風量，其配置受熟料燒成系統風、煤、料的影響。三種風的風量配比變化，會影響進入窯頭AQC和窯尾SP鍋爐的風量，進而影響余熱發電系統的發電負荷。

2 水泥窯與余熱發電協同操作的要點及調整實例

2.1 協同操作要點

（1）合理控制熟料結粒狀態，提高系統風溫。

熟料結粒過大，會降低窯頭余熱發電鍋爐廢氣溫度，影響余熱發電效率。通過調整火焰溫度和長度等，控制好熟料結粒狀態，有利于提高余熱風溫。

（2）合理控制窯頭風、煤配比，提高余熱發電系統的風量。

風煤配合比過大，在用風量過大的工況下，窯頭加大給煤量會提高燃燒溫度。用煤量不變時，窯頭用風量過大會造成火焰形狀變長，燃燒溫度下降。用風量不變時，給煤量過大會降低火焰溫度。在操作中，應密切關注系統過剩空氣系數或煙氣含氧量、CO含量，合理配置風、煤、料三者比例，在滿足窯系統煅燒用風的情況下，盡可能多地將熱風送入余熱發電系統。

（3）合理控制二次風（入窯風）和三次風配合比，保證系統發電能力及安全運行。

在總風量一定的情況下，入窯風量、入分解爐風量、入窯頭鍋爐風量相互制約。入分解爐風量過大，影響窯頭燃燒及溫度，并直接與窯頭鍋爐競爭風量，共同對余熱發電造成影響。二、三次風比例通過三次風閥進行調節，在一定工況下，余熱發電風量比例升高，可以降低分解爐的燃燒溫度。同樣，在溫度相同的情況下，二次風（窯風）比例升高也可降低分解爐燃燒溫度。通過風量及熱平衡計算可知，當二、三次風用量較大時，進入AQC鍋爐的廢氣溫度及風量明顯下降，從而對AQC鍋爐取熱造成較大影響（從260℃窯頭鍋爐解列溫度到400℃左右的高溫），進而影響余熱發電系統的發電能力和安全運行。對于窯尾鍋爐來講，窯系統根據投料量大小、C1出口O2含量和出口溫度確定窯尾風量大小，操作調整空間不大，暫不作討論。

2.2 水泥窯與余熱發電用風匹配調整實例

某公司未調整二、三次風比例前，熟料煤耗120kg/t，熟料28d抗壓強度56.3MPa，分解爐溫度920℃，分解率95%，窯尾拉風偏大，一級預熱器出口廢氣溫度345℃，出口負壓7 500Pa；受窯內通風影響，窯內還原氣氛加重，出現黃心料；窯內用風與AQC鍋爐出現“爭風”現象，入窯二次風溫下降；為保證出窯熟料合格，加大了窯頭喂煤量，進而引發了一系列協同操作問題。針對上述問題，采取了以下調整措施：

3.全面性原則。綜合素質測評要全面反映習近平總書記提出的要求，能夠從多個方面、多個層次和多個角度深入刻畫學生的綜合素質狀態。全面性要求詳細刻畫學生的德育、體育和專業能力，指標并不是越多越好，而是要客觀描述學生綜合素質的靜態和動態特征。

（1）控制窯尾預熱器出口的溫度及壓力，將出預熱器氣體溫度控制在330℃，出口壓強控制在6 300kPa，避免窯尾拉風過大，分解率控制在90%～94%。

（2）改變窯頭、窯尾用煤比例，窯尾煤的比例由原來的64%降為60%，窯頭煤的比例由原來的36%增加到40%。

（3）調整三次風閥，三次風閥開度由35%調整至30%，分解爐溫度控制在880℃～900℃，合理分配二、三次風的用量，加大篦冷機風量，以滿足窯系統及余熱發電用風要求。

