水泥窯余熱發電系統余風再循環技術分析

劉亞雷，楊宏宜（南京凱盛開能環保能源有限公司，江蘇 南京 210019）

0 前言

篦冷機作為水泥新型干法工藝中的重要設備，既冷卻了來自水泥窯的高溫熟料，又為回轉窯及分解爐中煤粉燃燒提供二次風和三次風，同時還為窯頭余熱鍋爐提供熱廢氣，因此篦冷機直接影響水泥燒成系統的性能，還會對水泥窯余熱發電系統的性能有重要影響。尤其是六級預熱器的使用導致窯尾余熱資源越來越少，使水泥窯余熱發電系統的性能越來越受制于篦冷機中部的余熱資源。余風再循環技術通過提高冷卻空氣溫度，提高AQC鍋爐取風溫度及余熱發電功率，優化篦冷機的余熱資源。本文通過對水泥窯余熱發電系統余風再循環技術進行分析，為后續余熱發電技術發展提供參考。

1 余風再循環工藝流程

所謂余風再循環就是將窯頭風機所排90～110 ℃熱廢氣通過管道引入篦冷機中部進行二次利用，一是可以減少窯頭熱風外排形成的熱污染，二是提高進入篦冷中部的冷卻空氣溫度，可以提高AQC鍋爐入口廢氣溫度及余熱發電量，工藝流程見圖1。

圖1 余風再循環工藝流程圖

2 篦冷機換熱及阻力計算模型

篦冷機內的換熱過程主要是冷卻空氣穿過水平運動的熟料層形成的錯流換熱，同時熟料在篦床上運動相對緩慢，因此可將熟料與冷卻空氣之間的換熱簡化為固定床換熱，并將熟料氣固換熱劃分成眾多的換熱單元進行分析[1]，換熱單元熱平衡見圖2。

圖2 換熱單元熱平衡示意圖

（1）換熱單元的熱平衡方程式。

式中：qs為換熱單元熟料放熱量，kW；qg—換熱單元冷卻空氣吸熱量，kW；q0—換熱單元散熱量，kW。

換熱單元熟料放熱量：

換熱單元冷卻空氣吸熱量：

在式（2）～（4）中：Cs為熟料比熱，kJ/（kg·℃）；ms為熟料質量流量，kJ/s；Cg為冷卻空氣比熱，kJ/（m3·℃）；Vg為標況下冷卻空氣體積流量，m3/s；?為散熱系數，取0.02；Ts1為入口熟料溫度，℃；Ts2為出口熟料溫度，℃；Tg1為入口冷卻空氣溫度，℃；Tg2為出口冷卻空氣溫度，℃。

（2）熟料與冷卻空氣間的對流換熱。篦冷機內熟料與冷卻空氣間的換熱主要是通過對流換熱進行的，其氣固對流換熱量可用下式計算[1]：

式中：qcon為熟料與冷卻空氣換熱量，kW；α為氣固間綜合換熱系數，W/（m2·K）；S為單位體積的有效表面積，m2/m3；ΔT為換熱單元內固氣間平均溫差，K；ΔV為換熱單元體積，m3。

由文獻[2]可知，氣固間綜合換熱系數：

單位體積的有效表面積：

換熱單元內固氣間平均溫差：

在式（6）～（8）中：d為熟料顆粒粒徑，m；?為顆粒形狀校正系數，通常圓柱狀1/5、圓球狀1/4、平板狀1/3；x為顆粒透熱深度，用其半徑坐標表示，m；λs為熟料導熱系數，W/(m ?℃ )；λg為冷卻空氣導熱系數，W/(m ?℃ )；Pr為普朗特數；Re為雷諾數；ε為熟料層孔隙率。

（3）篦冷機料床阻力計算。冷卻空氣冷卻熟料時，篦冷機料床總阻力為篦板及熟料層的阻力，即：

·檢查燃燒爐加熱溫度穩定控制在980℃左右，使用便攜式測溫儀測量爐溫并校準。檢查燃燒管無開裂情況，燃燒管內的加熱陶瓷顆粒無損耗脫落情況。

式中：ΔP為篦冷機料床總阻力，Pa；ΔP1為篦板阻力，Pa；ΔP2為料層阻力，Pa。

根據文獻[1]可知，篦床及熟料層阻力：

式中：ξ為篦板阻力修正系數，ξ=1.25[1]；v為篦板通過風速，m/s；ρ為冷卻空氣密度，kg/m3；A為熟料層阻力修正系數，A=2.16[1]；u為冷卻空氣篦下風速，m/s；H為熟料床層高度，mm。

