水泥窯工藝操作對余熱發(fā)電效率的影響

魏振洋，趙鋒

水泥窯系統(tǒng)風(fēng)、煤、料等工藝操作對余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率有很大影響，為有效提升余熱發(fā)電負荷率，降低水泥生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益，本文現(xiàn)就此問題與各位同仁進行探討。

1 水泥窯用風(fēng)對余熱發(fā)電的影響

水泥熟料煅燒所用風(fēng)分別為一次風(fēng)、二次風(fēng)和三次風(fēng)，一次風(fēng)來源于一次風(fēng)機和煤粉輸送用風(fēng)，主要作用是將煤粉吹送入窯內(nèi)，形成良好的火焰形狀，一次風(fēng)入窯前溫度與環(huán)境溫度相同；二、三次風(fēng)均來源于篦冷機冷卻熟料后的熱風(fēng)，溫度約800℃～1 250℃。一、二、三次風(fēng)的風(fēng)量之和構(gòu)成了窯系統(tǒng)及余熱發(fā)電所需的風(fēng)量，其配置受熟料燒成系統(tǒng)風(fēng)、煤、料的影響。三種風(fēng)的風(fēng)量配比變化，會影響進入窯頭AQC和窯尾SP鍋爐的風(fēng)量，進而影響余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電負荷。

2 水泥窯與余熱發(fā)電協(xié)同操作的要點及調(diào)整實例

2.1 協(xié)同操作要點

（1）合理控制熟料結(jié)粒狀態(tài)，提高系統(tǒng)風(fēng)溫。

熟料結(jié)粒過大，會降低窯頭余熱發(fā)電鍋爐廢氣溫度，影響余熱發(fā)電效率。通過調(diào)整火焰溫度和長度等，控制好熟料結(jié)粒狀態(tài)，有利于提高余熱風(fēng)溫。

（2）合理控制窯頭風(fēng)、煤配比，提高余熱發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)量。

風(fēng)煤配合比過大，在用風(fēng)量過大的工況下，窯頭加大給煤量會提高燃燒溫度。用煤量不變時，窯頭用風(fēng)量過大會造成火焰形狀變長，燃燒溫度下降。用風(fēng)量不變時，給煤量過大會降低火焰溫度。在操作中，應(yīng)密切關(guān)注系統(tǒng)過?？諝庀禂?shù)或煙氣含氧量、CO含量，合理配置風(fēng)、煤、料三者比例，在滿足窯系統(tǒng)煅燒用風(fēng)的情況下，盡可能多地將熱風(fēng)送入余熱發(fā)電系統(tǒng)。

（3）合理控制二次風(fēng)（入窯風(fēng)）和三次風(fēng)配合比，保證系統(tǒng)發(fā)電能力及安全運行。

在總風(fēng)量一定的情況下，入窯風(fēng)量、入分解爐風(fēng)量、入窯頭鍋爐風(fēng)量相互制約。入分解爐風(fēng)量過大，影響窯頭燃燒及溫度，并直接與窯頭鍋爐競爭風(fēng)量，共同對余熱發(fā)電造成影響。二、三次風(fēng)比例通過三次風(fēng)閥進行調(diào)節(jié)，在一定工況下，余熱發(fā)電風(fēng)量比例升高，可以降低分解爐的燃燒溫度。同樣，在溫度相同的情況下，二次風(fēng)（窯風(fēng)）比例升高也可降低分解爐燃燒溫度。通過風(fēng)量及熱平衡計算可知，當(dāng)二、三次風(fēng)用量較大時，進入AQC鍋爐的廢氣溫度及風(fēng)量明顯下降，從而對AQC鍋爐取熱造成較大影響（從260℃窯頭鍋爐解列溫度到400℃左右的高溫），進而影響余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力和安全運行。對于窯尾鍋爐來講，窯系統(tǒng)根據(jù)投料量大小、C1出口O2含量和出口溫度確定窯尾風(fēng)量大小，操作調(diào)整空間不大，暫不作討論。

