水泥窯旁路放風(fēng)技術(shù)及余熱利用簡介

包文忠，張磊，張福濱

1 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展和資源的日益緊缺，在水泥生產(chǎn)過程中使用一些堿、氯、硫含量較高的原材料生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熟料，不僅是社會(huì)發(fā)展對資源利用的要求，也是水泥技術(shù)和裝備進(jìn)步的體現(xiàn)。20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了旋風(fēng)預(yù)熱器[1]，它利用窯尾廢氣余熱在旋風(fēng)筒內(nèi)將懸浮態(tài)的生料預(yù)熱，使入窯生料中碳酸鈣的分解率達(dá)到了40%左右，大大降低了熟料的熱耗，增加了單位產(chǎn)量。但由于美國原料中堿含量較高，揮發(fā)組分循環(huán)容易發(fā)生結(jié)皮和堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致這種窯型在美國投產(chǎn)后不得不陸續(xù)關(guān)閉，停止使用長達(dá)20年之久。20世紀(jì)70年代旋風(fēng)預(yù)熱器窯在歐洲發(fā)展為預(yù)分解窯，碳酸鈣的分解率達(dá)到90%，熟料的熱耗更低，但是窯內(nèi)結(jié)圈或窯尾煙室、旋風(fēng)筒錐體等部位結(jié)皮堵塞問題則更加嚴(yán)重。

現(xiàn)代水泥廠大多使用新型干法水泥生產(chǎn)方法。揮發(fā)成氣態(tài)的堿、硫、氯與窯內(nèi)氣體一道進(jìn)入預(yù)熱器系統(tǒng)，由于生料充分懸浮于熱氣體中，當(dāng)氣體溫度達(dá)到堿、硫、氯的熔點(diǎn)溫度時(shí)，他們便冷凝在生料粉顆粒表面，隨生料又重新回到窯內(nèi)，在高溫帶再次揮發(fā)，揮發(fā)性組分就這樣在窯與預(yù)熱器之間經(jīng)過多次揮發(fā)、冷凝，使得預(yù)熱器、窯內(nèi)生料的有害成分顯著提高。從測試結(jié)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(fā)組分的循環(huán)累積相當(dāng)嚴(yán)重。

為了解決此問題，一般會(huì)采用水泥窯旁路技術(shù)，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(fā)組分的循環(huán)，該技術(shù)比較簡便，但效果不是很明顯。

第二類是旁路熱生料，即將預(yù)熱器入窯的熱生料部分旁路，從而減少揮發(fā)性組分的富集和循環(huán)，該技術(shù)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(fēng)，即在窯尾與預(yù)熱器之間增設(shè)旁路放風(fēng)裝置，減少揮發(fā)性組分的富集和循環(huán)，這是目前應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，也是旁路效果最好的技術(shù)，本文后續(xù)將著重介紹。

近年來隨著水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，在水泥窯上可以同時(shí)使用旁路放風(fēng)和余熱發(fā)電技術(shù)。旁路放風(fēng)排出的高溫?zé)煔饪梢酝ㄟ^余熱鍋爐產(chǎn)生過熱蒸汽接入現(xiàn)有余熱發(fā)電系統(tǒng)，因此解決了以往旁路放風(fēng)熱損失較大的問題，經(jīng)濟(jì)效益提升明顯。

2 旁路放風(fēng)技術(shù)簡介

2.1 旁路放風(fēng)系統(tǒng)工藝流程

旁路放風(fēng)系統(tǒng)常見工藝流程有4種形式：

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

（2）帶旋風(fēng)收塵器及單獨(dú)用于旁路氣體電收塵器的旁路放風(fēng)系統(tǒng)。旁路氣體從抽氣點(diǎn)抽出，摻入冷風(fēng)后，先經(jīng)旋風(fēng)收塵器，再進(jìn)入電收塵器收塵，經(jīng)收塵后的氣體通過排風(fēng)機(jī)排出。

（3）直接由電收塵器收塵的旁路系統(tǒng)。旁路氣體從抽氣點(diǎn)抽出，摻入冷風(fēng)后，經(jīng)過增濕塔進(jìn)入電收塵器收塵。

（4）直接由袋收塵器收塵的旁路系統(tǒng)。旁路氣體從抽氣點(diǎn)抽出，摻入冷風(fēng)后，直接進(jìn)入袋收塵器的旁路系統(tǒng)。

由于流程3和流程4比較簡單，因此實(shí)際應(yīng)用較多。以流程4為例，旁路放風(fēng)系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示，系統(tǒng)主要由抽氣裝置、袋收塵裝置、輸送裝置、排氣裝置、窯灰儲(chǔ)存處理等裝置組成。

圖1 旁路放風(fēng)系統(tǒng)工藝流程圖

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

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

圖2 旁路放風(fēng)點(diǎn)位置示意圖

2.2 旁路放風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)計(jì)算

（1）旁路放風(fēng)料耗

假設(shè)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(fēng)料耗為不放風(fēng)時(shí)的料耗與放風(fēng)損失物料量之和。根據(jù)假設(shè)，旁路放風(fēng)損失物料量為：

