水泥窑余热发电系统余风再循环技术分析

刘亚雷，杨宏宜（南京凯盛开能环保能源有限公司，江苏 南京 210019）

0 前言

篦冷机作为水泥新型干法工艺中的重要设备，既冷却了来自水泥窑的高温熟料，又为回转窑及分解炉中煤粉燃烧提供二次风和三次风，同时还为窑头余热锅炉提供热废气，因此篦冷机直接影响水泥烧成系统的性能，还会对水泥窑余热发电系统的性能有重要影响。尤其是六级预热器的使用导致窑尾余热资源越来越少，使水泥窑余热发电系统的性能越来越受制于篦冷机中部的余热资源。余风再循环技术通过提高冷却空气温度，提高AQC锅炉取风温度及余热发电功率，优化篦冷机的余热资源。本文通过对水泥窑余热发电系统余风再循环技术进行分析，为后续余热发电技术发展提供参考。

1 余风再循环工艺流程

所谓余风再循环就是将窑头风机所排90～110 ℃热废气通过管道引入篦冷机中部进行二次利用，一是可以减少窑头热风外排形成的热污染，二是提高进入篦冷中部的冷却空气温度，可以提高AQC锅炉入口废气温度及余热发电量，工艺流程见图1。

图1 余风再循环工艺流程图

2 篦冷机换热及阻力计算模型

篦冷机内的换热过程主要是冷却空气穿过水平运动的熟料层形成的错流换热，同时熟料在篦床上运动相对缓慢，因此可将熟料与冷却空气之间的换热简化为固定床换热，并将熟料气固换热划分成众多的换热单元进行分析[1]，换热单元热平衡见图2。

图2 换热单元热平衡示意图

（1）换热单元的热平衡方程式。

式中：qs为换热单元熟料放热量，kW；qg—换热单元冷却空气吸热量，kW；q0—换热单元散热量，kW。

换热单元熟料放热量：

换热单元冷却空气吸热量：

在式（2）～（4）中：Cs为熟料比热，kJ/（kg·℃）；ms为熟料质量流量，kJ/s；Cg为冷却空气比热，kJ/（m3·℃）；Vg为标况下冷却空气体积流量，m3/s；ϕ为散热系数，取0.02；Ts1为入口熟料温度，℃；Ts2为出口熟料温度，℃；Tg1为入口冷却空气温度，℃；Tg2为出口冷却空气温度，℃。

（2）熟料与冷却空气间的对流换热。篦冷机内熟料与冷却空气间的换热主要是通过对流换热进行的，其气固对流换热量可用下式计算[1]：

式中：qcon为熟料与冷却空气换热量，kW；α为气固间综合换热系数，W/（m2·K）；S为单位体积的有效表面积，m2/m3；ΔT为换热单元内固气间平均温差，K；ΔV为换热单元体积，m3。

由文献[2]可知，气固间综合换热系数：

单位体积的有效表面积：

换热单元内固气间平均温差：

在式（6）～（8）中：d为熟料颗粒粒径，m；ϕ为颗粒形状校正系数，通常圆柱状1/5、圆球状1/4、平板状1/3；x为颗粒透热深度，用其半径坐标表示，m；λs为熟料导热系数，W/(m ⋅℃ )；λg为冷却空气导热系数，W/(m ⋅℃ )；Pr为普朗特数；Re为雷诺数；ε为熟料层孔隙率。

（3）篦冷机料床阻力计算。冷却空气冷却熟料时，篦冷机料床总阻力为篦板及熟料层的阻力，即：

·检查燃烧炉加热温度稳定控制在980℃左右，使用便携式测温仪测量炉温并校准。检查燃烧管无开裂情况，燃烧管内的加热陶瓷颗粒无损耗脱落情况。

式中：ΔP为篦冷机料床总阻力，Pa；ΔP1为篦板阻力，Pa；ΔP2为料层阻力，Pa。

根据文献[1]可知，篦床及熟料层阻力：

式中：ξ为篦板阻力修正系数，ξ=1.25[1]；v为篦板通过风速，m/s；ρ为冷却空气密度，kg/m3；A为熟料层阻力修正系数，A=2.16[1]；u为冷却空气篦下风速，m/s；H为熟料床层高度，mm。

