实现水泥熟料生产电网用电为零的技术途径

  在水泥生产过程中，能源的主要消耗为煤与电，分别反映为热耗与电耗两大类，其中热耗包括由原材料烘干（烘干热耗）、熟料煅烧消耗的热量（烧成热耗）和混合材烘干消耗的热量（混合材烘干热耗）组成，电耗包括由水泥生产过程中原燃料制备、熟料煅烧、水泥粉磨所消耗的电能（电耗）组成。因此实现水泥熟料生产电网用电为零是一项重要的节能课题。要实现这一目标，需要通过水泥熟料生产线节电措施和余热发电相结合来实现，本文主要论述如何通过余热发电来实现水泥熟料生产电网用电为零的途径。

  1．水泥行业余热发电的目标

  在水泥熟料热耗小于等于750Kcal/Kg、生料烘干废气温度小于等于180℃、原煤水份小于等于12%的条件下，实现水泥熟料生产电网用电为零；

  2．主要途径

  2.1 熟料生产线采用相关节电措施，做到熟料电耗小于等于52KWh（自粒度小于150mm的石灰石进厂，到熟料入库）。

  2.2 余热电站采取如下技术措施

  （1）余热电站采用第二代双压余热发电技术，即采用冷却机双取风，蒸汽参数采用相对高压、高温蒸汽参数。

  （2）冷却机采用全循环风技术。

  （3）采用窑尾路放风技术，放风率约为30%（相应的熟料热耗增加值不高于15.5Kcal/Kg）

  （4）采用窑筒体辐射热回收利用技术并用于发电。

  通过以上措施，可实现余热电站每吨熟料发电能力达到56KWh以上。下面就每项途径展开分别论述。

  3．第二代余热发电技术

  第二代余热发电热力系统的标志为：系统主蒸汽参数采用1.27～3.43MPa--340～435℃次中压中温参数。通常来讲，目前所采用的热力系统方案一般为（基本型）：系统主蒸汽参数采用1.27～2.29MPa--340～380℃次中压中温参数的补汽式方案，次中压中温蒸汽参数（蒸汽温度可调）、汽轮机两个进汽口的带补汽热力系统。

  采用第二代余热发电热力系统，余热电站每吨熟料发电能力可达到38～42KWh以上。以5800t/d水泥窑熟料生产线（熟料热耗730Kcal/Kg,,，窑尾预热器出口废气温度320℃，生料烘干所需废气温度190℃）的余热电站为例，热力系统详见图K01。

图K01（常规）5800t窑余热电站热力系统图

  4．冷却机全循环风

  4.1冷却机循环风原理

  通常情况下，冷却机冷却风为冷却机鼓风机直接抽取的大气，鼓风温度（冷却机冷却空气进气温度）为环境温度（设计计算一般取25℃）。冷却机排出的废气仍为空气，配置余热锅炉后，余热锅炉排出的废气与冷却机“低温区”直接排出的废气混合后进入冷却机废气收尘器，收尘器排出的废气经烟囱排入大气（废气温度一般为90℃~110℃、含尘浓度一般小于50mmg/Nm3）

  将冷却机废气收尘器排出的部分90℃~110℃--50mmg/Nm3废气（一般为总废气量的70%以上 ）再回入冷却机鼓风机入口取代部分环境空气（即：提高冷却机鼓风温度）

  通过冷却机全循环风系统，余热电站的发电量可增加12～15%。以5800t/d水泥熟料生产线（熟料热耗730Kcal/Kg,,，窑尾预热器出口废气温度320℃，生料烘干所需废气温度190℃）的余热电站为例，热力系统详见图K02。

图K02（循环风）5800t窑余热电站热力系统图

冷却机循环风系统实例图

冷却机循环风系统实例图

  4.2 采用循环风的范围

  由于冷却机高温区直接冷却高温熟料，为了保证熟料质量，高温区熟料需要急冷，因此，高温区不宜采用循环风。

  适于采用循环风的范围：冷却机的“次高温区”、“中温区”、“低温区”-----即冷却机产生用于发电的废气区域的循环风-----称为“冷却机全循环风”。

  4.3 冷却机采用全循环风时的注意事项

  （1）考虑冷却机结构强度，风室内传动装置、各类传感器等对温度达要求，冷却机鼓风温度一般不高于80℃（需将冷却机废气收尘器排出的90℃~110℃--50mmg/Nm3废气与部分环境空气混合至不高于80℃）。

  （2）冷却机鼓风机：需要更换冷却机鼓风机，更换范围为冷却机“次高温区”、“中温区”、“低温区”所对应的鼓风机，具体更换台数及更换后的风机参数需根据冷却机总图、篦板布置图及鼓风机配置图核算确定。

  （3）冷却机风室：需要考虑风室风温达到80℃左右（当窑头收尘器故障时也可能有粉尘）时，风室内传动装置、各类传感器等的适应性。

  4.4 冷却机采用全循环风后的废气参数变化

  （1）用于窑尾燃料燃烧的三次风参数不变。

  （2）用于窑头燃料燃烧的二次风参数不变。

  （3）冷却机排出的总废气温度提高40～50℃。

  （4）冷却机出料温度升高增加值不超过10℃。

  4.5 效果

  将未采用循环风前冷却机排入大气的90℃~110℃废气的70%以上回收并用于发电，在减少废气排放、减少大气污染的基础上，视冷却机、环境空气温度情况，余热发电能力可提高12%以上（或每吨熟料发电能力提高4.5KWh以上----环境空气温度越低，余热发电能力提高的幅度越大）。

