實現(xiàn)水泥熟料生產(chǎn)電網(wǎng)用電為零的技術途徑

  在水泥生產(chǎn)過程中，能源的主要消耗為煤與電，分別反映為熱耗與電耗兩大類，其中熱耗包括由原材料烘干（烘干熱耗）、熟料煅燒消耗的熱量（燒成熱耗）和混合材烘干消耗的熱量（混合材烘干熱耗）組成，電耗包括由水泥生產(chǎn)過程中原燃料制備、熟料煅燒、水泥粉磨所消耗的電能（電耗）組成。因此實現(xiàn)水泥熟料生產(chǎn)電網(wǎng)用電為零是一項重要的節(jié)能課題。要實現(xiàn)這一目標，需要通過水泥熟料生產(chǎn)線節(jié)電措施和余熱發(fā)電相結合來實現(xiàn)，本文主要論述如何通過余熱發(fā)電來實現(xiàn)水泥熟料生產(chǎn)電網(wǎng)用電為零的途徑。

  1．水泥行業(yè)余熱發(fā)電的目標

  在水泥熟料熱耗小于等于750Kcal/Kg、生料烘干廢氣溫度小于等于180℃、原煤水份小于等于12%的條件下，實現(xiàn)水泥熟料生產(chǎn)電網(wǎng)用電為零；

  2．主要途徑

  2.1 熟料生產(chǎn)線采用相關節(jié)電措施，做到熟料電耗小于等于52KWh（自粒度小于150mm的石灰石進廠，到熟料入庫）。

  2.2 余熱電站采取如下技術措施

  （1）余熱電站采用第二代雙壓余熱發(fā)電技術，即采用冷卻機雙取風，蒸汽參數(shù)采用相對高壓、高溫蒸汽參數(shù)。

  （2）冷卻機采用全循環(huán)風技術。

  （3）采用窯尾路放風技術，放風率約為30%（相應的熟料熱耗增加值不高于15.5Kcal/Kg）

  （4）采用窯筒體輻射熱回收利用技術并用于發(fā)電。

  通過以上措施，可實現(xiàn)余熱電站每噸熟料發(fā)電能力達到56KWh以上。下面就每項途徑展開分別論述。

  3．第二代余熱發(fā)電技術

  第二代余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)的標志為：系統(tǒng)主蒸汽參數(shù)采用1.27～3.43MPa--340～435℃次中壓中溫參數(shù)。通常來講，目前所采用的熱力系統(tǒng)方案一般為（基本型）：系統(tǒng)主蒸汽參數(shù)采用1.27～2.29MPa--340～380℃次中壓中溫參數(shù)的補汽式方案，次中壓中溫蒸汽參數(shù)（蒸汽溫度可調(diào)）、汽輪機兩個進汽口的帶補汽熱力系統(tǒng)。

  采用第二代余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)，余熱電站每噸熟料發(fā)電能力可達到38～42KWh以上。以5800t/d水泥窯熟料生產(chǎn)線（熟料熱耗730Kcal/Kg,,，窯尾預熱器出口廢氣溫度320℃，生料烘干所需廢氣溫度190℃）的余熱電站為例，熱力系統(tǒng)詳見圖K01。

圖K01（常規(guī)）5800t窯余熱電站熱力系統(tǒng)圖

  4．冷卻機全循環(huán)風

  4.1冷卻機循環(huán)風原理

  通常情況下，冷卻機冷卻風為冷卻機鼓風機直接抽取的大氣，鼓風溫度（冷卻機冷卻空氣進氣溫度）為環(huán)境溫度（設計計算一般取25℃）。冷卻機排出的廢氣仍為空氣，配置余熱鍋爐后，余熱鍋爐排出的廢氣與冷卻機“低溫區(qū)”直接排出的廢氣混合后進入冷卻機廢氣收塵器，收塵器排出的廢氣經(jīng)煙囪排入大氣（廢氣溫度一般為90℃~110℃、含塵濃度一般小于50mmg/Nm3）

  將冷卻機廢氣收塵器排出的部分90℃~110℃--50mmg/Nm3廢氣（一般為總廢氣量的70%以上 ）再回入冷卻機鼓風機入口取代部分環(huán)境空氣（即：提高冷卻機鼓風溫度）

  通過冷卻機全循環(huán)風系統(tǒng)，余熱電站的發(fā)電量可增加12～15%。以5800t/d水泥熟料生產(chǎn)線（熟料熱耗730Kcal/Kg,,，窯尾預熱器出口廢氣溫度320℃，生料烘干所需廢氣溫度190℃）的余熱電站為例，熱力系統(tǒng)詳見圖K02。

