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余熱利用
水泥工業余熱回收
簡介:

在水泥生產中,回轉窯、冷卻機、懸浮預熱器、烘干機等都是重要的熱工設備。在保證滿足工藝條件要求的基礎上,提高這些熱工設備的熱效率是水泥生產節能降耗的關鍵。根據近年來工業應用開發的實踐,熱管技術在以下幾方面已獲得了較為成功的應用。

窯尾冷卻機的余熱利用:

水泥生產回轉窯尾冷卻機低溫段排出的廢氣溫度一般為200~300℃,這部分余熱的品位較低,它的最好用途是產生低壓蒸汽,作為生活用水,冬天用來取暖和浴室用水;夏天可作為溴化鋰制冷機的熱源制取冷氣供生產車間及生活區降溫,或作為其他工段余熱鍋爐的換熱器加熱鍋爐給水。
某廠φ3.5m×145 m 的水泥回轉窯后配1.37 m ×30.48 m 爐篦振動式冷卻機,廢氣排量為(標準狀態)51673m3/h,廢氣溫度約為240℃,在煙道中安裝熱管熱水器一臺,加熱生活用水,具體參數如表一。

表一 熱管換熱器參數

項    目
廢  氣
設計值
設計值
實測值
流量(標準狀態)(m3/h)
51673
5.25
8.4
進口溫度/℃
210
6
28
出口溫度/℃
180
50
85
熱管根數/根
598
蒸發段面積/㎡
45.13
冷凝段面積/㎡
21.26
回收熱量/kW
320
 
557
投資回收期/年
<1

小水泥窯尾廢氣余熱利用
許多小水泥廠的燒成回轉窯窯尾排出的廢氣溫度在450~600℃左右,由于產量較小,廢氣量也比較少,一般均將回收的余熱產生壓力為0.3~0.8MPa的低壓蒸汽供生產工藝或者說生活使用,其流程如圖所示。從干法中空回轉窯尾排出的廢氣經過旋風除塵后進入熱管蒸汽發生器,廢氣溫度從600℃左右降至200℃以下,入布袋收塵系統,經引風機排入煙囪。

其優點是:
   將高溫廢氣降至200℃以下,可直接進入布袋收塵器;
   每噸熟料可回收0.4~0.5噸的低壓蒸汽;
   結構緊湊壓力降小,一般小于500Pa;
  
不易積灰,管壁溫度可調整在煙氣露點以上,可以達到自清灰目的。

以下為兩個工程實例。
【例一】 某廠以磷石膏制取4萬噸硫酸聯產6萬噸水泥,采用φ3m×88m的中空長窯生產水泥,窯尾廢氣溫度為450~500℃,在窯尾設置一臺熱管蒸汽發生器(余熱鍋爐),將廢氣溫度降至280℃去制酸系統。回收余熱產生0.8MPa蒸汽,供生產和生活使用。每年回收熱量折合標準煤1470噸。
【例二】 某廠生產白水泥,鍛燒窯規格為φ1.9/1.6m×39m,每小時生產熟料量2噸,窯尾廢氣溫度600℃,經過熱管蒸汽發生器降到200℃以下去布袋除塵器,回收的熱量產生0.3MPa蒸汽供生活用,總工程投資一年內可回收。
以上兩例熱管蒸汽發生器參數見表二。

表二 熱管蒸汽發生器參數
 
項   目
例1
例2
項  目
例1
例2
廢氣流量(標準狀態)(m3/h)
6290
21000
蒸汽產量(t/h)
2
2.5
廢氣溫度/℃
600
480
回收熱量/kW
1523
1928
蒸汽壓力/MPa
0.3
0.8
 
 
 

大型窯尾廢氣的余熱利用:
水泥生產中鍛燒熟料的回轉窯窯尾廢氣排出的溫度一般在900~1000℃左右,每噸熟料廢氣量約為(標準狀態)1.658 m3。該廢氣的主要用途一般用作懸浮物預熱器的熱源,預熱入窯的生料粉;另一種用途是與窯尾冷卻機的熱空氣混合進入窯外分解的分解爐;也有將窯尾廢氣用于發電等其他用途;在前面兩種用途中,由于廢氣直接進入預熱器和分解爐,常常帶來兩個問題。

