水泥回轉(zhuǎn)窯筒體表面余熱回收供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

溫彩霞，張?jiān)品澹兑吮?，黃順源

1 工程概況

水泥熟料生產(chǎn)線的回轉(zhuǎn)窯筒體表面溫度非常高，一般情況下平均溫度＞300℃，靠近窯尾的一段表面溫度可達(dá)330℃～360℃。窯筒體表面熱量以輻射和對流的方式直接釋放到空氣中，產(chǎn)生能源浪費(fèi)及環(huán)境熱污染。通過在回轉(zhuǎn)窯筒體表面加裝熱回收裝置，可以將回轉(zhuǎn)窯的這部分熱能回收再利用，該裝置的長期使用可帶來良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

本項(xiàng)目是對一條2 500t/d的水泥窯筒體表面輻射熱進(jìn)行回收，回轉(zhuǎn)窯規(guī)格φ4m×60m。根據(jù)實(shí)際供暖需求設(shè)計(jì)的熱能回收裝置和供暖系統(tǒng)由四部分組成，即窯筒體取熱系統(tǒng)、熱量存儲(chǔ)和輸配系統(tǒng)、末端供暖系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。熱量回收及供暖系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 供暖系統(tǒng)分析及負(fù)荷計(jì)算

此次設(shè)計(jì)的供暖范圍包括項(xiàng)目所在地1km外的某小學(xué)（含教學(xué)樓、食堂、門衛(wèi)室及后勤辦公室）和當(dāng)?shù)卮逦瘯?huì)、衛(wèi)生所、村活動(dòng)中心，廠區(qū)內(nèi)綜合辦公室和中控室。

2.1 供暖面積

本項(xiàng)目涉及到的供暖建筑物及供暖面積等見表1。

2.2 供暖負(fù)荷

綜合供暖熱量指標(biāo)推薦值[1]、建筑物保溫情況以及實(shí)際需求，設(shè)計(jì)供暖端負(fù)荷如表2所示。

3 回轉(zhuǎn)窯輻射熱計(jì)算及換熱器（集熱器）設(shè)計(jì)

3.1 取熱量計(jì)算

可利用的輻射熱部分位于窯筒體25～41m之間，共計(jì)16m的范圍，取熱段表面溫度為320℃～360℃，安裝2個(gè)取熱換熱器（集熱器），安裝前后窯筒體情況如圖2、3所示。

由于供熱的學(xué)校位于廠區(qū)1km以外，管路熱損失按10%計(jì)算，同時(shí)考慮10%余量，則總的取熱量單個(gè)換熱器的集熱量為184.4÷2=92.2kW。

圖1 取熱和供熱系統(tǒng)原理圖

表1 供暖建筑及面積

表2 供暖建筑面積及設(shè)計(jì)負(fù)荷

圖2 安裝取熱器前窯筒體圖

3.2 換熱器（集熱器）設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目換熱器采用和窯筒體平行的弧形集熱器，集熱器罩在回轉(zhuǎn)窯筒體上部吸收筒體表面的輻射熱量，受熱介質(zhì)為循環(huán)水。

換熱器的換熱管采用G20鍋爐鋼管，外徑為φ 48mm，壁厚4mm，沿窯筒體長度方向蛇形排布。集熱管位于換熱器的兩端，根據(jù)集熱量及出水溫度、流動(dòng)阻力等設(shè)計(jì)取熱換熱器的流程。

窯筒體上換熱器的設(shè)計(jì)溫差為20℃，供、回水設(shè)計(jì)為70℃/50℃，則冷卻水流量為7.93m3/h。換熱器的內(nèi)部分為3個(gè)流程，兩個(gè)換熱器每個(gè)流程的流量為為：

圖3 安裝取熱器后窯筒體圖

因窯筒體一側(cè)水平直徑方向上裝有筒體掃描儀，所以換熱器按180°半包圍面設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)15°安裝。在半圓范圍內(nèi)，考慮焊接支管轉(zhuǎn)彎半徑等因素，共可排列63根換熱管。集熱器進(jìn)、出水集管位于換熱器兩側(cè)，管徑DN65，集熱器分3個(gè)流程。

集熱器嚴(yán)格按照壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)加工制作，并經(jīng)過嚴(yán)格的打壓試驗(yàn)，以保證在使用過程中不出現(xiàn)泄漏，換熱器（集熱器）設(shè)計(jì)見圖4。

3.3 輻射換熱量計(jì)算

窯筒體以輻射和對流的方式將熱量傳遞給集熱換熱器表面，通過導(dǎo)熱方式傳到管道內(nèi)壁，再以對流換熱方式將熱量傳遞給循環(huán)冷卻水。

單個(gè)換熱器（集熱器）長度為5m，被換熱器覆蓋的窯筒體表面積為27.9m2。換熱管外敷設(shè)巖棉板，近似絕熱表面。

窯筒體表面的輻射熱通過外保溫壁面的假想平面K-K才能到達(dá)外保溫壁面處，K-K平面可作為輻射面。因?yàn)楣荛L比管距s大很多，近似符合在一個(gè)方向上無限延伸的條件，所以可以把窯筒體和換熱器之間的輻射換熱方式簡化為圖5所示的模型。圖中e為管子中心距絕熱表面的距離。表面AD、AMB以及BCD構(gòu)成了3個(gè)非凹表面組成的封閉系統(tǒng)。角系數(shù)的簡化模型如圖6所示[2]。

