溫彩霞,張?jiān)品?,范宜斌,黃順源
水泥熟料生產(chǎn)線的回轉(zhuǎn)窯筒體表面溫度非常高,一般情況下平均溫度>300℃,靠近窯尾的一段表面溫度可達(dá)330℃~360℃。窯筒體表面熱量以輻射和對(duì)流的方式直接釋放到空氣中,產(chǎn)生能源浪費(fèi)及環(huán)境熱污染。通過在回轉(zhuǎn)窯筒體表面加裝熱回收裝置,可以將回轉(zhuǎn)窯的這部分熱能回收再利用,該裝置的長(zhǎng)期使用可帶來良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
本項(xiàng)目是對(duì)一條2 500t/d的水泥窯筒體表面輻射熱進(jìn)行回收,回轉(zhuǎn)窯規(guī)格φ4m×60m。根據(jù)實(shí)際供暖需求設(shè)計(jì)的熱能回收裝置和供暖系統(tǒng)由四部分組成,即窯筒體取熱系統(tǒng)、熱量存儲(chǔ)和輸配系統(tǒng)、末端供暖系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。熱量回收及供暖系統(tǒng)原理如圖1所示。
此次設(shè)計(jì)的供暖范圍包括項(xiàng)目所在地1km外的某小學(xué)(含教學(xué)樓、食堂、門衛(wèi)室及后勤辦公室)和當(dāng)?shù)卮逦瘯?huì)、衛(wèi)生所、村活動(dòng)中心,廠區(qū)內(nèi)綜合辦公室和中控室。
本項(xiàng)目涉及到的供暖建筑物及供暖面積等見表1。
綜合供暖熱量指標(biāo)推薦值[1]、建筑物保溫情況以及實(shí)際需求,設(shè)計(jì)供暖端負(fù)荷如表2所示。
可利用的輻射熱部分位于窯筒體25~41m之間,共計(jì)16m的范圍,取熱段表面溫度為320℃~360℃,安裝2個(gè)取熱換熱器(集熱器),安裝前后窯筒體情況如圖2、3所示。
由于供熱的學(xué)校位于廠區(qū)1km以外,管路熱損失按10%計(jì)算,同時(shí)考慮10%余量,則總的取熱量單個(gè)換熱器的集熱量為184.4÷2=92.2kW。
圖1 取熱和供熱系統(tǒng)原理圖
表1 供暖建筑及面積
表2 供暖建筑面積及設(shè)計(jì)負(fù)荷
圖2 安裝取熱器前窯筒體圖
本項(xiàng)目換熱器采用和窯筒體平行的弧形集熱器,集熱器罩在回轉(zhuǎn)窯筒體上部吸收筒體表面的輻射熱量,受熱介質(zhì)為循環(huán)水。
換熱器的換熱管采用G20鍋爐鋼管,外徑為φ 48mm,壁厚4mm,沿窯筒體長(zhǎng)度方向蛇形排布。集熱管位于換熱器的兩端,根據(jù)集熱量及出水溫度、流動(dòng)阻力等設(shè)計(jì)取熱換熱器的流程。
窯筒體上換熱器的設(shè)計(jì)溫差為20℃,供、回水設(shè)計(jì)為70℃/50℃,則冷卻水流量為7.93m3/h。換熱器的內(nèi)部分為3個(gè)流程,兩個(gè)換熱器每個(gè)流程的流量為為:
圖3 安裝取熱器后窯筒體圖
因窯筒體一側(cè)水平直徑方向上裝有筒體掃描儀,所以換熱器按180°半包圍面設(shè)計(jì),旋轉(zhuǎn)15°安裝。在半圓范圍內(nèi),考慮焊接支管轉(zhuǎn)彎半徑等因素,共可排列63根換熱管。集熱器進(jìn)、出水集管位于換熱器兩側(cè),管徑DN65,集熱器分3個(gè)流程。
集熱器嚴(yán)格按照壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)加工制作,并經(jīng)過嚴(yán)格的打壓試驗(yàn),以保證在使用過程中不出現(xiàn)泄漏,換熱器(集熱器)設(shè)計(jì)見圖4。
窯筒體以輻射和對(duì)流的方式將熱量傳遞給集熱換熱器表面,通過導(dǎo)熱方式傳到管道內(nèi)壁,再以對(duì)流換熱方式將熱量傳遞給循環(huán)冷卻水。
單個(gè)換熱器(集熱器)長(zhǎng)度為5m,被換熱器覆蓋的窯筒體表面積為27.9m2。換熱管外敷設(shè)巖棉板,近似絕熱表面。
窯筒體表面的輻射熱通過外保溫壁面的假想平面K-K才能到達(dá)外保溫壁面處,K-K平面可作為輻射面。因?yàn)楣荛L(zhǎng)比管距s大很多,近似符合在一個(gè)方向上無(wú)限延伸的條件,所以可以把窯筒體和換熱器之間的輻射換熱方式簡(jiǎn)化為圖5所示的模型。圖中e為管子中心距絕熱表面的距離。表面AD、AMB以及BCD構(gòu)成了3個(gè)非凹表面組成的封閉系統(tǒng)。角系數(shù)的簡(jiǎn)化模型如圖6所示[2]。
圖4 換熱器
圖5 窯筒體和換熱管的簡(jiǎn)化模型
窯筒體表面A1對(duì)換熱管表面AMB的角系數(shù)按式(1)計(jì)算,將d=48mm,s=112mm帶入計(jì)算,得到角系數(shù)的值。
根據(jù)輻射換熱的基本原理,兩個(gè)表面之間的輻射換熱為表面1到表面2的有效輻射與表面2到表面1的有效輻射之差,見式(2)。
圖6 換熱管角系數(shù)簡(jiǎn)化模型
式中:
C0——黑體輻射系數(shù),5.67W/(m2·K4)
ε1——回轉(zhuǎn)窯筒體表面的黑度
ε2——換熱管表面的黑度
T1——回轉(zhuǎn)窯筒體表面溫度,K
T2——換熱管的表面溫度,K
A1——取熱器覆蓋部分回轉(zhuǎn)窯的表面積,m2
A2——取熱器輻射面表面積,m2
