水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)余風(fēng)再循環(huán)技術(shù)分析

劉亞雷，楊宏宜（南京凱盛開能環(huán)保能源有限公司，江蘇 南京 210019）

0 前言

篦冷機(jī)作為水泥新型干法工藝中的重要設(shè)備，既冷卻了來自水泥窯的高溫熟料，又為回轉(zhuǎn)窯及分解爐中煤粉燃燒提供二次風(fēng)和三次風(fēng)，同時還為窯頭余熱鍋爐提供熱廢氣，因此篦冷機(jī)直接影響水泥燒成系統(tǒng)的性能，還會對水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)的性能有重要影響。尤其是六級預(yù)熱器的使用導(dǎo)致窯尾余熱資源越來越少，使水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)的性能越來越受制于篦冷機(jī)中部的余熱資源。余風(fēng)再循環(huán)技術(shù)通過提高冷卻空氣溫度，提高AQC鍋爐取風(fēng)溫度及余熱發(fā)電功率，優(yōu)化篦冷機(jī)的余熱資源。本文通過對水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)余風(fēng)再循環(huán)技術(shù)進(jìn)行分析，為后續(xù)余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 余風(fēng)再循環(huán)工藝流程

所謂余風(fēng)再循環(huán)就是將窯頭風(fēng)機(jī)所排90～110 ℃熱廢氣通過管道引入篦冷機(jī)中部進(jìn)行二次利用，一是可以減少窯頭熱風(fēng)外排形成的熱污染，二是提高進(jìn)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(fā)電量，工藝流程見圖1。

圖1 余風(fēng)再循環(huán)工藝流程圖

2 篦冷機(jī)換熱及阻力計算模型

篦冷機(jī)內(nèi)的換熱過程主要是冷卻空氣穿過水平運(yùn)動的熟料層形成的錯流換熱，同時熟料在篦床上運(yùn)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(jìn)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(zhì)量流量，kJ/s；Cg為冷卻空氣比熱，kJ/（m3·℃）；Vg為標(biāo)況下冷卻空氣體積流量，m3/s；?為散熱系數(shù)，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(jī)內(nèi)熟料與冷卻空氣間的換熱主要是通過對流換熱進(jìn)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(shù)，W/（m2·K）；S為單位體積的有效表面積，m2/m3；ΔT為換熱單元內(nèi)固氣間平均溫差，K；ΔV為換熱單元體積，m3。

由文獻(xiàn)[2]可知，氣固間綜合換熱系數(shù)：

單位體積的有效表面積：

換熱單元內(nèi)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(shù)，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(biāo)表示，m；λs為熟料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m ?℃ )；λg為冷卻空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m ?℃ )；Pr為普朗特數(shù)；Re為雷諾數(shù)；ε為熟料層孔隙率。

（3）篦冷機(jī)料床阻力計算。冷卻空氣冷卻熟料時，篦冷機(jī)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(wěn)定控制在980℃左右，使用便攜式測溫儀測量爐溫并校準(zhǔn)。檢查燃燒管無開裂情況，燃燒管內(nèi)的加熱陶瓷顆粒無損耗脫落情況。

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

根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知，篦床及熟料層阻力：

式中：ξ為篦板阻力修正系數(shù)，ξ=1.25[1]；v為篦板通過風(fēng)速，m/s；ρ為冷卻空氣密度，kg/m3；A為熟料層阻力修正系數(shù)，A=2.16[1]；u為冷卻空氣篦下風(fēng)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(chǎn)線為例進(jìn)行分析研究，余熱發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)：窯頭AQC鍋爐設(shè)計取風(fēng)（標(biāo)況下，以下同）353 373 m3/h，風(fēng)溫390.9℃；窯尾SP鍋爐設(shè)計煙氣量680 000 m3/h，風(fēng)溫255℃，設(shè)計計算發(fā)電功率為12 316 kW；篦冷機(jī)冷卻采用的環(huán)境空氣溫度為30℃，熟料與空氣的物性參數(shù)如下：

熟料定壓比熱容[3]：

冷卻空氣定壓比熱容[3]：

熟料導(dǎo)熱系數(shù)[4]：

將篦冷機(jī)以風(fēng)室為單位分為多個氣固換熱單元，并聯(lián)立方程（1）（2）（3）（5）進(jìn)行求解。

圖3～5分別顯示了AQC鍋爐取風(fēng)溫度、余熱發(fā)電功率、出篦冷機(jī)熟料溫度、篦冷機(jī)余風(fēng)溫度、篦冷機(jī)冷卻空氣阻力及風(fēng)機(jī)功率隨篦冷機(jī)中部冷卻空氣溫度的變化關(guān)系。

圖3 AQC鍋爐取風(fēng)溫度及余熱發(fā)電功率隨冷卻空氣溫度變化關(guān)系

圖4 出篦冷機(jī)熟料溫度及篦冷機(jī)余風(fēng)溫度隨冷卻空氣溫度變化關(guān)系

圖5 篦冷機(jī)冷卻空氣阻力及風(fēng)機(jī)功率隨冷卻空氣溫度變化關(guān)系

由圖3所示，隨著冷卻空氣溫度的升高，AQC鍋爐取風(fēng)溫度及余熱發(fā)電功率都增加。當(dāng)冷卻空氣溫度由30℃升至110℃，AQC鍋爐取風(fēng)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(fā)電功率由12 316 kW升至13 546 kW，發(fā)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(jī)熟料溫度及篦冷機(jī)余風(fēng)溫度都升高。當(dāng)冷卻空氣溫度由30℃升至110℃，出篦冷機(jī)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(fēng)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(fēng)溫度及余熱發(fā)電量都增加了，給企業(yè)帶來了一定的收益，但是也會導(dǎo)致出篦冷機(jī)熟料溫度的升高，從而影響篦冷機(jī)的冷卻效果；而篦冷機(jī)余風(fēng)溫度的升高勢必也會增加窯頭風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)功率也會增加，這進(jìn)一步削弱余熱發(fā)電增加的收益。當(dāng)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(fēng)機(jī)功率由602 kW升至1 215 kW，風(fēng)機(jī)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(fā)電功率增加了1 230 kW，但是冷卻風(fēng)機(jī)功耗也增加了613 kW，即余熱發(fā)電實際收益只有617 kW。

4 結(jié)論

本文以風(fēng)室為單位將篦冷機(jī)分為多個氣固換熱單元，并根據(jù)熱平衡原理，建立了分析篦冷機(jī)余風(fēng)再循環(huán)效果的計算模型，分析了余風(fēng)再循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行時，水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)及篦冷機(jī)相關(guān)運(yùn)行指標(biāo)，得出如下結(jié)論：

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

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