篦冷機余熱作礦渣烘干熱源的設(shè)計與改造

□□ 孔慶亮 (山西中條山新型建材有限公司，山西 臨汾 043400)

引言

山西中條山新型建材有限公司現(xiàn)有一條2 500 t·d-1新型干法水泥熟料生產(chǎn)線，配套一臺3.0 MW汽輪發(fā)電機組。該企業(yè)水泥粉磨生產(chǎn)線采用烘干后的礦渣與熟料、石膏和混合材共粉磨來生產(chǎn)水泥，所用的水泥磨為一臺Φ3.8 m×13 m閉路管磨機。

按照《重污染天氣重點行業(yè)應(yīng)急減排措施制定技術(shù)指南(水泥行業(yè))》中B級企業(yè)環(huán)保要求，采用獨立熱源的烘干機排放濃度限值：顆粒物<10 mg·m-3，SO2<50 mg·m-3，NOx<150 mg·m-3。中條山新型建材有限公司礦渣烘干機熱風爐以煤矸石作為燃料，屬于獨立熱源，無在線監(jiān)測系統(tǒng)，對烘干機排出的廢氣進行現(xiàn)場實測，測得烘干機顆粒物排放濃度為9 mg·m-3(標況)，SO2為20～30 mg·m-3(標況)；NOx為250 mg·m-3(標況)。其中，NOx排放濃度超出規(guī)范要求，因而對烘干機熱風爐進行改造，以降低NOx排放量，從而達到環(huán)保要求。

1 工藝設(shè)計

1.1 設(shè)計內(nèi)容

該項目是對烘干機熱風爐獨立熱源進行改造，工藝設(shè)計內(nèi)容包括計算礦渣烘干耗熱量、煙氣量、煙氣含熱量、煙道直徑、煙道阻力，以此為依據(jù)進行煙道尺寸設(shè)計和高溫風機的選型。

1.2 工程設(shè)計依據(jù)

主要依據(jù)為GB 50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》、GB 4915—2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》及生態(tài)環(huán)境部《關(guān)于印發(fā)<重污染天氣重點行業(yè)應(yīng)急減排措施制定技術(shù)指南(2020年修訂版)>的函》(環(huán)辦大氣函〔2020〕340號)文件。

1.3 方案設(shè)計

窯頭煙氣余熱利用工藝流程：篦冷機→煙道→沉降室→煙道→回轉(zhuǎn)窯窯頭余熱鍋爐→電袋復合收塵器→風機→排氣筒。

借鑒水泥行業(yè)有關(guān)經(jīng)驗，綜合考慮各種因素，設(shè)計擬從沉降室至回轉(zhuǎn)窯窯頭余熱鍋爐段煙道上取部分熱風，利用該熱風余熱對水泥磨礦渣進行烘干。工藝參數(shù)計算如下。

1.3.1礦渣烘干耗熱量的計算

運行參數(shù)：水泥磨正常運行時，礦渣用量為25 t·h-1，需要烘干機每班工作3.3 h，礦渣平均烘干量為70 t·h-1。入爐前礦渣含水率為11%，溫度為5 ℃；烘干后礦渣含水率為1.5%，溫度為38 ℃。礦渣烘干過程所需熱量Q總包括三部分：物料耗熱量、水分耗熱量、水分蒸發(fā)耗熱量，考慮到熱損失，Q總=1.15×(物料耗熱量+水分耗熱量+水分蒸發(fā)耗熱量)。

(1)物料耗熱量計算

物料耗熱量按式(1)計算：

Q物=m料·C料·(tr-tl)/3 600

(1)

式中：m料——烘干機運行1 h可烘干干礦渣的質(zhì)量，即入爐前礦渣中除去水分外的物料量，計算結(jié)果為70×103×(1-11%)=62.3×103kg；

C料——礦渣定壓比熱，0.67 kJ·kg-1·℃-1；

tr——熱物料溫度，38 ℃；

tl——冷物料溫度，5 ℃。

計算結(jié)果：Q物=62.3×103×0.67×(38-5)/3 600=382 kW。

(2)水分耗熱量計算

水分耗熱量按式(2)計算：

Q水=m水·C水·(tr-tl)/3 600

(2)

