李連鎖

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水泥回轉窯筒體表面輻射能余熱回收裝置的應用

Application of Surface Radiant Energy Waste Heat Recovery Device on the Cement Rotary Kiln

李連鎖

摘 要：為了更好地利用水泥回轉窯高溫筒體表面的余熱，降低水泥廠的能耗，使用余熱回收裝置，以產(chǎn)能5 000t/d級熟料生產(chǎn)線為例，可提供給廠區(qū)部分生活用熱水和部分采暖熱源，年節(jié)能效益近百萬元，或者通過ORC系統(tǒng)發(fā)電，其發(fā)電能力約200kW。

1　前言

我國是水泥生產(chǎn)大國，水泥行業(yè)作為國民經(jīng)濟支柱的同時也是能耗大戶，生產(chǎn)成本中能源成本占據(jù)較高比例，因此節(jié)能降耗對水泥企業(yè)本身及國民經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護等均有非常重要的意義。

水泥生產(chǎn)過程中，回轉窯筒體表面溫度約250～300℃，以產(chǎn)能5 000t/d級窯為例，筒體直徑4.8m，長度約74m，所產(chǎn)生的輻射能不但可以滿足廠區(qū)生活用熱，還可以提供部分辦公設施的采暖負荷，甚至產(chǎn)生低壓飽和蒸汽，用于ORC（有機工質朗肯循環(huán)系統(tǒng)）系統(tǒng)發(fā)電，降低生產(chǎn)能耗。

2　余熱回收裝置設計注意事項

水泥回轉窯筒體表面余熱回收有兩種有效途徑。一是增大余熱回收裝置與窯外表面的換熱面積；二是增加余熱回收裝置表面與窯外表面的溫度差。

余熱回收裝置設計需考慮以下三方面因素：

（1）合理選擇余熱回收裝置的位置?；剞D窯筒體較長，在水泥熟料的煅燒過程中，各段溫度差別較大，設置余熱回收裝置的時候要充分考慮溫度的影響。

（2）合理設計余熱回收裝置結構，以便于熱交換的順利進行，同時需考慮該裝置的安裝與維護方便。根據(jù)水泥回轉窯筒體的特點，該裝置的整體結構采用“O”形支撐結構和“C”形布置受熱面較為合理，這樣可使該裝置的不同區(qū)域與筒體表面充分接近，有利于熱輻射換熱的順利進行，同時在不影響窯筒體溫度掃描的正常工作下，便于維修。

（3）保證出水溫度控制在一定溫度范圍內，同時回轉窯窯體的正常工作與維護不受影響。由于余熱回收裝置采用熱輻射換熱，為了保證換熱效果，與回轉窯筒體表面距離不能太遠，同時考慮出水溫度要控制在一定范圍內。

3　余熱回收裝置介紹

目前，我公司設計了一種低成本、模塊式水泥回轉窯余熱回收裝置，用以回收高溫筒體表面的輻射能?，F(xiàn)將余熱回收裝置的原理及結構介紹如下：

在水泥回轉窯筒體表面布置多組余熱回收裝置，以輻射換熱為主回收窯筒體表面輻射能，余熱回收裝置內布置多排管路，以水為工質，通過熱輻射換熱方式吸收余熱回收裝置所獲得的輻射能，根據(jù)需要產(chǎn)生熱水或低壓飽和蒸汽。

余熱回收單元結構如圖1所示，余熱回收裝置由翅片管緊密排列組成，兩側分別與集箱相連，集箱兩端安裝連接架，連接件通過螺栓、螺母與模塊框架連接固定。

如圖2所示，8塊余熱回收單元通過熱壓彎頭、連接管相互連接，呈288°圍繞回轉窯筒體布置構成一組余熱回收裝置，通過單元連接加強板及內切圓鋼板固定于支撐框架，通過堵板控制各余熱回收單元間汽水流向。余熱回收裝置朝向回轉窯筒體表面一側涂裝黑色高溫耐熱油漆，以增加表面吸收率，提高余熱回收裝置性能。背面采用保溫絕緣熱結構，保證吸收率。圖3為我公司投入生產(chǎn)的余熱回收裝置實例。

余熱回收裝置特點：

（1）由水管、槽鋼等標準件組成，結構簡單，成本低廉。

（2）集熱面為涂裝黑色高溫耐熱油漆的水管表面，背側采用玻璃棉保溫，在保證集熱效率的同時，適用于水泥生產(chǎn)的惡劣環(huán)境。

（3）由多組余熱回收單元組成，模塊化設計，可根據(jù)需要靈活布置。

（4）呈“C”形288°圍繞回轉窯筒體布置，預留72°開口便于回轉窯筒體表面遠紅外溫度檢測，回收余熱的同時不影響水泥生產(chǎn)。

余熱回收計算：

以產(chǎn)能5 000t/d熟料生產(chǎn)線為例，回轉窯筒體表面平均溫度300℃，直徑4.8m，每組余熱回收單位長度3m，設環(huán)境溫度20℃，根據(jù)筒體材料發(fā)射率0.8，可得環(huán)境輻射散熱量約205 981W。

圖1　余熱回收單元結構示意圖

圖2　余熱回收裝置組裝結構示意圖

圖3　余熱回收裝置實例照片

根據(jù)布置情況，角系數(shù)選擇0.8，余熱回收裝置散熱損失η1為5%，余熱回收單元之間漏熱損失η2為10%，每組余熱回收裝置可回收有效熱量約140 067W。若以水為工質，當流量為11kg/s，則每組余熱回收裝置可產(chǎn)生3℃溫升，實測數(shù)據(jù)與計算基本一致。

余熱回收制冷供熱計算：

根據(jù)上述計算，若布置長度為24m的余熱回收裝置，冬季可生產(chǎn)39.6t/h、70～95℃供暖熱水，供熱量約為1 148kW，采用供熱負荷70W/m2，供熱面積約為12 000m2，另有308kW的生活用熱（食堂、洗浴等）；夏季可產(chǎn)生49.5t/h、80～100℃熱水，采用單效熱水型溴化鋰機組，COP≈0.85，供冷量約為800kW，采用供冷負荷140W/m2，供冷面積約為6 000m2，另有308kW的生活用熱（食堂、洗浴等）。綜上所述，通過回轉窯高溫筒體表面余熱回收裝置回收余熱并采用熱水型溴化鋰機組，可基本滿足廠區(qū)部分辦公建筑的全年冷熱負荷及生活用熱。

根據(jù)上述計算，供熱節(jié)能量：采暖季11～4月，節(jié)約標煤610t；制冷節(jié)能量：供冷季5～10月，節(jié)約標煤520t。全年可節(jié)約標煤1 130t，節(jié)能效益近百萬元。

余熱回收發(fā)電量計算：

以產(chǎn)能5 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線為例，在回轉窯筒體表面布置余熱回收裝置13組，可產(chǎn)生2.5t/h、0.3MPa、133.5℃低壓飽和蒸汽。用于ORC系統(tǒng)發(fā)電，其發(fā)電能力約200kW。

參考文獻：

［1］周惠群.水泥煅燒技術及設備（回轉窯篇）［M］.武漢：武漢理工大學出版社，2006.11.

［2］卓寧，孫家慶.工程對流換熱［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1982.

中圖分類號：TQ172.622.22

文獻標識碼：A

文章編號：1001-6171（2016）01-0052-02

通訊地址：中材節(jié)能股份有限公司，天津 300400；

收稿日期：2015-05-25； 編輯：孫 娟