通過對窯內用風與余熱發電用風進行匹配操作，穩定了熱工制度，解決了余熱發電系統用風與窯內用風“爭風”問題，改善了窯內氣氛，熟料28d抗壓強度達到57.53MPa，煤耗降低至115kg/t，余熱發電平均負荷由4 500kW/h提高到6 400kW/h。

3 窯頭鍋爐廢氣溫度的影響因素及優化調整措施

3.1 窯頭鍋爐廢氣溫度的影響因素

（1）窯頭用燃料比例過大及熟料結粒對窯頭鍋爐廢氣溫度的影響

進入窯頭余熱發電鍋爐的熱風，是篦冷機通過鼓風機鼓入的冷空氣與熟料進行熱交換后產生的熱風。一般出窯熟料的溫度比較穩定，理論上窯頭用燃料比例和余熱發電沒有關聯，而實際上窯頭取熱對余熱發電系統的影響比窯尾取熱對余熱發電系統的影響大得多，是影響窯頭鍋爐風溫及發電負荷的主要因素。在熟料成分不變的條件下，結粒偏大的熟料大多在窯頭燃料占比份額較大或溫度過高情況下形成。因此，在燒成總熱耗不變的情況下，窯頭燃料比例升高，二次風溫偏低，不利于余熱發電能力的提高。

（2）熟料粒度對窯頭鍋爐廢氣溫度的影響

在窯產量正常、用風量匹配的情況下，窯頭余熱發電鍋爐的發電量主要取決于篦冷機的冷卻效果。篦冷機冷卻效果受熟料結粒粒徑的影響，對流傳熱與傳熱面積成正比，熟料傳熱面積和粒徑成反比，傳熱能力和粒徑成反比。在冷卻過程中，熟料還存在從熟料顆粒中心向顆粒表面傳導傳熱的過程，而熟料熱傳導系數很低，粒徑大造成傳導傳熱速率降低。在上述因素影響下，冷卻過程中，粗大顆粒熟料的溫度場分布很快進入并維持在“黑皮紅心”狀態，直至進入破碎機。有資料顯示，粒徑＞100mm的熟料顆粒在任何篦式冷卻機篦床上冷卻＜20min，均未達到設計要求的被冷卻溫度；冷卻30min時，粒徑20～30mm熟料顆粒平均溫度40℃，＞100mm的熟料顆粒平均溫度為320℃，＞150mm的熟料顆粒平均溫度790℃，＞250mm的熟料顆粒平均溫度980℃。由以上分析可見，熟料粒度對篦冷機冷卻效果和余熱發電窯頭鍋爐廢氣溫度的影響。

（3）篦冷機對窯頭鍋爐廢氣溫度的影響

篦冷機是燒成系統的主要設備之一，其主要任務是冷卻熟料和回收熱能，為窯系統二、三次風提供熱交換場所，對高溫區段出窯熟料（1 350℃左右）進行驟冷，以阻止二次游離氧化鈣的生成，改善熟料性能和提高易磨性。出篦冷機的熟料溫度要求為65℃＋環境溫度。

在推動式篦冷機中，熟料在篦床上的冷卻過程可劃分為高、中、低溫三個區段。高溫區主要實現對出窯熟料的驟冷并提高入窯和入分解爐的二、三次風風溫；中溫區為熱回收區；低溫區實現對熟料的進一步冷卻，降低出篦冷機的熟料溫度。熟料在從回轉窯進入篦冷機的過程中，細顆粒熟料由于體積較小呈現自由落體運動狀態，粗顆粒物料呈拋物線運動狀態，并落在與細顆粒物料相反的區域。由于物料顆粒的離析，篦冷機篦床與窯旋向一致側為粗顆粒物料，另一側為細顆粒物料。在相同風量的作用下，出現兩種情況：一是當粗顆粒物料區域風量達到熱交換平衡和冷卻效果的情況下，細顆粒物料區域風量明顯不足，細顆粒物料得不到足夠的冷卻，熱交換不完全；二是當細顆粒物料區域風量達到熱交換平衡和冷卻效果的情況下，粗顆粒物料區域冷卻風量過剩，部分冷風摻入，鍋爐取風口溫度降低。