圖4 換熱器

圖5 窯筒體和換熱管的簡化模型

窯筒體表面A1對換熱管表面AMB的角系數(shù)按式（1）計(jì)算，將d=48mm，s=112mm帶入計(jì)算，得到角系數(shù)的值。

根據(jù)輻射換熱的基本原理，兩個(gè)表面之間的輻射換熱為表面1到表面2的有效輻射與表面2到表面1的有效輻射之差，見式（2）。

圖6 換熱管角系數(shù)簡化模型

式中：

C0——黑體輻射系數(shù)，5.67W/（m2·K4）

ε1——回轉(zhuǎn)窯筒體表面的黑度

ε2——換熱管表面的黑度

T1——回轉(zhuǎn)窯筒體表面溫度，K

T2——換熱管的表面溫度，K

A1——取熱器覆蓋部分回轉(zhuǎn)窯的表面積，m2

A2——取熱器輻射面表面積，m2

常用物體的表面黑度見表3[2]，回轉(zhuǎn)窯筒體由鋼板焊接而成，表面黑度ε1取值0.8；換熱管材質(zhì)為鋼管，因表面生銹程度不同，其黑度值有較大的變化。為提高實(shí)際換熱器的吸熱量，換熱器焊接完成后表面刷涂高溫防銹漆，能在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高換熱器表面的輻射率。換熱器表面取不同的ε2值，集熱量會(huì)有所不同，將不同的ε2值帶入輻射換熱公式（2），分別計(jì)算得到換熱器的輻射換熱量見表4。

表3 常用材料的表面黑度

按表4計(jì)算，在窯筒體表面黑度ε1=0.8的情況下，5m長的取熱換熱器的換熱量基本在80～91kW之間，在表面溫度平均340℃條件下，基本可滿足本項(xiàng)目前述范圍的采暖負(fù)荷需求。

本項(xiàng)目中，窯筒體表面和換熱器之間也存在對流換熱，因?yàn)閹缀跏欠忾]空間，該值可作為取熱富余量，所以在此不做計(jì)算分析。

4 熱量存儲(chǔ)及輸配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 水箱及水泵系統(tǒng)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)有冷、熱兩個(gè)水箱，體積均為18m3，水箱采用雙面不銹鋼板的聚氨酯發(fā)泡保溫板制作，保溫厚度為50mm。冷水箱冷水通過取熱水泵加壓送入換熱器中吸收熱量，被加熱后回流到熱水箱中，熱水箱的熱水通過供熱水泵經(jīng)末端散熱器散熱后回流到冷水箱，冷熱水箱通過管道聯(lián)通。

供暖系統(tǒng)分兩路，一路為較遠(yuǎn)處的學(xué)校和村委會(huì)，一路為廠區(qū)內(nèi)的辦公室和中控室。學(xué)校距離儲(chǔ)熱水箱的管道總長度約1 500m，主管路采用預(yù)制保溫管沿路邊敷設(shè)，采用無補(bǔ)償直埋敷設(shè)方式，末端近建筑物處設(shè)分支管并設(shè)檢修井。廠區(qū)內(nèi)的供暖管網(wǎng)采用熱鍍鋅管加外保溫架空敷設(shè)，室內(nèi)部分采用PPR熱水管道。兩路供熱具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表5。

4.2 末端散熱器設(shè)計(jì)

末端散熱器采用柱式鋼制散熱器。根據(jù)建筑物實(shí)際情況，均采用窗下安裝，進(jìn)、出水采用異側(cè)下進(jìn)下出的接管方式。不同功能間散熱器配置見表6，表6中散熱器柱數(shù)已考慮各種修正系數(shù)。

5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證系統(tǒng)在設(shè)計(jì)參數(shù)內(nèi)安全運(yùn)行，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了集中控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包含管路水箱上溫度測量和顯示、取熱量放熱量計(jì)算實(shí)時(shí)顯示、取熱溫度自動(dòng)控制、補(bǔ)水自動(dòng)控制、防止窯筒體表面溫度過高的緊急補(bǔ)冷水放熱水控制以及各種故障報(bào)警功能。通過集中控制系統(tǒng)，可以顯示和記錄系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，為系統(tǒng)可視化、安全化運(yùn)行提供保障。

表4 不同ε2條件下，輻射換熱器集熱量

表5 供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

項(xiàng)目教室保健室實(shí)驗(yàn)室門衛(wèi)食堂中控室辦公室面積，m2 56 28 84 30 158 260 20材質(zhì)鋼制鋼制鋼制鋼制鋼制鋼制鋼制中心距，mm 600 600 600 600 600 600 600進(jìn)、出水方式下進(jìn)下出下進(jìn)下出下進(jìn)下出下進(jìn)下出下進(jìn)下出下進(jìn)下出下進(jìn)下出柱數(shù)64 32 96 30 168 108 24

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

本項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到施工完成只用了2個(gè)月時(shí)間，不僅滿足了項(xiàng)目進(jìn)度和學(xué)校供暖需求，而且創(chuàng)造了在不停窯的情況下，完成取熱器安裝的先例。供暖期間，整個(gè)取熱和供熱系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)基本在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)，供暖期學(xué)校教室內(nèi)的溫度和廠區(qū)辦公室溫度保持在20℃左右，完全達(dá)到了預(yù)期效果。原學(xué)校教室和辦公室采用電空調(diào)采暖，按空調(diào)制熱平均效率2、平均電費(fèi)0.6元/kWh計(jì)算，則每年可節(jié)省采暖費(fèi)用約15萬元。在非供暖期間，回收熱量可用于廠區(qū)低溫發(fā)電機(jī)組的鍋爐給水預(yù)熱。

采用該套余熱回收裝置后，可全年從窯筒體取熱，按窯實(shí)際年運(yùn)轉(zhuǎn)300d計(jì)算，每年可回收熱量190kW×24h×300d=1 368 000kWh，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤1 368 000/（7 000/860）=168 059kg，具有非常顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。