式中：m水——烘干過程中一直殘留在礦渣中的水分質(zhì)量，計算結(jié)果為70×103×1.5%=1.05×103kg；

C水——水定壓比熱，4.2 kJ·kg-1·℃-1。

計算結(jié)果：Q物=1.05×103×4.2×(38-5)/3 600=40 kW。

(3)水分蒸發(fā)耗熱量

烘干過程中，蒸發(fā)掉的水分耗熱量按式(3)計算：

Q蒸發(fā)水=m蒸發(fā)水·(ig-ii)/3 600

(3)

式中：m蒸發(fā)水——蒸發(fā)水的質(zhì)量，70×103×(11%-1.5%)=6.65×103kg；

ig——5 ℃熱水焓值，20.94 kJ·kg-1；

ii——飽和水蒸汽焓值，2 573.49 kJ·kg-1；

計算結(jié)果：Q蒸發(fā)水=6.65×103×(2 573.49-20.94)/3 600=4 715 kW。

綜上，可得礦渣烘干耗熱量Q總=1.15×(382+40+4 715)=5 907.55 kW。

1.3.2煙氣量的確定

烘干機所需熱風取自沉降室至窯頭余熱鍋爐段煙道，余熱鍋爐中，煙氣量為60 000～90 000 m3·h-1(工況)，煙氣溫度為400 ℃，阻力為600 Pa。

送風段工藝流程：烘干機→布袋除塵器→風機→排氣筒。

原烘干機煙氣量為105 000 m3·h-1(工況)，配用風機風量為110 000 m3·h-1(工況)，風壓為3 500 Pa，風機功率為160 kW。

根據(jù)用風量平衡可知，烘干機進風量<烘干磨布袋除塵器排風量(配用風機風量)110 000 m3·h-1(工況)，并參照窯頭余熱鍋爐參數(shù)，確定煙氣量為80 000 m3·h-1(工況)，煙氣溫度為400 ℃。

1.3.3煙氣含熱量計算

煙氣含熱量按式(4)計算：

Q煙=m煙·C煙·(tr-tl)/3 600

(4)

式中：m煙——煙氣的質(zhì)量，煙氣密度為0.508 kg·m-3，煙氣量為80 000 m3·h-1(工況)，計算得m煙=ρ×V=80 000×0.508=40.64×103kg；

C煙——煙氣的定壓比熱，1 kJ·kg-1·℃-1；

tr——煙氣初始溫度，400 ℃；

tl——煙氣終至溫度，100 ℃。

計算結(jié)果：Q煙=40.64×103×1×(400-100)/3 600=3 386 kW。

1.3.4煙道直徑的確定

煙道直徑根據(jù)式(5)計算來確定。

(5)

式中：D——煙道直徑，m；

Q——煙氣量，80 000 m3·h-1(工況)；

V——煙氣流速，煙氣設(shè)計流速為12～18 m·s-1，考慮煙道積灰等因素，取15 m·s-1。

由式(5)計算得D為1.37 m。

確定煙道直徑為Φ1 500 mm，厚為8 mm，材質(zhì)內(nèi)砌筑高溫耐磨澆注料鋼制煙道。高溫煙道采用100 mm厚的巖棉進行保溫，保護層采用0.5 mm鍍鋅鐵皮。

1.3.5煙道阻力的設(shè)計

煙道總阻力=煙道摩擦阻力+煙道局部阻力。其中，煙道摩擦阻力按式(6)計算：

(6)

式中：RL——煙道摩擦阻力，Pa；

λ——沿程摩擦阻力系數(shù)，有耐火襯的鋼制煙道取0.02；

d——煙道直徑，1.5 m；

ρ——煙氣密度，煙氣溫度400 ℃時，密度為0.508 kg·m-3；

v——煙氣流速，15 m·s-1。

L——煙道長度，從篦冷機沉降室出口煙管至烘干磨煙道總長為90 m。

計算得煙道摩擦阻力RL=68.6 Pa。

煙道局部阻力按式(7)計算：

(7)