3.2 優化調整措施

余熱發電AQC鍋爐只能使用溫度高于200℃～250℃熱風，＞200℃時，傳熱能力和溫度成正比，＜200℃時，熱風向鍋爐傳熱能力快速下降。在相同冷卻效果情況下，篦冷機中后部配風比例不同，AQC鍋爐進風溫度不同，發電量也因此不同；在風溫低時，應減少篦冷機后部進風量，必要時減少窯頭排風機負壓，可以收到較好的結果。

（1）第三代篦冷機的優化操作

在第三代篦冷機的分段式篦床操作中，可適當加快一段篦床篦速，適當后延紅料區；在二段采用較厚料層操作，延長熟料在中溫段停留時間，使一部分熟料延至中溫區進行冷卻，提高AQC鍋爐的進風溫度和風量。由于篦床運行速度加快，高溫區紅料后延，應優化篦冷機配風，加大高溫區和中溫區冷卻風機轉速，保證熟料的冷卻效果及中溫段換熱效果。低溫區風機轉速可視情況進行調整。

（2）第四代篦冷機的優化操作

由于第四代篦冷機篦床以整體推動方式運行，在穩定二次風溫的基礎上，調整篦冷機篦床的運行速度，保持高溫段風機在不吹透熟料層的原則下盡量高速運行；中溫段用風的調整，應盡量提高AQC鍋爐取風段風溫，以使AQC鍋爐獲得最優的熱回收效率；低溫段可根據總體冷卻效果調整風機。當AQC鍋爐溫度較低時，可打開窯頭旁路閥，排出部分低溫段風量，提高AQC鍋爐進口廢氣溫度。

3.3 優化調整實例

某公司一條4 200t/d水泥熟料生產線，配套一臺窯頭鍋爐，設計蒸汽額定蒸發量17t/h，進口煙氣溫度390℃；一臺窯尾鍋爐，設計蒸汽額定蒸發量17.7t/h，入口廢氣溫度320℃；配套7.5MW凝汽式汽輪發電機組，設計發電能力6 000kW/h。篦冷機型號為TCFC404750，風機配置見表1。篦冷機用風調整前后情況見表2。

表1 篦冷機風機配置表

表2 篦冷機風機調整前后參數比較

窯系統風機參數調整前，高溫區風量占總風量的27.4%（F1、F2）、中溫區占比43.6%（F3、F4、F5）、低溫區占比28%（F6、F7）左右。篦冷機高溫區、中溫區風量偏小，不利于熱交換和余熱發電系統的熱回收。高溫風機拉風偏大，篦冷機后幾臺風機用風較大，高溫區和中溫區風機未達到高負荷，使得入AQC鍋爐整體風溫過低，入窯頭鍋爐熱風溫度偏低。窯頭鍋爐風溫平均320℃～330℃，負壓-（450～550Pa），窯頭排風機轉速580r/min左右，高溫風機轉速825r/min左右，窯尾鍋爐進口負壓-5 900Pa，發電負荷4 900～5 000kW/h。

窯系統風機參數調整后，窯頭鍋爐風溫平均350℃～360℃，負壓-（750～850Pa），窯頭排風機轉速650r/min左右，高溫風機轉速800r/min左右，窯尾鍋爐進口負壓-5 300Pa，發電負荷5 200～5 400kW/h。

4 結語

水泥窯與余熱發電協調操作時，回轉窯的操作既要考慮窯系統煅燒及熱工制度穩定，又要考慮在保證窯系統用風的情況下，盡可能多地向余熱發電鍋爐輸送熱風。這需要不斷地摸索調整優化，以達到窯系統熟料生產參數最優，余熱發電系統生產參數最優的目的。