圖K02（循環(huán)風）5800t窯余熱電站熱力系統(tǒng)圖

冷卻機循環(huán)風系統(tǒng)實例圖

冷卻機循環(huán)風系統(tǒng)實例圖

  4.2 采用循環(huán)風的范圍

  由于冷卻機高溫區(qū)直接冷卻高溫熟料，為了保證熟料質(zhì)量，高溫區(qū)熟料需要急冷，因此，高溫區(qū)不宜采用循環(huán)風。

  適于采用循環(huán)風的范圍：冷卻機的“次高溫區(qū)”、“中溫區(qū)”、“低溫區(qū)”-----即冷卻機產(chǎn)生用于發(fā)電的廢氣區(qū)域的循環(huán)風-----稱為“冷卻機全循環(huán)風”。

  4.3 冷卻機采用全循環(huán)風時的注意事項

  （1）考慮冷卻機結構強度，風室內(nèi)傳動裝置、各類傳感器等對溫度達要求，冷卻機鼓風溫度一般不高于80℃（需將冷卻機廢氣收塵器排出的90℃~110℃--50mmg/Nm3廢氣與部分環(huán)境空氣混合至不高于80℃）。

  （2）冷卻機鼓風機：需要更換冷卻機鼓風機，更換范圍為冷卻機“次高溫區(qū)”、“中溫區(qū)”、“低溫區(qū)”所對應的鼓風機，具體更換臺數(shù)及更換后的風機參數(shù)需根據(jù)冷卻機總圖、篦板布置圖及鼓風機配置圖核算確定。

  （3）冷卻機風室：需要考慮風室風溫達到80℃左右（當窯頭收塵器故障時也可能有粉塵）時，風室內(nèi)傳動裝置、各類傳感器等的適應性。

  4.4 冷卻機采用全循環(huán)風后的廢氣參數(shù)變化

  （1）用于窯尾燃料燃燒的三次風參數(shù)不變。

  （2）用于窯頭燃料燃燒的二次風參數(shù)不變。

  （3）冷卻機排出的總廢氣溫度提高40～50℃。

  （4）冷卻機出料溫度升高增加值不超過10℃。

  4.5 效果

  將未采用循環(huán)風前冷卻機排入大氣的90℃~110℃廢氣的70%以上回收并用于發(fā)電，在減少廢氣排放、減少大氣污染的基礎上，視冷卻機、環(huán)境空氣溫度情況，余熱發(fā)電能力可提高12%以上（或每噸熟料發(fā)電能力提高4.5KWh以上----環(huán)境空氣溫度越低，余熱發(fā)電能力提高的幅度越大）。

  5．窯尾旁路放風

  5.1 旁路放風的定義

  將窯內(nèi)產(chǎn)生的廢氣自窯尾煙室抽出部分，抽出的廢氣不再回入窯系統(tǒng)（包括分解爐、預熱器、生料系統(tǒng)）的措施稱為“旁路放風”。

  自窯尾煙室抽出的廢氣量與窯內(nèi)產(chǎn)生的總廢氣量之比稱為“旁路放風率”

  5.2 旁路放風的目的

  旁路放風的主要目的是通過放風將窯尾煙室含有濃度較高鉀、鈉、氯等廢氣和粉塵排出生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)燒成系統(tǒng)的穩(wěn)定和正常運行，生產(chǎn)高品質(zhì)的低堿水泥熟料，或者擴大低價原、燃料來源。

  而通過旁路放風系統(tǒng)排出的高溫廢氣可通過余熱回收系統(tǒng)生產(chǎn)蒸汽用于發(fā)電，增加余熱電站的發(fā)電量。

  5.3 旁路放風對窯系統(tǒng)的影響

  根據(jù)放風率不同，采用窯尾旁路放風系統(tǒng)后，窯系統(tǒng)下列參數(shù)將發(fā)生變化：

  （1）分解爐內(nèi)煤燃燒氧濃度有所提高；

  （2）二次風參數(shù)：風量增加、風溫略有降低；

  （3）三次風參數(shù)：風量增加、風溫略有降低；

  （4）分解爐需補充空氣；

  （5）入冷卻機熟料殘?zhí)剂浚河擅縆g熟料7~10g降低為3~5g；

  （6）熟料熱耗：有所增加。通?；蚶碚撚嬎銇碇v，旁路放風自窯尾煙室放出多少熱量，窯尾分解爐即需補充多少熱量（相應增加燃料喂入量），但根據(jù)已投產(chǎn)的多條旁路放風系統(tǒng)運行結果，當旁路放風率小于30%時，因旁路放風增加的窯系統(tǒng)燃料入量（熟料熱耗）：不高于通常理論計算增加燃料喂入量的40%。