式中：RZ——煙道局部阻力，Pa；

ξ——局部阻力系數(shù)；

n——彎頭數(shù)量。

計算得RZ=102.87 Pa。

煙道總阻力R總=RL+Rz=68.6+102.87=171.47 Pa，最終確定煙道總阻力約170 Pa。

沉降室至回轉(zhuǎn)窯窯頭余熱鍋爐段煙道至烘干機煙氣系統(tǒng)的阻力要考慮沉降室阻力(600 Pa)和此段煙道阻力。為了簡化計算，煙道各處漏風和溫降都忽略不計。因此，煙氣系統(tǒng)的全壓降為770 Pa。

1.3.6高溫風機的選型

根據(jù)以上計算，考慮一定的流量儲備系數(shù)為1.15，確定高溫風機風量92 000 m3·h-1(工況)；考慮一定的壓頭儲備系數(shù)為1.25，確定高溫風機壓頭為962.5 Pa；則高溫風機選型為：W4-73-15D-6P，Q=100 000 m3·h-1(工況)，p=1 200 Pa，轉(zhuǎn)速為960 r·min-1，煙氣溫度為400 ℃，功率為55 kW。

在風機入口處設(shè)置DN1500不銹鋼圓形伸縮器1個。在取風煙道上設(shè)置1個電動蝶閥D943H-6C，DN1500。烘干磨機入口(風機出口)設(shè)置1個手動蝶閥943H-6C，DN1200，介質(zhì)為400 ℃高溫煙氣，開關(guān)型，法蘭連接。高溫離心風機等設(shè)備就近設(shè)置于烘干磨進風口北側(cè)處。

1.3.7運行成本測算

煙氣系統(tǒng)主要耗電設(shè)備為風機，功率為55 kW，全年運行 300 d，每天運行8 h，電機為變頻，運行功率為總功率的80%。耗電量及成本費用見表1，設(shè)備及主要材料價格見表2。

表1 耗電量及成本費用

表2 設(shè)備及主要材料價格

1.3.8改造后發(fā)電量變化

從沉降室至回轉(zhuǎn)窯窯頭余熱鍋爐段煙道上取部分熱風，將會減少進入余熱鍋爐的高溫煙氣量，從而降低余熱發(fā)電機組發(fā)電量。余熱發(fā)電機組正常情況下1 h發(fā)電量為2 300 kW·h左右，采用該生產(chǎn)工藝后1 h發(fā)電量為2 100 kW·h，每小時發(fā)電量減少200 kW·h。

2 電氣設(shè)計

2.1 設(shè)計范圍

該工程電氣專業(yè)設(shè)計范圍為新增高溫風機等設(shè)備的供電線路設(shè)計，僅為電源點至成套設(shè)備的電源控制箱、柜的設(shè)計和選型，控制箱、柜至設(shè)備部分不在該范圍內(nèi)。

2.2 設(shè)計依據(jù)

設(shè)計依據(jù)為GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》和GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計標準》。

2.3 設(shè)計內(nèi)容

2.3.1負荷計算

新增1臺高溫風機，安裝負荷為55 kW，額定電流為105 A，電動蝶閥1個，3 kW。安裝負荷共58 kW。

2.3.2電源及控制方式

電源均取自水泥磨配電站備用回路，采用單電源供電。風機采用變頻控制，變頻器及控制柜由廠家成套提供，柜體安裝于水泥磨配電站內(nèi)；電動蝶閥控制箱由廠家成套提供，現(xiàn)場墻體明裝。