3 案例分析

本文以某12 000 t/d熟料生产线为例进行分析研究，余热发电系统参数：窑头AQC锅炉设计取风（标况下，以下同）353 373 m3/h，风温390.9℃；窑尾SP锅炉设计烟气量680 000 m3/h，风温255℃，设计计算发电功率为12 316 kW；篦冷机冷却采用的环境空气温度为30℃，熟料与空气的物性参数如下：

熟料定压比热容[3]：

冷却空气定压比热容[3]：

熟料导热系数[4]：

将篦冷机以风室为单位分为多个气固换热单元，并联立方程（1）（2）（3）（5）进行求解。

图3～5分别显示了AQC锅炉取风温度、余热发电功率、出篦冷机熟料温度、篦冷机余风温度、篦冷机冷却空气阻力及风机功率随篦冷机中部冷却空气温度的变化关系。

图3 AQC锅炉取风温度及余热发电功率随冷却空气温度变化关系

图4 出篦冷机熟料温度及篦冷机余风温度随冷却空气温度变化关系

图5 篦冷机冷却空气阻力及风机功率随冷却空气温度变化关系

由图3所示，随着冷却空气温度的升高，AQC锅炉取风温度及余热发电功率都增加。当冷却空气温度由30℃升至110℃，AQC锅炉取风温度由390.9℃升至421.8℃，其温升约为冷却空气温升的38.6%；余热发电功率由12 316 kW升至13 546 kW，发电功率提升了约9.98%。

由图4所示，随着冷却空气温度的升高，出篦冷机熟料温度及篦冷机余风温度都升高。当冷却空气温度由30℃升至110℃，出篦冷机熟料温度由81.8℃升至103.4℃，升高了约21.6℃，比初始熟料温度提高了约26.4%；余风温度由136.4℃升至167.8℃，升高了约31.4℃。因此，随着冷却空气温度的升高，虽然AQC锅炉取风温度及余热发电量都增加了，给企业带来了一定的收益，但是也会导致出篦冷机熟料温度的升高，从而影响篦冷机的冷却效果；而篦冷机余风温度的升高势必也会增加窑头风机的功耗。

由图5所示，随着冷却空气温度的升高，冷却空气阻力及冷却风机功率也会增加，这进一步削弱余热发电增加的收益。当冷却空气温度由30℃升至110℃，冷却空气阻力由3 868 Pa升至6 719 Pa，其阻力升高了约59.7%；冷却风机功率由602 kW升至1 215 kW，风机功耗提升了约1倍。因此，随着冷却空气温度的升高，虽然余热发电功率增加了1 230 kW，但是冷却风机功耗也增加了613 kW，即余热发电实际收益只有617 kW。

4 结论

本文以风室为单位将篦冷机分为多个气固换热单元，并根据热平衡原理，建立了分析篦冷机余风再循环效果的计算模型，分析了余风再循环系统运行时，水泥窑余热发电系统及篦冷机相关运行指标，得出如下结论：

（1）随着篦冷机中部冷却空气温度的升高，AQC锅炉取风温度及余热发电功率都会增加。当冷却空气温度由30℃升至110℃，AQC锅炉取风温度升高了30.9℃，余热发电功率约提升9.98%。

（2）随着篦冷机中部冷却空气温度的升高，出篦冷机熟料温度、篦冷机余风温度、冷却空气阻力以及风机功率都会升高。虽然冷却空气温度的升高，提高了余热发电量，给企业带来了一定的收益，但是也影响了篦冷机冷却效果，导致出篦冷机熟料温度升高；另外篦冷机余风温度的升高导致窑头风机功耗升高，以及冷却风机功率的增加，都会进一步影响余热发电增加的收益。