2.2 水泥窯與余熱發(fā)電用風(fēng)匹配調(diào)整實例

某公司未調(diào)整二、三次風(fēng)比例前，熟料煤耗120kg/t，熟料28d抗壓強度56.3MPa，分解爐溫度920℃，分解率95%，窯尾拉風(fēng)偏大，一級預(yù)熱器出口廢氣溫度345℃，出口負壓7 500Pa；受窯內(nèi)通風(fēng)影響，窯內(nèi)還原氣氛加重，出現(xiàn)黃心料；窯內(nèi)用風(fēng)與AQC鍋爐出現(xiàn)“爭風(fēng)”現(xiàn)象，入窯二次風(fēng)溫下降；為保證出窯熟料合格，加大了窯頭喂煤量，進而引發(fā)了一系列協(xié)同操作問題。針對上述問題，采取了以下調(diào)整措施：

3.全面性原則。綜合素質(zhì)測評要全面反映習(xí)近平總書記提出的要求，能夠從多個方面、多個層次和多個角度深入刻畫學(xué)生的綜合素質(zhì)狀態(tài)。全面性要求詳細刻畫學(xué)生的德育、體育和專業(yè)能力，指標(biāo)并不是越多越好，而是要客觀描述學(xué)生綜合素質(zhì)的靜態(tài)和動態(tài)特征。

（1）控制窯尾預(yù)熱器出口的溫度及壓力，將出預(yù)熱器氣體溫度控制在330℃，出口壓強控制在6 300kPa，避免窯尾拉風(fēng)過大，分解率控制在90%～94%。

（2）改變窯頭、窯尾用煤比例，窯尾煤的比例由原來的64%降為60%，窯頭煤的比例由原來的36%增加到40%。

（3）調(diào)整三次風(fēng)閥，三次風(fēng)閥開度由35%調(diào)整至30%，分解爐溫度控制在880℃～900℃，合理分配二、三次風(fēng)的用量，加大篦冷機風(fēng)量，以滿足窯系統(tǒng)及余熱發(fā)電用風(fēng)要求。

通過對窯內(nèi)用風(fēng)與余熱發(fā)電用風(fēng)進行匹配操作，穩(wěn)定了熱工制度，解決了余熱發(fā)電系統(tǒng)用風(fēng)與窯內(nèi)用風(fēng)“爭風(fēng)”問題，改善了窯內(nèi)氣氛，熟料28d抗壓強度達到57.53MPa，煤耗降低至115kg/t，余熱發(fā)電平均負荷由4 500kW/h提高到6 400kW/h。

3 窯頭鍋爐廢氣溫度的影響因素及優(yōu)化調(diào)整措施

3.1 窯頭鍋爐廢氣溫度的影響因素

（1）窯頭用燃料比例過大及熟料結(jié)粒對窯頭鍋爐廢氣溫度的影響

進入窯頭余熱發(fā)電鍋爐的熱風(fēng)，是篦冷機通過鼓風(fēng)機鼓入的冷空氣與熟料進行熱交換后產(chǎn)生的熱風(fēng)。一般出窯熟料的溫度比較穩(wěn)定，理論上窯頭用燃料比例和余熱發(fā)電沒有關(guān)聯(lián)，而實際上窯頭取熱對余熱發(fā)電系統(tǒng)的影響比窯尾取熱對余熱發(fā)電系統(tǒng)的影響大得多，是影響窯頭鍋爐風(fēng)溫及發(fā)電負荷的主要因素。在熟料成分不變的條件下，結(jié)粒偏大的熟料大多在窯頭燃料占比份額較大或溫度過高情況下形成。因此，在燒成總熱耗不變的情況下，窯頭燃料比例升高，二次風(fēng)溫偏低，不利于余熱發(fā)電能力的提高。

