水泥回转窑筒体表面辐射能余热回收装置的应用

李连锁



水泥回转窑筒体表面辐射能余热回收装置的应用

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

李连锁

摘 要：为了更好地利用水泥回转窑高温筒体表面的余热，降低水泥厂的能耗，使用余热回收装置，以产能5 000t/d级熟料生产线为例，可提供给厂区部分生活用热水和部分采暖热源，年节能效益近百万元，或者通过ORC系统发电，其发电能力约200kW。

1　前言

我国是水泥生产大国，水泥行业作为国民经济支柱的同时也是能耗大户，生产成本中能源成本占据较高比例，因此节能降耗对水泥企业本身及国民经济发展、环境保护等均有非常重要的意义。

水泥生产过程中，回转窑筒体表面温度约250～300℃，以产能5 000t/d级窑为例，筒体直径4.8m，长度约74m，所产生的辐射能不但可以满足厂区生活用热，还可以提供部分办公设施的采暖负荷，甚至产生低压饱和蒸汽，用于ORC（有机工质朗肯循环系统）系统发电，降低生产能耗。

2　余热回收装置设计注意事项

水泥回转窑筒体表面余热回收有两种有效途径。一是增大余热回收装置与窑外表面的换热面积；二是增加余热回收装置表面与窑外表面的温度差。

余热回收装置设计需考虑以下三方面因素：

（1）合理选择余热回收装置的位置。回转窑筒体较长，在水泥熟料的煅烧过程中，各段温度差别较大，设置余热回收装置的时候要充分考虑温度的影响。

（2）合理设计余热回收装置结构，以便于热交换的顺利进行，同时需考虑该装置的安装与维护方便。根据水泥回转窑筒体的特点，该装置的整体结构采用“O”形支撑结构和“C”形布置受热面较为合理，这样可使该装置的不同区域与筒体表面充分接近，有利于热辐射换热的顺利进行，同时在不影响窑筒体温度扫描的正常工作下，便于维修。

（3）保证出水温度控制在一定温度范围内，同时回转窑窑体的正常工作与维护不受影响。由于余热回收装置采用热辐射换热，为了保证换热效果，与回转窑筒体表面距离不能太远，同时考虑出水温度要控制在一定范围内。

3　余热回收装置介绍

目前，我公司设计了一种低成本、模块式水泥回转窑余热回收装置，用以回收高温筒体表面的辐射能。现将余热回收装置的原理及结构介绍如下：

在水泥回转窑筒体表面布置多组余热回收装置，以辐射换热为主回收窑筒体表面辐射能，余热回收装置内布置多排管路，以水为工质，通过热辐射换热方式吸收余热回收装置所获得的辐射能，根据需要产生热水或低压饱和蒸汽。

余热回收单元结构如图1所示，余热回收装置由翅片管紧密排列组成，两侧分别与集箱相连，集箱两端安装连接架，连接件通过螺栓、螺母与模块框架连接固定。

如图2所示，8块余热回收单元通过热压弯头、连接管相互连接，呈288°围绕回转窑筒体布置构成一组余热回收装置，通过单元连接加强板及内切圆钢板固定于支撑框架，通过堵板控制各余热回收单元间汽水流向。余热回收装置朝向回转窑筒体表面一侧涂装黑色高温耐热油漆，以增加表面吸收率，提高余热回收装置性能。背面采用保温绝缘热结构，保证吸收率。图3为我公司投入生产的余热回收装置实例。

余热回收装置特点：

（1）由水管、槽钢等标准件组成，结构简单，成本低廉。

（2）集热面为涂装黑色高温耐热油漆的水管表面，背侧采用玻璃棉保温，在保证集热效率的同时，适用于水泥生产的恶劣环境。

（3）由多组余热回收单元组成，模块化设计，可根据需要灵活布置。

（4）呈“C”形288°围绕回转窑筒体布置，预留72°开口便于回转窑筒体表面远红外温度检测，回收余热的同时不影响水泥生产。

余热回收计算：

以产能5 000t/d熟料生产线为例，回转窑筒体表面平均温度300℃，直径4.8m，每组余热回收单位长度3m，设环境温度20℃，根据筒体材料发射率0.8，可得环境辐射散热量约205 981W。

图1　余热回收单元结构示意图

图2　余热回收装置组装结构示意图

图3　余热回收装置实例照片

根据布置情况，角系数选择0.8，余热回收装置散热损失η1为5%，余热回收单元之间漏热损失η2为10%，每组余热回收装置可回收有效热量约140 067W。若以水为工质，当流量为11kg/s，则每组余热回收装置可产生3℃温升，实测数据与计算基本一致。

余热回收制冷供热计算：

根据上述计算，若布置长度为24m的余热回收装置，冬季可生产39.6t/h、70～95℃供暖热水，供热量约为1 148kW，采用供热负荷70W/m2，供热面积约为12 000m2，另有308kW的生活用热（食堂、洗浴等）；夏季可产生49.5t/h、80～100℃热水，采用单效热水型溴化锂机组，COP≈0.85，供冷量约为800kW，采用供冷负荷140W/m2，供冷面积约为6 000m2，另有308kW的生活用热（食堂、洗浴等）。综上所述，通过回转窑高温筒体表面余热回收装置回收余热并采用热水型溴化锂机组，可基本满足厂区部分办公建筑的全年冷热负荷及生活用热。

根据上述计算，供热节能量：采暖季11～4月，节约标煤610t；制冷节能量：供冷季5～10月，节约标煤520t。全年可节约标煤1 130t，节能效益近百万元。

余热回收发电量计算：

以产能5 000t/d水泥熟料生产线为例，在回转窑筒体表面布置余热回收装置13组，可产生2.5t/h、0.3MPa、133.5℃低压饱和蒸汽。用于ORC系统发电，其发电能力约200kW。

参考文献：

［1］周惠群.水泥煅烧技术及设备（回转窑篇）［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2006.11.

［2］卓宁，孙家庆.工程对流换热［M］.北京：机械工业出版社，1982.

中图分类号：TQ172.622.22

文献标识码：A

文章编号：1001-6171（2016）01-0052-02

通讯地址：中材节能股份有限公司，天津 300400；

收稿日期：2015-05-25； 编辑：孙 娟