常用物體的表面黑度見表3[2],回轉(zhuǎn)窯筒體由鋼板焊接而成,表面黑度ε1取值0.8;換熱管材質(zhì)為鋼管,因表面生銹程度不同,其黑度值有較大的變化。為提高實(shí)際換熱器的吸熱量,換熱器焊接完成后表面刷涂高溫防銹漆,能在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高換熱器表面的輻射率。換熱器表面取不同的ε2值,集熱量會(huì)有所不同,將不同的ε2值帶入輻射換熱公式(2),分別計(jì)算得到換熱器的輻射換熱量見表4。
表3 常用材料的表面黑度
按表4計(jì)算,在窯筒體表面黑度ε1=0.8的情況下,5m長(zhǎng)的取熱換熱器的換熱量基本在80~91kW之間,在表面溫度平均340℃條件下,基本可滿足本項(xiàng)目前述范圍的采暖負(fù)荷需求。
本項(xiàng)目中,窯筒體表面和換熱器之間也存在對(duì)流換熱,因?yàn)閹缀跏欠忾]空間,該值可作為取熱富余量,所以在此不做計(jì)算分析。
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)有冷、熱兩個(gè)水箱,體積均為18m3,水箱采用雙面不銹鋼板的聚氨酯發(fā)泡保溫板制作,保溫厚度為50mm。冷水箱冷水通過取熱水泵加壓送入換熱器中吸收熱量,被加熱后回流到熱水箱中,熱水箱的熱水通過供熱水泵經(jīng)末端散熱器散熱后回流到冷水箱,冷熱水箱通過管道聯(lián)通。
供暖系統(tǒng)分兩路,一路為較遠(yuǎn)處的學(xué)校和村委會(huì),一路為廠區(qū)內(nèi)的辦公室和中控室。學(xué)校距離儲(chǔ)熱水箱的管道總長(zhǎng)度約1 500m,主管路采用預(yù)制保溫管沿路邊敷設(shè),采用無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)方式,末端近建筑物處設(shè)分支管并設(shè)檢修井。廠區(qū)內(nèi)的供暖管網(wǎng)采用熱鍍鋅管加外保溫架空敷設(shè),室內(nèi)部分采用PPR熱水管道。兩路供熱具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表5。
末端散熱器采用柱式鋼制散熱器。根據(jù)建筑物實(shí)際情況,均采用窗下安裝,進(jìn)、出水采用異側(cè)下進(jìn)下出的接管方式。不同功能間散熱器配置見表6,表6中散熱器柱數(shù)已考慮各種修正系數(shù)。
為保證系統(tǒng)在設(shè)計(jì)參數(shù)內(nèi)安全運(yùn)行,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了集中控制系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)包含管路水箱上溫度測(cè)量和顯示、取熱量放熱量計(jì)算實(shí)時(shí)顯示、取熱溫度自動(dòng)控制、補(bǔ)水自動(dòng)控制、防止窯筒體表面溫度過高的緊急補(bǔ)冷水放熱水控制以及各種故障報(bào)警功能。通過集中控制系統(tǒng),可以顯示和記錄系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考,為系統(tǒng)可視化、安全化運(yùn)行提供保障。
表4 不同ε2條件下,輻射換熱器集熱量
表5 供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)
項(xiàng)目教室保健室實(shí)驗(yàn)室門衛(wèi)食堂中控室辦公室面積,m2 56 28 84 30 158 260 20材質(zhì)鋼制鋼制鋼制鋼制鋼制鋼制鋼制中心距,mm 600 600 600 600 600 600 600進(jìn)、出水方式下進(jìn)下出下進(jìn)下出下進(jìn)下出下進(jìn)下出下進(jìn)下出下進(jìn)下出下進(jìn)下出柱數(shù)64 32 96 30 168 108 24
本項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到施工完成只用了2個(gè)月時(shí)間,不僅滿足了項(xiàng)目進(jìn)度和學(xué)校供暖需求,而且創(chuàng)造了在不停窯的情況下,完成取熱器安裝的先例。供暖期間,整個(gè)取熱和供熱系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)基本在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi),供暖期學(xué)校教室內(nèi)的溫度和廠區(qū)辦公室溫度保持在20℃左右,完全達(dá)到了預(yù)期效果。原學(xué)校教室和辦公室采用電空調(diào)采暖,按空調(diào)制熱平均效率2、平均電費(fèi)0.6元/kWh計(jì)算,則每年可節(jié)省采暖費(fèi)用約15萬(wàn)元。在非供暖期間,回收熱量可用于廠區(qū)低溫發(fā)電機(jī)組的鍋爐給水預(yù)熱。
采用該套余熱回收裝置后,可全年從窯筒體取熱,按窯實(shí)際年運(yùn)轉(zhuǎn)300d計(jì)算,每年可回收熱量190kW×24h×300d=1 368 000kWh,相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤1 368 000/(7 000/860)=168 059kg,具有非常顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。