   當作為懸浮預熱器的熱源時,窯尾廢氣的利用受到了燃料品種和煅燒原料成分的限制。因為當燃燒燃料品種內含硫量較高或原料中含堿、氯成分過多時, 物料和燃料中揮發出來的、氯、硫和廢氣一起進入預熱器內,承隨著廢氣溫度的降低,這些揮發成分絕大部分冷凝成細霧,被生料所吸附或者吸收,又帶回窯內,這樣反復進行,形成了一個預熱器和窯爐之間的內部循環,使氯、堿、硫的化合物富集起來。當窯尾溫度達到一定數值時,富集了的氯、堿和硫化合物在低溫下溶融,使生料粉黏附在廢氣管道內部,隨著溫度的上升,粉塵黏附的數量和硬度也不斷增加,最后出現系統風道堵塞;

   當窯尾高溫廢氣不作為預熱器熱源而直接與二次風混合進入分解爐時,雖然能充分利用廢氣的熱量,但因廢氣中含氧量很低,與二次風混合后降低了二次風的含氧濃度,不利于燃料的充分燃燒。顯溫高效體積緊湊的氣-氣熱管換熱器,用新鮮的空氣將窯尾高溫廢氣的熱量取出作為高溫熱風就可以避免以上問題的產生,其流程如下圖所示。由回轉窯出來的窯尾廢氣約為950~1050℃,進入高溫熱管換熱器的蒸發段,將熱量傳遞給高溫熱管,降溫后的廢氣溫度仍在600℃以上。如果燃料含硫量不高則可再次進入預熱器系統作為預熱生料的熱源,如原料含硫量高則可作為其他熱源使用。由冷卻機出來的二次風溫度約為600~700℃(溫度的高低與冷卻機的結構形式有關),進入高溫熱管換熱器的冷凝段。由高溫熱管傳來的熱量將二次風的溫度進一步提高到750~850℃,進入分解爐。這樣既利用了高溫廢氣高品位余熱,又不致于降低二次風中的含氧量。由于入爐的二次風溫度提高,含氧量高,因而入分解爐的燃料可以充分燃燒,大大節省燃料,達到節能的效果。

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水泥旋窯窯體表面的余熱回收:
水泥旋窯工作時燒成段窯體表面溫度達300-350℃,目前都采用風冷降溫,大量的熱能直接散發到大氣中,這不僅浪費了大量的熱能,也造成了窯體周圍的高溫污染。窯體表面散失的熱能是可以回收利用的,我公司研制開發了集熱式窯體表面余熱回收系統。根據企業的需要,將回收的熱能加熱水或空氣,熱水可供生活和制冷,熱空氣可供烘干用。既能降低窯體溫度又節省了加熱水或空氣所需的燃料費、風扇電費,減少粉塵和二氧化碳排放。節能環保一舉兩得,改造投資一年內可以全部收回,經濟效率十分顯著。下面以福建省某水泥廠為例,就項目的可行性進行詳細的技術分析和經濟測算。

該水泥廠旋窯直徑3.4M,窯襯δ=180mm,燒成段(含放熱反應帶及燒成帶)為L/D=4-6.5之間,我們選取中值L=5.25 D=5.25×3.4=17.85M為安裝余熱回收集熱裝置,窯體表面溫度350℃,窯體距地面高度12M,距生活用水點300M,廠家要求每小時產3噸60℃-90℃熱水供職工洗澡用。
  熱力計算:
首先進行熱力平衡計算,看回收的熱量能否滿足需要。
   
每小時3000kg(常溫20℃)水,加熱至90℃時需總焓增879240kj/kg
∵1kg(常溫20℃)水加熱至90℃時所需焓增293.08kj/kg
∴總焓增值=3000kg×293.08=879240kj/kg

    每小時6963m3/h空氣由300℃降至100℃時釋放顯熱即可滿足需要,實際應用中考慮各種損失,熱空氣最高溫度取300℃。
∵1kg300℃空氣降至100℃時釋放熱量205kj/kg   空氣300℃時密度為0.616kg/m3
 ∴每小時所需理論空氣量(300℃)=879204kj/kg÷205kj/kg÷0.616
=6963m3/h
∵考慮傳熱損失后實際空氣量應大于理論空氣量
∴選擇引風機為GY4-15,機號:9.8   Q=11500m3/h-16000 m3/h  
H=338/358mmH2O      n=1450rpm     三相電機為Y180L-4B3     N=22kw
從熱力計算看,旋窯表面余熱回收后基本能滿足每天加熱72噸60-90℃生活熱水的熱能需求,這是本項目的基礎。

  余熱回收系統設計方案
本余熱回收裝置為常壓,設計每小時可產3噸60℃-90℃生活熱水,使用壽命10年以上。它有集熱筒、供水管網、支架和自動控制系統四部分組成。集熱筒采用半園結構,安裝維修不影響旋窯工作。承重支架為鋼結構,安全可靠。自動控制系統以計算機為核心控制系統工作,自動化程度高,人機界面操作直觀簡單,無需人工值守。

