水泥回转窑密集管束热板集热器技术

2012-01-05张志忠邓棵天

水泥技术 2012年5期

关键词：黑度板片热板

张志忠，邓棵天

水泥回转窑密集管束热板集热器技术

Introduction to Intensive Pipe Bundle Type Pile Collecting Cement Rotary Kiln Heat Emission Technology

张志忠1，邓棵天2

1 概述

水泥回转窑在运行过程中，其筒体表皮温度达300℃左右，大量辐射热溢出，如何合理利用这部分余热，是行业内的重要科研课题之一。十多年前，曾出现辐射集热器这种装置，悬空安装于回转窑窑体上方，用以收集窑体余热，替代小型锅炉作为热源。但其型式大部分是简易笨重、凭经验安装的铁管架，效率低，较易造成窑体沉降，夏季又会造成筒体过热，甚至影响工艺操作。虽经某些水泥厂使用，但效果并不算好。近年来，随着国家和各级政府对节能减排的日益重视，环保部门已明令禁止使用6t以下小型燃煤锅炉，6t以上又要求脱硫脱氮。这无形中加快了水泥企业节能减排的步伐，也是我们推出新型节能装置的良好契机。为此，前天津水泥工业设计研究院有限公司与大连熵诺公司合作开发了一种新型余热利用-热板集热器，它摒弃了原集热器的上述缺陷，而以重量轻、效率高、对工艺生产无副作用为主要技术特点。

2 技术说明

2.1 单条窑设计参数（参考）

水泥窑筒体直径D1：4.8mm

吸热面公称直径D2：4.8+1.2=6mm

水泥窑筒体辐射面平均温度T1：300℃

集热器吸热面平均温度T2：70℃

单组热板集热器长度L：6000mm

窑体圆周包裹率η1：0.6

2.2 大平面之间辐射换热计算公式

其中：Q为辐射换热量，A为有效辐射换热面积，T1为辐射面平均温度；

T2为吸热面平均温度，为窑体表面放射率，为集热器表面吸收率；

有效辐射换热面积A=实际换热面积A0×换热面导热效率η2；

换热面导热效率η2与换热面壁厚以及换热面翅片高度成反比。

从式（1）可以看出，在换热面温度恒定的情况下，辐射换热量的大小与有效换热面积及换热面黑度成正比，也就是说增加辐射换热量的有效方法是，增加有效换热面积以及换热面黑度，因此在回转窑窑体有限空间如何有效布置换热面以及增加换热面黑度是增加辐射换热量、降低设备投资的关键。

2.3 密集管束热板集热器

2.3.1 热板集热器简介

热板换热元件，是经过特殊工艺成型的高效板式换热元件，表面呈波形的板片，板片内具有独立的流体通道，由于热板板面的波形结构，板片内流体在流动过程中的流动方向和速度不断地自动变化，在很低的流速下即可形成强烈的扰流，同时板片外表面的波形结构可有效提高热辐射波吸收率，因此热板传热元件作为辐射换热元件具有很高的换热效率。热板半片结构示意图见图1。

图1 热板半片结构示意图

2.3.2 热板集热器选型说明

根据热板集热器热力计算结果汇总，热板集热器布置在水泥窑体1号2号3号支柱中间区域，其换热面可制作成固定形式，窑体抱覆面沿窑体轴向长度为30m，沿窑体圆周方向长度为8m，整个热板集热器分为5组，单组热板集热器由18～20片热板换热单元组成，单体板片尺寸为6000mm×500mm×100mm，热板换热单元与框架结构均采用螺栓连接，有利于更换、安装。

2.3.3 热板集热器特点

（1）热板集热器设计充分考虑了有限空间换热面换热效率问题，设计有效扩展面的换热效率均为98%。

（2）热板集热器表面波形尺寸及形状的设计经过严格的计算机模拟计算，有利于最大程度增强流体扰动和板片表面热辐射波吸收率，提高换热系数。

（3）热板集热器板片紧贴窑体表面，可最大程度吸收窑体的辐射余热。

（4）热板集热器板片辐射换热面喷涂纳米稀土红外吸波涂料，可有效增加集热器的辐射换热系数，增强集热器的换热能力。

（5）对于气温比较寒冷的地区和没有软化水的企业，热板集热器内可充注高温防冻导热介质，有效防止热板集热器高温结垢和低温冻结，保证集热器长期稳定运行。

（6）热板集热器每个换热单元独立安装，因此当换热面局部受到损坏时可单独更换。

（7）热板集热器采用纤维和镀锌铁皮的保温方式，外形美观，重量轻。

2.3.4 热板集热器热工结算

有效辐射换热面积A=实际换热面积A0×换热面导热效率η2；

换热面导热效率η2与换热面壁厚以及换热面翅片高度成反比；

热板集热器换热面成板式结构，相当于换热面翅片高度为0，另外热板集热器换热面壁厚为2.5mm，对传热影响很小，因此热板集热器换热面导热效率η2可近似取值为1。

热板集热器有效辐射换热面积A=实际换热面积A0×换热面导热效率η2=3.14×D2×L×η1×η2=3.14×6×6×0.6×1=68m2

辐射面平均温度T1=300℃

吸热面平均温度T2=70℃

窑体表面放射率β1=0.94，集热器表面吸收率β2=0.98

单组热板集热器有效换热量Q1数值如下：

单条窑热板集热器热力计算结果汇总见表1。

表1单条窑热板集热器热力计算结果汇总

3 应用实例

2010年应内蒙古阿荣旗水泥厂要求，我们设计了水泥回转窑热板集热器替代小型锅炉房作为洗浴热源。

图2 回转窑上部安装的热板集热器

该厂地处严寒地区，室外采暖计算温度为-25℃，日平均温度≤5℃的天数为195d。我们在该厂回转窑上部设计安装了热板集热器（见图2）。该热板集热器的主要设计思路与河南、山东、河北等地水泥厂不尽相同，其选用材料有较详细计算，不是凭经验安装；制造工艺精致，特选一种无缝钢管；为增加换热，特选稀土涂料增加设备黑度。集热器的外层保护板使用1.00mm的彩钢板，保温材料使用玻璃棉加增强铝箔。换热瓦整体重量轻，不超过29t，不会造成窑墩沉降。该厂集热器已使用近两年，运行良好，在内蒙东部酷寒的气候下，节能效果明显。

一套标准5000t/d水泥窑筒体，辐射废热有效利用1.8MW左右，最大可至4.2MW（目前第一期0.4MW稍后扩充至1.4MW）。

小型锅炉生产1.4MW热能需要消耗煤炭0.7～1.0t/h，同时向大气中排放近10000m3/h高硫、硝及CO2废气，水泥窑筒体辐射余热利用可以减轻煤炭的消耗并减少高硫、硝及CO2废气排放。