（2）熟料粒度對窯頭鍋爐廢氣溫度的影響

在窯產(chǎn)量正常、用風(fēng)量匹配的情況下，窯頭余熱發(fā)電鍋爐的發(fā)電量主要取決于篦冷機的冷卻效果。篦冷機冷卻效果受熟料結(jié)粒粒徑的影響，對流傳熱與傳熱面積成正比，熟料傳熱面積和粒徑成反比，傳熱能力和粒徑成反比。在冷卻過程中，熟料還存在從熟料顆粒中心向顆粒表面?zhèn)鲗?dǎo)傳熱的過程，而熟料熱傳導(dǎo)系數(shù)很低，粒徑大造成傳導(dǎo)傳熱速率降低。在上述因素影響下，冷卻過程中，粗大顆粒熟料的溫度場分布很快進入并維持在“黑皮紅心”狀態(tài)，直至進入破碎機。有資料顯示，粒徑＞100mm的熟料顆粒在任何篦式冷卻機篦床上冷卻＜20min，均未達到設(shè)計要求的被冷卻溫度；冷卻30min時，粒徑20～30mm熟料顆粒平均溫度40℃，＞100mm的熟料顆粒平均溫度為320℃，＞150mm的熟料顆粒平均溫度790℃，＞250mm的熟料顆粒平均溫度980℃。由以上分析可見，熟料粒度對篦冷機冷卻效果和余熱發(fā)電窯頭鍋爐廢氣溫度的影響。

（3）篦冷機對窯頭鍋爐廢氣溫度的影響

篦冷機是燒成系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，其主要任務(wù)是冷卻熟料和回收熱能，為窯系統(tǒng)二、三次風(fēng)提供熱交換場所，對高溫區(qū)段出窯熟料（1 350℃左右）進行驟冷，以阻止二次游離氧化鈣的生成，改善熟料性能和提高易磨性。出篦冷機的熟料溫度要求為65℃＋環(huán)境溫度。

在推動式篦冷機中，熟料在篦床上的冷卻過程可劃分為高、中、低溫三個區(qū)段。高溫區(qū)主要實現(xiàn)對出窯熟料的驟冷并提高入窯和入分解爐的二、三次風(fēng)風(fēng)溫；中溫區(qū)為熱回收區(qū)；低溫區(qū)實現(xiàn)對熟料的進一步冷卻，降低出篦冷機的熟料溫度。熟料在從回轉(zhuǎn)窯進入篦冷機的過程中，細顆粒熟料由于體積較小呈現(xiàn)自由落體運動狀態(tài)，粗顆粒物料呈拋物線運動狀態(tài)，并落在與細顆粒物料相反的區(qū)域。由于物料顆粒的離析，篦冷機篦床與窯旋向一致側(cè)為粗顆粒物料，另一側(cè)為細顆粒物料。在相同風(fēng)量的作用下，出現(xiàn)兩種情況：一是當(dāng)粗顆粒物料區(qū)域風(fēng)量達到熱交換平衡和冷卻效果的情況下，細顆粒物料區(qū)域風(fēng)量明顯不足，細顆粒物料得不到足夠的冷卻，熱交換不完全；二是當(dāng)細顆粒物料區(qū)域風(fēng)量達到熱交換平衡和冷卻效果的情況下，粗顆粒物料區(qū)域冷卻風(fēng)量過剩，部分冷風(fēng)摻入，鍋爐取風(fēng)口溫度降低。

3.2 優(yōu)化調(diào)整措施

余熱發(fā)電AQC鍋爐只能使用溫度高于200℃～250℃熱風(fēng)，＞200℃時，傳熱能力和溫度成正比，＜200℃時，熱風(fēng)向鍋爐傳熱能力快速下降。在相同冷卻效果情況下，篦冷機中后部配風(fēng)比例不同，AQC鍋爐進風(fēng)溫度不同，發(fā)電量也因此不同；在風(fēng)溫低時，應(yīng)減少篦冷機后部進風(fēng)量，必要時減少窯頭排風(fēng)機負壓，可以收到較好的結(jié)果。

（1）第三代篦冷機的優(yōu)化操作

在第三代篦冷機的分段式篦床操作中，可適當(dāng)加快一段篦床篦速，適當(dāng)后延紅料區(qū)；在二段采用較厚料層操作，延長熟料在中溫段停留時間，使一部分熟料延至中溫區(qū)進行冷卻，提高AQC鍋爐的進風(fēng)溫度和風(fēng)量。由于篦床運行速度加快，高溫區(qū)紅料后延，應(yīng)優(yōu)化篦冷機配風(fēng)，加大高溫區(qū)和中溫區(qū)冷卻風(fēng)機轉(zhuǎn)速，保證熟料的冷卻效果及中溫段換熱效果。低溫區(qū)風(fēng)機轉(zhuǎn)速可視情況進行調(diào)整。