2.3.3電纜及敷設(shè)方式

出線柜至高溫風機控制柜電纜采用YJV22-0.6/1.0 kV-3×35+1×16，室內(nèi)電纜溝敷設(shè)，長度為20 m。

高溫風機控制柜至風機采用BP-YJVP-0.6/1.0 kV-3×35+3×6和YJV22-0.6/1.0 kV-4×2.5電纜各1根，長度均為100 m，沿現(xiàn)有橋架敷設(shè)，然后穿管至電機處?？刂齐娎|采用1根KVV-0.45/0.75 kV-12×1.5，長為20 m，沿現(xiàn)有橋架敷設(shè)。電動蝶閥采用1根YJV22-0.6/1 kV-4×2.5，長為120 m，沿現(xiàn)有橋架敷設(shè)或穿管明敷。

2.3.4控制柜及接地

由廠家配套提供控制柜，柜內(nèi)應(yīng)按容量配置進線隔離斷路器。接地利用原有接地系統(tǒng)，接地電阻不滿足要求時增加人工接地極。

2.4 材料及投資金額

電氣設(shè)備主要材料及投資金額見表3。

表3 主要材料及投資金額

3 土建設(shè)計

3.1 工程設(shè)計范圍

該工程土建專業(yè)設(shè)計范圍為新增高溫風機等設(shè)備基礎(chǔ)、沉降室至窯頭余熱鍋爐段煙道支架及支架基礎(chǔ)設(shè)計。

3.2 設(shè)計依據(jù)及標準

設(shè)計依據(jù)按照工藝專業(yè)提供的風管布置圖及設(shè)備圖；設(shè)計符合GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》、GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》等標準要求。

3.3 工程設(shè)計內(nèi)容

3.3.1換填

地基處理采用3∶7灰土換填，換填深度為600 mm，每邊寬出基礎(chǔ)邊緣0.5 m。地基承載力特征值暫按150 kPa設(shè)計。

3.3.2高溫風機基礎(chǔ)

采用C30毛石混凝土，周邊內(nèi)配10@200，基礎(chǔ)尺寸(長×寬×高)為4.2 m×2.5 m×1.4 m，埋深600 mm，高出地面800 mm。

3.3.3煙道支架

沉降室至窯頭余熱鍋爐段煙道支架柱采用格構(gòu)式鋼柱，間距約8 m設(shè)置1個支架柱，共10個。四肢組合柱采用角鋼L63×4，截面尺寸為500 mm×500 mm。綴板采用鋼板-50×4，間距為800 mm。

3.3.4支架基礎(chǔ)

支架基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土基礎(chǔ)，混凝土強度等級為C30，鋼筋強度等級為HRB400，基礎(chǔ)尺寸為1 m×1 m，埋深600 mm，高出地面200 mm。

3.4 材料及投資情況

土建所需主要材料及投資金額見表4。

表4 工程量及投資金額

4 總投資情況

該項目投資情況見表5。

從表5可看出，工程建設(shè)總投資122.062 3萬元，其中工程建設(shè)費用113.183 3萬元，工程建設(shè)其他費用8.879萬元。

表5 工程建設(shè)投資明細表 萬元

5 運行效果

2022年3月15日進行設(shè)備試運行。試車中沉降室出口溫度約395 ℃，保持電動熱風閥門開啟100%狀態(tài)，沉降室出口溫度降至約340 ℃，入烘干機溫度約為330 ℃。首先烘干機給料20 t·h-1，出料溫度約102 ℃，通過調(diào)整烘干磨袋收塵尾排風機和新增高溫風機的閥門開度，烘干機給料穩(wěn)定在35 t·h-1，出磨溫度約91 ℃，礦渣水分保持在在0.8%～1.2%，達到了預期效果。但是相比較煤矸石作為熱源，最大的變化是烘干機運行時間有所延長和余熱發(fā)電量有所下降，兩種熱源方式對比見表6。

表6 兩種熱源方式效果對比表

6 結(jié)語

當前水泥行業(yè)環(huán)保形勢的嚴峻，要求企業(yè)大力開展超低排放改造。按照水泥企業(yè)能源消耗限額的要求，企業(yè)應(yīng)主動尋求更為清潔化生產(chǎn)的方式和方法。通過此次工程設(shè)計與實現(xiàn)，探索了篦冷機余熱作為礦渣烘干的可行性，達到了預期效果，滿足了企業(yè)可持續(xù)發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展的需求。