式中：

gh——旁路放風(fēng)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(fēng)損失的物料量與旁路放風(fēng)量之間成正比關(guān)系。

（2）旁路放風(fēng)熱耗

假設(shè)條件與旁路放風(fēng)量計(jì)算時(shí)相同，根據(jù)熱平衡原理，放風(fēng)損失熱為：

式中：

Hbs——放風(fēng)損失熱，kJ/kg熟料

Cg——放風(fēng)氣體溫度在tg時(shí)的比熱，kJ/m3（標(biāo)）·℃

tg——放風(fēng)氣體溫度，℃

Chm——放風(fēng)粉塵溫度在thm時(shí)的比熱，kJ/kg·℃

thm——放風(fēng)粉塵溫度，℃

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

（3）旁路放風(fēng)量

假設(shè)采用旁路放風(fēng)后，入窯生料分解率、窯頭用煤量與之前一樣，放風(fēng)損失的熱量由放風(fēng)氣體的焓值與放風(fēng)氣體中粉塵的焓值組成，并由分解爐補(bǔ)充。

根據(jù)燃燒計(jì)算可得旁路放風(fēng)量Vbs為:

式中：

α——窯尾空氣過剩系數(shù)

Qnet,ad——煤粉熱值，kJ/kg

Qs——未放風(fēng)時(shí)系統(tǒng)的熱耗，kJ/kg熟料

f——未放風(fēng)時(shí)窯頭燃料比例

Vb——旁路放風(fēng)比例

Φ——入窯生料分解率

通過上述公式可以看出，旁路放風(fēng)料耗和旁路放風(fēng)熱耗都與旁路放風(fēng)量成線性正比關(guān)系[5]，雖然旁路放風(fēng)在原料有害組分超標(biāo)的情況下能夠穩(wěn)定系統(tǒng)操作和提高熟料質(zhì)量，但是旁路放風(fēng)量并不是越多越好，應(yīng)結(jié)合水泥廠的實(shí)際情況綜合考慮，既要生產(chǎn)出質(zhì)量好的產(chǎn)品，又要盡量降低料耗和熱耗。

（4）K2O、Na2O、SO3、Cl-的旁路放風(fēng)效果

揮發(fā)性組分的旁路放風(fēng)效果主要受原料含量、揮發(fā)率、吸收率、熱耗等因素的影響，其中以揮發(fā)率因素影響最大。一般進(jìn)行旁路放風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要通過試驗(yàn)確定揮發(fā)性組分的揮發(fā)率，據(jù)此確定旁路放風(fēng)量。

一般條件下，K2O、Na2O、SO3、Cl-的旁路放風(fēng)效果如圖3所示。

由圖3可以看出，Cl-的旁路放風(fēng)效果最好，K2O、SO3效果比較接近，而Na2O的效果最差。因此當(dāng)生料中Cl-含量較高時(shí)，采用旁路放風(fēng)是比較好的解決辦法。但是當(dāng)生料中Na2O超出標(biāo)準(zhǔn)很高時(shí)，旁路放風(fēng)可能并不能解決問題，此時(shí)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(chǎn)過程中應(yīng)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(guī)定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮采取旁路放風(fēng)措施。

在我國北方地區(qū)原料一般含堿量較高，而在南方地區(qū)，燃煤含硫量較高，采用旁路放風(fēng)技術(shù)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(chǎn)低堿水泥，即使揮發(fā)性組分對窯的操作未造成麻煩，也必須采取旁路放風(fēng)措施以減少窯內(nèi)堿的含量。

2.3 加入旁路放風(fēng)系統(tǒng)帶來的影響

現(xiàn)有水泥廠加入旁路放風(fēng)系統(tǒng)后，應(yīng)考慮如下幾個(gè)問題：

（1）由于旁路放風(fēng)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量損失，窯尾分解爐需增加相應(yīng)的燃煤量，對水泥熟料生產(chǎn)來講，增加煤耗相應(yīng)地提高了成本。

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

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

上述三點(diǎn)問題從技術(shù)、運(yùn)行、維護(hù)、管理等角度來看都是可以解決的，但要考慮加入旁路放風(fēng)系統(tǒng)所帶來的經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性是水泥廠需要重點(diǎn)考慮的問題。

3 旁路放風(fēng)余熱發(fā)電技術(shù)

從旁路放風(fēng)技術(shù)來看，排出高溫?zé)煔獾臒崃坷速M(fèi)十分可惜，如果利用現(xiàn)有余熱發(fā)電技術(shù)將排出的高溫?zé)煔庥糜诎l(fā)電，在保證水泥窯正常生產(chǎn)以及獲得低堿水泥的同時(shí)，還有可能取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 旁路放風(fēng)效果隨風(fēng)量變化圖