（2）第四代篦冷機的優(yōu)化操作

由于第四代篦冷機篦床以整體推動方式運行，在穩(wěn)定二次風(fēng)溫的基礎(chǔ)上，調(diào)整篦冷機篦床的運行速度，保持高溫段風(fēng)機在不吹透熟料層的原則下盡量高速運行；中溫段用風(fēng)的調(diào)整，應(yīng)盡量提高AQC鍋爐取風(fēng)段風(fēng)溫，以使AQC鍋爐獲得最優(yōu)的熱回收效率；低溫段可根據(jù)總體冷卻效果調(diào)整風(fēng)機。當(dāng)AQC鍋爐溫度較低時，可打開窯頭旁路閥，排出部分低溫段風(fēng)量，提高AQC鍋爐進口廢氣溫度。

3.3 優(yōu)化調(diào)整實例

某公司一條4 200t/d水泥熟料生產(chǎn)線，配套一臺窯頭鍋爐，設(shè)計蒸汽額定蒸發(fā)量17t/h，進口煙氣溫度390℃；一臺窯尾鍋爐，設(shè)計蒸汽額定蒸發(fā)量17.7t/h，入口廢氣溫度320℃；配套7.5MW凝汽式汽輪發(fā)電機組，設(shè)計發(fā)電能力6 000kW/h。篦冷機型號為TCFC404750，風(fēng)機配置見表1。篦冷機用風(fēng)調(diào)整前后情況見表2。

表1 篦冷機風(fēng)機配置表

表2 篦冷機風(fēng)機調(diào)整前后參數(shù)比較

窯系統(tǒng)風(fēng)機參數(shù)調(diào)整前，高溫區(qū)風(fēng)量占總風(fēng)量的27.4%（F1、F2）、中溫區(qū)占比43.6%（F3、F4、F5）、低溫區(qū)占比28%（F6、F7）左右。篦冷機高溫區(qū)、中溫區(qū)風(fēng)量偏小，不利于熱交換和余熱發(fā)電系統(tǒng)的熱回收。高溫風(fēng)機拉風(fēng)偏大，篦冷機后幾臺風(fēng)機用風(fēng)較大，高溫區(qū)和中溫區(qū)風(fēng)機未達到高負荷，使得入AQC鍋爐整體風(fēng)溫過低，入窯頭鍋爐熱風(fēng)溫度偏低。窯頭鍋爐風(fēng)溫平均320℃～330℃，負壓-（450～550Pa），窯頭排風(fēng)機轉(zhuǎn)速580r/min左右，高溫風(fēng)機轉(zhuǎn)速825r/min左右，窯尾鍋爐進口負壓-5 900Pa，發(fā)電負荷4 900～5 000kW/h。

窯系統(tǒng)風(fēng)機參數(shù)調(diào)整后，窯頭鍋爐風(fēng)溫平均350℃～360℃，負壓-（750～850Pa），窯頭排風(fēng)機轉(zhuǎn)速650r/min左右，高溫風(fēng)機轉(zhuǎn)速800r/min左右，窯尾鍋爐進口負壓-5 300Pa，發(fā)電負荷5 200～5 400kW/h。

4 結(jié)語

水泥窯與余熱發(fā)電協(xié)調(diào)操作時，回轉(zhuǎn)窯的操作既要考慮窯系統(tǒng)煅燒及熱工制度穩(wěn)定，又要考慮在保證窯系統(tǒng)用風(fēng)的情況下，盡可能多地向余熱發(fā)電鍋爐輸送熱風(fēng)。這需要不斷地摸索調(diào)整優(yōu)化，以達到窯系統(tǒng)熟料生產(chǎn)參數(shù)最優(yōu)，余熱發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)最優(yōu)的目的。