  5.4 旁路放風余熱發(fā)電

  利用旁路放風系統(tǒng)排出的高溫廢氣可通過余熱回收系統(tǒng)生產(chǎn)蒸汽用于發(fā)電，增加余熱電站的發(fā)電量，不同的放風率，發(fā)電值增加不同。以5800t/d水泥熟料生產(chǎn)線（熟料熱耗730Kcal/Kg,,，窯尾預熱器出口廢氣溫度320℃，生料烘干所需廢氣溫度190℃）余熱電站為例，熱力系統(tǒng)詳見圖K03。

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圖K03（旁路放風）5800t窯余熱電站熱力系統(tǒng)圖

窯尾旁路放風系統(tǒng)實例圖

  5.5 旁路放風的效果

  （1）熟料強度及堿當量的變化：28天強度提高2MPa以上（3天強度降低2MPa以下），堿當量降低30%以上（在窯尾不放風時熟料堿當量大于1.0及入窯生料中氯離子大于0.01%的條件下）。

  （2）可利用低品位原燃料，或可擴大原燃料來源（降低燃料、原料成本）。

  （3）解決窯尾煙室、分解爐、預熱器等結皮堵塞問題。

  （4）為利用水泥窯處理垃圾且不影響熟料產(chǎn)質(zhì)量創(chuàng)造基本條件。

  （5）降低窯尾預熱器廢氣SO2、NOx濃度及脫銷運行成本。

  （6）提高余熱電站發(fā)電能力：在旁路放風率為10%~30%時，發(fā)電能力可增加15%~35%（或每噸熟料發(fā)電能力增加4.5KWh~12.5KWh）。

  某熟料實際產(chǎn)量6300t/d水泥窯-30%旁路防風入窯生料及放風系統(tǒng)各點灰的化學成分見下表：

  5.4 存在的問題

  （1）由于旁路放風帶出的灰量較大，且灰中鉀、鈉、氯等有害物濃度較高，因此，灰的處理方式需要根據(jù)各工廠實際情況確定。

  （2）目前灰的處理方式一般有幾種：1）不考慮熟料降堿時將灰回入窯系統(tǒng)、2）將灰作為混凝土基材、3）將灰作為道路基材、4）制磚。

  （3）旁路放風投入后為了實現(xiàn)設計目標，窯系統(tǒng)操作方式需要在本公司指導下進行適當調(diào)整。

  （4）旁路放風放出的廢氣中氮氧化物、SO2濃度較高（一般高于排放標準），因此，一般需要為旁路放風廢氣單獨設置脫硫、脫銷裝置（通常情況下，旁路放風脫硫、脫銷裝置投運后，窯尾預熱器排出的廢氣之脫硫、脫銷裝置可以停運----需根據(jù)旁路放風率、各工廠實際情況確定）

  6．窯筒體輻射熱回收利用

  回轉窯筒體外表面溫度大部分介于250-380℃之間，每平方米筒體外表面每小時總輻射熱損失在2500~8200Kcal左右。由于窯筒體處于懸空旋轉且前后竄動狀態(tài)、表面溫度相對較低且必須不影響窯的生產(chǎn)、檢修及筒體溫度檢測，因此回收窯筒體外表面熱損失技術難度較大。

  我公司為了回收窯筒體輻射熱，自2005年起進行了大量的實驗研究，從初期的只能生產(chǎn)熱水（用于生活用熱、冬季供暖、夏季空調(diào)），到可以生產(chǎn)蒸汽并用于發(fā)電，先后用了近10年時間，期間積累了豐富的設計、制造、安裝、運行維護窯筒體輻射熱回收裝置（系統(tǒng)）經(jīng)驗，達到了“回收窯筒體輻射熱并用于發(fā)電”的目的。

  根據(jù)我公司經(jīng)驗，利用水泥窯散熱帶、燒成帶、過渡帶、加熱帶等輻射熱，可生產(chǎn)的蒸汽參數(shù)為：壓力0.2~0.4MPa、飽和溫度~180℃；根據(jù)水泥窯的規(guī)格及可設置輻射熱回收裝置的部位，生產(chǎn)的蒸汽量在1.5t/h~4.0t/h，發(fā)電能力在100~370KW。

窯筒體輻射熱回收裝置實例圖（實驗裝置，生產(chǎn)熱水）

窯筒體輻射熱回收裝置實例圖（蒸汽）

  7．綜合說明

  水泥熟料生產(chǎn)如采用以上措施，可完全實現(xiàn)水泥熟料生產(chǎn)電網(wǎng)用電為零的目標。

  以5800t/d水泥熟料生產(chǎn)線（熟料熱耗730Kcal/Kg,,，窯尾預熱器出口廢氣溫度320℃，生料烘干所需廢氣溫度190℃）余熱電站為例，熱力系統(tǒng)詳見圖K04、K05。

圖K04（旁路放風+循環(huán)風）5800t窯余熱電站熱力系統(tǒng)圖

圖K05（旁路放風+循環(huán)風+窯筒體）5800t窯余熱電站熱力系統(tǒng)圖