   集熱筒
集熱筒功用:收集窯體表面余熱將筒體內水加熱。它由筒體、風機、水箱、翅片無縫鋼管等組成。筒體外形尺寸為Φ4M×17M,內徑3.6M。集熱筒體為左右半園鋼框架結構,筒內有水箱和翅片管,外部兩端有風道進出口和進出水接口,外表面保溫。工作時,風機從集熱筒一端將熱風抽出,從另一端送入,使集熱筒與風機風道構成熱風循環,將窯體表面低溫顯熱轉變為對流傳熱,實現高效率傳熱。集熱筒安裝在窯體外表面,與窯體有間隙不接觸,集熱筒兩端與窯體采用高溫塑性材料軟密封。筒體凈重20噸,容水時重量為22噸,半園筒體由托架支撐固定,半園筒體與托架為整體結構,托架底部有滑輪和定位孔,鋼結構支架上設有滑軌。

安裝時窯體表面做清潔和防銹處理,半園筒體沿滑軌從窯體兩側向中間滑動環抱窯體,定位后有定位銷將托架與鋼支架固定,半園結合面用密封材料和螺栓連接。維修時將集熱筒結合面螺栓、水管、風管、定位銷拆除后,集熱筒呈半園向窯體兩側滑動,距窯體最大滑動距離為2.5M,安裝或維修都不影響回轉窯工作,集熱筒安裝后,窯體表面低溫顯熱由水帶出,不會造成窯體表面溫升,同時可減輕窯體表面氧化腐蝕。(見集熱筒簡圖)

   供水管網
供水管網功用:保證系統所需冷、熱水。它由水泵、閘閥、止回閥、水箱、管網等組成,水箱容積40m3
   支架
支架為鋼結構,支撐固定集熱筒。
   自動控制裝置
自動控制裝置功用:根椐設定自動控制余熱回收系統不同狀態下的工作。它由人機界面控制臺、觸摸屏、電磁閥、溫控器、液位器、計算機等組成。觸摸屏顯示系統全圖和各種狀態下的參數,自動判斷系統故障便報警。系統控制可自動
-手動互換,自動工作時根椐預設定參數控制,手動工作時點擊觸摸屏單點控制。觸摸屏設有密碼,防止無關人員誤動作。除自動控制裝置外,還配有機械控制裝置即手動閘閥,防止自動控制裝置故障時應急使用

 余熱回收系統工作
系統工作時,冷水(20℃)經1號電磁閥、水泵、止回閥、進入集熱筒內加熱。當水溫達到60℃-90℃時,集熱筒出水經管網進入儲水箱備用。水箱與大氣相通,水箱出水口與用水管網相接,水箱保溫。(見余熱回收裝置工作示意圖)
   當水箱水位低于30M3 時:
1號電磁閥、水泵、風機開,2、3、4號電磁閥關。冷水進入集熱筒加熱,當集熱筒出口水溫低于60℃時水泵關,集熱筒內水繼續加熱,出口溫度達到90℃時水泵開,冷水進入集熱筒加熱,集熱筒內熱水進入水箱。
   當水箱滿水且溫度高于60℃時:
全系統停止工作
   當水箱水滿且水溫低于60℃時:
2號電磁閥、水泵、風機開,1、3、4號電磁閥關。水箱溫水進入集熱筒加熱,當水溫達到60-90℃時回水箱。當水箱水溫達到80℃時,全系統停止工作。
   當系統清洗時:
系統應定期清洗水垢,清洗時間和使用清洗劑種類由用戶水質決定。清洗時將水箱內加入適量清洗劑,啟動清洗程序,系統進入自動清洗。2號電磁閥、水
泵開,1、3、4電磁閥、風機關。清洗液在系統內循環流動清洗,到設定時間后1、2號電磁閥、水泵、風機關,3、4號電磁閥開,按設定時間將系統內污水排出,水泵、1、3、4號電磁閥開,清潔水進入系統繼續清洗,設定時間內關閉。清洗完畢后進入下一循環工作。
 
以上為預設定工作流程,使用過程中需根據實際情況進行調試設定。
余熱回收后降低了窯體周圍的環境溫度,節省了加熱水或空氣所需的燃料費,投資回收期短,在余熱回收裝置使用壽命內可獲得數百萬元的經濟收益,真正的低投入、高回報,能為您省錢我們自豪。
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