表1 國外部分公司對生料有害成分含量規(guī)定

對于旁路放風(fēng)余熱發(fā)電系統(tǒng)，其技術(shù)要求及工作條件與現(xiàn)有水泥窯高溫余熱發(fā)電系統(tǒng)完全相同，因此不存在技術(shù)障礙和技術(shù)難點(diǎn)。下面以某生產(chǎn)能力為5000t/d的水泥廠為例[7]，分析其旁路放風(fēng)余熱發(fā)電系統(tǒng)自身的經(jīng)濟(jì)性。該水泥廠余熱發(fā)電系統(tǒng)流程如圖4所示。

與傳統(tǒng)水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)不同的是，該項(xiàng)目在窯尾增加了一臺(tái)旁路放風(fēng)余熱鍋爐，旁路放風(fēng)余熱鍋爐布置在急冷室后，鍋爐進(jìn)風(fēng)管道取自急冷室出口。旁路放風(fēng)余熱鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽與其他蒸汽混合后一起進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行做功發(fā)電。

此5000t/d水泥生產(chǎn)線旁路放風(fēng)廢氣參數(shù)為13500m3（標(biāo)）/h-1150℃，經(jīng)過急冷室補(bǔ)入大量冷空氣后溫度降至400℃，此時(shí)旁路放風(fēng)煙氣參數(shù)變?yōu)?4500m3（標(biāo)）/h-400℃。由于鍋爐出口煙氣要送回旁路放風(fēng)系統(tǒng)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(jù)廢氣參數(shù)設(shè)計(jì)出旁路放風(fēng)余熱鍋爐產(chǎn)汽量為4.80t/h-1.35MPa-375℃。

余熱發(fā)電系統(tǒng)自用電率約為7%，采用窯尾旁路放風(fēng)后電站供電功率增加為（9400-8200）kW×93%=1116kW，按電站年運(yùn)行7200h計(jì)，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(jià)，元/kWh）。

余熱電站不含財(cái)務(wù)費(fèi)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(fēng)時(shí)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(jià)，元/t，熱值取22572kJ/kg）。

在此情況下，采用窯尾旁路放風(fēng)時(shí)電站總投資增加約為500萬元。

因此僅增加旁路放風(fēng)余熱發(fā)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(dāng)?shù)氐碾妰r(jià)和煤價(jià)共同決定了旁路放風(fēng)余熱發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

假設(shè)水泥廠當(dāng)?shù)孛簝r(jià)為450元/t，電價(jià)為0.6元/kWh，可以通過計(jì)算得到旁路放風(fēng)余熱發(fā)電系統(tǒng)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(dāng)?shù)孛簝r(jià)高、電價(jià)低，使得投資回收期很長，甚至收益為負(fù)的情況，這時(shí)就需要綜合考慮旁路放風(fēng)系統(tǒng)所帶來的生產(chǎn)工藝保證以及優(yōu)質(zhì)低堿水泥所帶來的額外收益，綜合計(jì)算后才能確定旁路放風(fēng)系統(tǒng)是否具有可行性。

4 總結(jié)

旁路放風(fēng)技術(shù)在國外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，特別是近二十年，歐美原料情況變化和持續(xù)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(chǎn)工藝造成破壞性影響，采用旁路放風(fēng)技術(shù)能夠很好地解決這一問題。在國內(nèi)，一般通過選取合適的原料，避免采用該技術(shù)，因此國內(nèi)的研究和實(shí)踐并不多。但隨著我國海外市場的發(fā)展，在當(dāng)?shù)卦现袎A、氯含量較高，或者燃燒當(dāng)?shù)亓蚝枯^高的煤時(shí)，旁路放風(fēng)技術(shù)的使用就不可避免。

通過本文對旁路放風(fēng)技術(shù)的論述和分析，可以總結(jié)得到如下要點(diǎn)：

（1）旁路放風(fēng)技術(shù)拓寬了水泥生產(chǎn)原料的適應(yīng)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(chǎn)優(yōu)質(zhì)低堿水泥，使產(chǎn)品具有更好的市場競爭力。

（2）旁路放風(fēng)對于防止系統(tǒng)結(jié)皮和堵塞具有比較明顯的作用，但旁路放風(fēng)會(huì)損失部分熱量，增加系統(tǒng)熱耗，因此旁路放風(fēng)量并不是越多越好，應(yīng)結(jié)合水泥廠的實(shí)際情況綜合考慮。

（3）旁路放風(fēng)系統(tǒng)與余熱發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，較之單獨(dú)的旁路放風(fēng)系統(tǒng)可能會(huì)取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）如今旁路放風(fēng)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，實(shí)施過程不存在大的問題，但要考慮增加旁路放風(fēng)系統(tǒng)所帶來的經(jīng)濟(jì)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(gè)水泥廠來說是否真的需要旁路放風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)該綜合考慮，重點(diǎn)分析其經(jīng)濟(jì)性后再做出結(jié)論。

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