3 案例分析

本文以某12 000 t/d熟料生產線為例進行分析研究，余熱發電系統參數：窯頭AQC鍋爐設計取風（標況下，以下同）353 373 m3/h，風溫390.9℃；窯尾SP鍋爐設計煙氣量680 000 m3/h，風溫255℃，設計計算發電功率為12 316 kW；篦冷機冷卻采用的環境空氣溫度為30℃，熟料與空氣的物性參數如下：

熟料定壓比熱容[3]：

冷卻空氣定壓比熱容[3]：

熟料導熱系數[4]：

將篦冷機以風室為單位分為多個氣固換熱單元，并聯立方程（1）（2）（3）（5）進行求解。

圖3～5分別顯示了AQC鍋爐取風溫度、余熱發電功率、出篦冷機熟料溫度、篦冷機余風溫度、篦冷機冷卻空氣阻力及風機功率隨篦冷機中部冷卻空氣溫度的變化關系。

圖3 AQC鍋爐取風溫度及余熱發電功率隨冷卻空氣溫度變化關系

圖4 出篦冷機熟料溫度及篦冷機余風溫度隨冷卻空氣溫度變化關系

圖5 篦冷機冷卻空氣阻力及風機功率隨冷卻空氣溫度變化關系

由圖3所示，隨著冷卻空氣溫度的升高，AQC鍋爐取風溫度及余熱發電功率都增加。當冷卻空氣溫度由30℃升至110℃，AQC鍋爐取風溫度由390.9℃升至421.8℃，其溫升約為冷卻空氣溫升的38.6%；余熱發電功率由12 316 kW升至13 546 kW，發電功率提升了約9.98%。

由圖4所示，隨著冷卻空氣溫度的升高，出篦冷機熟料溫度及篦冷機余風溫度都升高。當冷卻空氣溫度由30℃升至110℃，出篦冷機熟料溫度由81.8℃升至103.4℃，升高了約21.6℃，比初始熟料溫度提高了約26.4%；余風溫度由136.4℃升至167.8℃，升高了約31.4℃。因此，隨著冷卻空氣溫度的升高，雖然AQC鍋爐取風溫度及余熱發電量都增加了，給企業帶來了一定的收益，但是也會導致出篦冷機熟料溫度的升高，從而影響篦冷機的冷卻效果；而篦冷機余風溫度的升高勢必也會增加窯頭風機的功耗。

由圖5所示，隨著冷卻空氣溫度的升高，冷卻空氣阻力及冷卻風機功率也會增加，這進一步削弱余熱發電增加的收益。當冷卻空氣溫度由30℃升至110℃，冷卻空氣阻力由3 868 Pa升至6 719 Pa，其阻力升高了約59.7%；冷卻風機功率由602 kW升至1 215 kW，風機功耗提升了約1倍。因此，隨著冷卻空氣溫度的升高，雖然余熱發電功率增加了1 230 kW，但是冷卻風機功耗也增加了613 kW，即余熱發電實際收益只有617 kW。

4 結論

本文以風室為單位將篦冷機分為多個氣固換熱單元，并根據熱平衡原理，建立了分析篦冷機余風再循環效果的計算模型，分析了余風再循環系統運行時，水泥窯余熱發電系統及篦冷機相關運行指標，得出如下結論：

（1）隨著篦冷機中部冷卻空氣溫度的升高，AQC鍋爐取風溫度及余熱發電功率都會增加。當冷卻空氣溫度由30℃升至110℃，AQC鍋爐取風溫度升高了30.9℃，余熱發電功率約提升9.98%。

（2）隨著篦冷機中部冷卻空氣溫度的升高，出篦冷機熟料溫度、篦冷機余風溫度、冷卻空氣阻力以及風機功率都會升高。雖然冷卻空氣溫度的升高，提高了余熱發電量，給企業帶來了一定的收益，但是也影響了篦冷機冷卻效果，導致出篦冷機熟料溫度升高；另外篦冷機余風溫度的升高導致窯頭風機功耗升高，以及冷卻風機功率的增加，都會進一步影響余熱發電增加的收益。