  5．窑尾旁路放风

  5.1 旁路放风的定义

  将窑内产生的废气自窑尾烟室抽出部分，抽出的废气不再回入窑系统（包括分解炉、预热器、生料系统）的措施称为“旁路放风”。

  自窑尾烟室抽出的废气量与窑内产生的总废气量之比称为“旁路放风率”

  5.2 旁路放风的目的

  旁路放风的主要目的是通过放风将窑尾烟室含有浓度较高钾、钠、氯等废气和粉尘排出生产系统，实现烧成系统的稳定和正常运行，生产高品质的低碱水泥熟料，或者扩大低价原、燃料来源。

  而通过旁路放风系统排出的高温废气可通过余热回收系统生产蒸汽用于发电，增加余热电站的发电量。

  5.3 旁路放风对窑系统的影响

  根据放风率不同，采用窑尾旁路放风系统后，窑系统下列参数将发生变化：

  （1）分解炉内煤燃烧氧浓度有所提高；

  （2）二次风参数：风量增加、风温略有降低；

  （3）三次风参数：风量增加、风温略有降低；

  （4）分解炉需补充空气；

  （5）入冷却机熟料残碳量：由每Kg熟料7~10g降低为3~5g；

  （6）熟料热耗：有所增加。通常或理论计算来讲，旁路放风自窑尾烟室放出多少热量，窑尾分解炉即需补充多少热量（相应增加燃料喂入量），但根据已投产的多条旁路放风系统运行结果，当旁路放风率小于30%时，因旁路放风增加的窑系统燃料入量（熟料热耗）：不高于通常理论计算增加燃料喂入量的40%。

  5.4 旁路放风余热发电

  利用旁路放风系统排出的高温废气可通过余热回收系统生产蒸汽用于发电，增加余热电站的发电量，不同的放风率，发电值增加不同。以5800t/d水泥熟料生产线（熟料热耗730Kcal/Kg,,，窑尾预热器出口废气温度320℃，生料烘干所需废气温度190℃）余热电站为例，热力系统详见图K03。

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图K03（旁路放风）5800t窑余热电站热力系统图

窑尾旁路放风系统实例图

  5.5 旁路放风的效果

  （1）熟料强度及碱当量的变化：28天强度提高2MPa以上（3天强度降低2MPa以下），碱当量降低30%以上（在窑尾不放风时熟料碱当量大于1.0及入窑生料中氯离子大于0.01%的条件下）。

  （2）可利用低品位原燃料，或可扩大原燃料来源（降低燃料、原料成本）。

  （3）解决窑尾烟室、分解炉、预热器等结皮堵塞问题。

  （4）为利用水泥窑处理垃圾且不影响熟料产质量创造基本条件。

  （5）降低窑尾预热器废气SO2、NOx浓度及脱销运行成本。

  （6）提高余热电站发电能力：在旁路放风率为10%~30%时，发电能力可增加15%~35%（或每吨熟料发电能力增加4.5KWh~12.5KWh）。

  某熟料实际产量6300t/d水泥窑-30%旁路防风入窑生料及放风系统各点灰的化学成分见下表：

  5.4 存在的问题

  （1）由于旁路放风带出的灰量较大，且灰中钾、钠、氯等有害物浓度较高，因此，灰的处理方式需要根据各工厂实际情况确定。

  （2）目前灰的处理方式一般有几种：1）不考虑熟料降碱时将灰回入窑系统、2）将灰作为混凝土基材、3）将灰作为道路基材、4）制砖。

  （3）旁路放风投入后为了实现设计目标，窑系统操作方式需要在本公司指导下进行适当调整。

  （4）旁路放风放出的废气中氮氧化物、SO2浓度较高（一般高于排放标准），因此，一般需要为旁路放风废气单独设置脱硫、脱销装置（通常情况下，旁路放风脱硫、脱销装置投运后，窑尾预热器排出的废气之脱硫、脱销装置可以停运----需根据旁路放风率、各工厂实际情况确定）

  6．窑筒体辐射热回收利用

  回转窑筒体外表面温度大部分介于250-380℃之间，每平方米筒体外表面每小时总辐射热损失在2500~8200Kcal左右。由于窑筒体处于悬空旋转且前后窜动状态、表面温度相对较低且必须不影响窑的生产、检修及筒体温度检测，因此回收窑筒体外表面热损失技术难度较大。

  我公司为了回收窑筒体辐射热，自2005年起进行了大量的实验研究，从初期的只能生产热水（用于生活用热、冬季供暖、夏季空调），到可以生产蒸汽并用于发电，先后用了近10年时间，期间积累了丰富的设计、制造、安装、运行维护窑筒体辐射热回收装置（系统）经验，达到了“回收窑筒体辐射热并用于发电”的目的。

  根据我公司经验，利用水泥窑散热带、烧成带、过渡带、加热带等辐射热，可生产的蒸汽参数为：压力0.2~0.4MPa、饱和温度~180℃；根据水泥窑的规格及可设置辐射热回收装置的部位，生产的蒸汽量在1.5t/h~4.0t/h，发电能力在100~370KW。

窑筒体辐射热回收装置实例图（实验装置，生产热水）

窑筒体辐射热回收装置实例图（蒸汽）

  7．综合说明

  水泥熟料生产如采用以上措施，可完全实现水泥熟料生产电网用电为零的目标。

  以5800t/d水泥熟料生产线（熟料热耗730Kcal/Kg,,，窑尾预热器出口废气温度320℃，生料烘干所需废气温度190℃）余热电站为例，热力系统详见图K04、K05。

图K04（旁路放风+循环风）5800t窑余热电站热力系统图

图K05（旁路放风+循环风+窑筒体）5800t窑余热电站热力系统图