劉艷春武曉峰

（1.唐山冀東機電設(shè)備有限公司；2.唐山冀東水泥股份有限公司，河北 唐山 064000）

回轉(zhuǎn)窯筒體余熱利用

劉艷春1武曉峰2

（1.唐山冀東機電設(shè)備有限公司；2.唐山冀東水泥股份有限公司，河北 唐山 064000）

介紹唐山冀東機電設(shè)備有限公司優(yōu)化設(shè)計的水泥窯筒體換熱器，通過回收筒體的輻射熱能，實現(xiàn)供暖、熱水聯(lián)供及余熱發(fā)電，效益顯著。

回轉(zhuǎn)窯筒體；余熱；回收利用

某5000t/d的生產(chǎn)線實測表面散熱損失占總輸入熱量6.6%,其中窯筒體表面散熱量占總散熱量的55%，且熱量較為集中，回收潛力巨大。

唐山冀東機電設(shè)備有限公司根據(jù)電力系統(tǒng)換熱器的設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合水泥窯本身的特點，優(yōu)化設(shè)計的水泥窯筒體換熱器，是通過在回轉(zhuǎn)窯上方安裝弧形換熱器，利用回收筒體的輻射熱能，實現(xiàn)供暖、熱水聯(lián)供，還能用于余熱發(fā)電，是一項環(huán)保、節(jié)能、增效減排的工程，其經(jīng)濟效益、社會效益十分顯著。

一、不同窯徑的換熱功率

1.換熱罩介紹。

本系統(tǒng)主機設(shè)備為回轉(zhuǎn)窯換熱罩，如圖1所示，每條線設(shè)4組相同尺寸的換熱面，其中2#輪帶與3#輪帶之間設(shè)置4組換熱面，1#輪帶至2#輪帶之間設(shè)置4組換熱面。換熱罩之間的距離不留間隙（人孔門處留600間隙），現(xiàn)場用螺栓固定。

圖1

換熱罩與輪帶之間的距離為1500mm左右，以保證換熱面之間汽水管道連接、安裝運行檢修的方便性，且不影響回轉(zhuǎn)窯的正常運行和檢修。

換熱罩中的換熱管采用Ф32×4mm的無縫鋼管，鋼管材質(zhì)選用中低壓鍋爐專用鋼材20-GB3087，換熱管之間采用膜式水冷壁結(jié)構(gòu)連接，采用5mm鋼板焊接。為增大換熱面的總換熱面積，還在膜式壁與筒體之間布置一排光管受熱面，主要吸收對流熱。

同時為提高換熱管與回轉(zhuǎn)窯表面的輻射換熱能力，在換熱管噴涂有高吸收率噴涂層。

換熱罩外殼采用鋼板卷制焊接而成，外設(shè)加強筋，以保證換熱面的整體結(jié)構(gòu)強度，在外殼上方設(shè)置吊耳，下部與支撐結(jié)構(gòu)采用螺栓方式，方便換熱面檢修和拆卸。

換熱罩外殼與換熱管間距設(shè)計為80mm左右，內(nèi)部填充巖棉保溫層，最大限度地減小換熱面散熱損失。

（1）換熱罩型式

由于換熱罩存在與窯系統(tǒng)故障不同步的可能，所以將換熱器設(shè)計成圖2結(jié)構(gòu)，集熱罩故障時，不停窯即可將換熱器翻轉(zhuǎn)，不影響水泥窯運行時散熱。

（2）結(jié)構(gòu)及制造特點

①換熱器模塊采用中壓鍋爐鋼管制造，根據(jù)不同情況合理選取管徑，材質(zhì)為20-GB3087。

②受熱面采用膜式壁結(jié)構(gòu)，合理選取膜式壁管間距及膜的厚度，增強換熱效果，減少自身重量及成本投入，在增強對流換熱的同時增強換熱器模塊剛度。

③膜式壁外側(cè)采用80mm的巖棉保溫，最外側(cè)用薄鋼板做外護板。

④進出水管采用金屬波紋管與給水、回水管道法蘭聯(lián)接，避免因制造偏差或熱膨脹產(chǎn)生應(yīng)力，造成變形。

⑤受壓件全部焊口在制造廠內(nèi)完成，焊后100%無損探傷檢驗，最大程度的保證制造質(zhì)量。

圖2

⑥全部模塊制造完成后，在制造廠內(nèi)預(yù)裝配，保證安裝質(zhì)量。

⑦嚴格按照壓力容器相關(guān)標準設(shè)計、制造，全部受壓部分焊接完成后進行水壓試驗，水壓試驗壓力采用2倍設(shè)計壓力。

⑧給水、回水管道采用巖棉管保溫，外敷白鐵皮。

⑨全部模塊串聯(lián)，低進高出。

2.基礎(chǔ)負荷簡圖。

如圖3所示，換熱器基礎(chǔ)為條形，核算各窯蹲基礎(chǔ)受力情況后，根據(jù)實際情況考慮換熱罩支撐的制作技術(shù)方案，做到安全、針對性設(shè)計。

圖3

二、設(shè)備設(shè)計及技術(shù)優(yōu)勢

本設(shè)計結(jié)合廠區(qū)的水泥生產(chǎn)線、冷/暖供應(yīng)系配置特點，充分利用原有設(shè)備設(shè)施，采用先進的新技術(shù)替代傳統(tǒng)的、落后的生產(chǎn)工藝，以實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能解決方案最優(yōu)化的目的，其主要技術(shù)措施及優(yōu)勢如下。

1.針對不同用戶進行不同設(shè)計。

針對不同用戶需求及窯筒體表面溫度分布情況進行個性化設(shè)計，根據(jù)使用參數(shù)確定集熱罩串聯(lián)或者并聯(lián)使用，集熱罩內(nèi)的循環(huán)水可使用軟化水或者直接使用發(fā)電系統(tǒng)的除鹽水，收集后的熱量可用于洗浴、供暖、發(fā)電等。

2.集成化模塊設(shè)計。

每個模塊包含膜式壁、光管受熱面、保溫材料和外護板，在制造廠內(nèi)組裝完成，現(xiàn)場只用法蘭連接進出水管，沒有現(xiàn)場受壓件焊接，最大程度的保障焊接制造質(zhì)量。

3.系列化設(shè)計。

根據(jù)回轉(zhuǎn)窯直徑系列化設(shè)計換熱器，每系列的模塊尺寸完全相同，便于檢修互換，減少備件庫存。

4.優(yōu)化設(shè)計。

（1）優(yōu)化設(shè)計一。將原來的半圓形結(jié)構(gòu)改成兩片四分之一圓弧拼裝結(jié)構(gòu)，在頂部留有開口，換熱器罩內(nèi)的空氣在自生通風(fēng)力的作用下自下向上流動，增強了對流換熱，并且保證了筒體表面溫度。

（2）優(yōu)化設(shè)計二。將管子布置方式由原來的沿筒體縱向布置改為沿筒體圓周弧形布置，不但減少了彎制集箱而產(chǎn)生的制造費用，而且在運行過程中，局部產(chǎn)生的氣泡隨著水流自然向上移動，最終匯集到集氣箱頂部的排氣閥排出，增加了運行安全。

（3）優(yōu)化設(shè)計三。集熱罩布置離輪帶及大齒圈距離經(jīng)過合理設(shè)計，消除窯筒體表面溫度上升給輪帶及大齒圈帶來的潛在危害。

5.適應(yīng)室外布置設(shè)計。

（1）采用全排空設(shè)計，能在短時間內(nèi)將換熱器的水全部排空，有效避免冬季停窯時換熱器防凍問題。

（2）兩片四分之一圓弧拼裝結(jié)構(gòu)的換熱器可以向后翻轉(zhuǎn)，將回轉(zhuǎn)窯筒體全部裸露出來，避免夏季換熱器停用時因換熱器罩遮擋影響窯體自然散熱對窯體造成的損害。

6.受熱面采用高吸收率和低反射率的高科技材料,吸收率為0.94～0.96,發(fā)射率為0.37～0.39，能更好的吸收窯筒體散發(fā)的熱量，提高效率。

7.安裝簡便。全部裝置通過鋼架支撐在地上，不與窯體產(chǎn)生任何聯(lián)接，不會對窯體產(chǎn)生不利影響，可實現(xiàn)不停窯安裝。

8.對系統(tǒng)進行三維設(shè)計，系統(tǒng)阻力小、無結(jié)垢、高效率、低投入，且對窯筒體影響小。

三、工程實例及效益

1.某公司3200t/d生產(chǎn)線熱力系統(tǒng)設(shè)計（圖4）。

根據(jù)該公司要求，窯筒體輻射熱夏季用于發(fā)電及洗浴，冬季用于洗浴、采暖及發(fā)電，通過優(yōu)化管路設(shè)計實現(xiàn)各個系統(tǒng)隨時切換，保證了各個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

圖4

該公司發(fā)電系統(tǒng)采用的是閃蒸補汽方式，因此將窯筒體輻射熱收集的低品位熱量用于閃蒸補汽系統(tǒng)中，對于有除氧器的機組可以應(yīng)用到給水加熱，減少汽輪機抽汽，間接提高發(fā)電量，或者應(yīng)用到機組補汽中，提高發(fā)電量。

現(xiàn)場實測參數(shù)見表1。

2.效益（全年按運行7200h計算）。

（1）實測現(xiàn)場吸熱量為（722.37-170.38）×7000/3600=1.07MW。

（2）全年用于洗浴時（每天洗浴3次，水溫15℃加熱至65℃）與電加熱器進行比較，可節(jié)電104.65萬kW?h，約52.33萬元。

（3）冬季用于供暖時，可減少抽發(fā)電新蒸汽約1.3t/h，每小時提高發(fā)電量約260kW?h，按5個月計算，增加效益46.8萬元。

（4）夏季除去洗浴外多余熱量用于閃蒸發(fā)電，按5個月計算，年增加發(fā)電量約32.4萬kW?h，增加效益16.2萬元。設(shè)備運行所需電量約為20kW?h，費用為7.2萬元，因此全年收益約為108.13萬元。

換熱器投產(chǎn)后，總吸收熱量1.07MW，以年運行300天計算，可減少NOx排放32t，減少CO2排放21394t，具有重大的社會效益。

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