六級預熱器系統開發的探討
2011-05-16 00:00
預熱器系統采用多少級最為合適是隨著人們的認識角度和技術發展而不斷變化的。預分解系統從問世到上世紀八十年代前多數采用四級預熱器系統，由于廢氣溫度往往達到 3 8 0 ℃以上，能量的浪費和對高溫設備的要求，使得在隨后9 0年代開始大量采用五級預熱器系統，同時六級預熱器也在國際上主要幾家 大的水泥公司如德國伯利休斯( 德國蒂森克虜伯 ThyseenKrupp )公司， 丹麥史密斯公司，德國洪堡公司等研發，主要在印度等一些能源較短缺的國家采用。從上世紀9 0年代至今，印度已經投產的水泥廠中有數十條生產線采用六級預熱器。中國只有山東的大宇泗水8 0 0 0 t／ d水泥熟料生產線采用伯利休斯公司的六級預熱器系統 。
國內也曾一度出現到底采用多少級預熱器為最佳的爭論，前些年由于水泥工業規模的迅速發展 ，使得人們沒有過多地考慮這個問題 ，最近對五級預熱器出口溫度偏高，能耗仍然較高的議題又再度引起人們關注。但此次關注的重點是較為經濟的辦法， 即用出五級預熱器的廢氣去發電。目前已經有很多帶余熱發電的水泥廠投產運行，而且發電后的經濟效益和能源再利用率都很好，越來越多的水泥工廠正在考慮上余熱發電項目。
但是是否余熱發電就是解決現代水泥工業廢氣余熱的最佳途徑？每個水泥廠都適合帶一個小發電廠嗎? 水泥工業自身降低能耗的潛力在哪里？帶著這些疑問，我們可以計算分 析一下，來重新反思一下我們的選擇。
六級預熱器系統與余熱發電的節能比較：以5000t/d規模為例，按照一般設計參數， 設5級預熱器出口 3 2 0 ℃六級預熱器出口2 8 0 ℃，氣體量均按1.5 3 m3／k g熟料，則每公斤熟料降低能耗約112kJ/kg熟料 ，增加窯尾和窯頭二套余熱鍋爐后 ，國內目前發電量一般在32 -35 kWh/t 熟料 ， 換算后為115 -126 kJ/kg熟料 。扣除余熱發電本身需要的能量，從節約能量的角度看，窯頭窯尾加余熱鍋爐發電相當于窯尾廢氣溫度降低 5 0 -6 0 ℃所節約的能量，接近于六級預熱器節約的能量。但是由于熱力發電都是有能量損失的，最高效率也只有50％多，所以也可以說余熱發電所節約的能量相當于窯尾廢氣溫度降100 -120 o C 所節約的能量。發電量與實際運行的廢氣溫度關系較大，廢氣溫度越高發電量越大，導致余熱發電的工廠并不希望廢氣溫度降低，與水泥工業的追求目標相反 ，甚至于個別工廠有認為抽三次風去發電也是節能的錯誤想法 。余熱發電可以能，同時也帶來一定的利潤。當只追求利潤的前提下，可以與火力發電廠那樣用燒煤產生的高溫去發 電，按照現在的電價，利潤毫無疑問是最大的，但這與最初的余熱發電初衷是背道而馳的，不符合國家產業政策， 當然也難以獲得節能環保的最佳效果。
采用六級預熱器或余熱發電對工藝線的影響：由于窯尾出余熱鍋爐的廢氣溫度230 ℃或以下 ，廢氣在增濕塔內的噴水量大大下降，假如采用電收塵器，廢氣的比電阻很難滿足電收塵的要求，收塵效果將達不到預期目標，即使廢氣通過生料磨烘干生料同時增濕后入電收塵器也達不到很好的效果，因為廢氣溫度低只能噴少量水降溫后入磨烘干原料，并增濕廢氣后入電收塵器，廢氣含水量比3 0 0多度高溫氣體入增濕塔增濕降至2 0 0 ℃左右溫度再入磨后的水分小 。再者，磨機不開的時候也是必須達到環保要求的，此時采用余熱發電統的廢氣入電收塵器是很難達到環保要求的，因此當采用余熱發電時，窯尾廢氣必須采用袋收塵器，出余熱發電的廢氣在增濕塔內再適當噴水降溫入袋收塵器，可確保達到環保要求。
目前窯尾采用袋收塵器的工廠越來越多，這個問題較容易解決。同樣的問題，當采用六級預熱器后，出窯尾系統的廢氣問題為280℃或更低 ，噴水量也比出五級預熱器系統的廢氣少較多，對采用電收塵器的情況也是不利的，但比余熱發電時的情況好得多。
對選擇磨機的影響：在原料水分較小的時候，生料磨機的選擇基本不受余熱發電的影響。但當原料水分較大時，采用球磨機就會受到入磨廢氣溫度不夠而烘干能力不足的影響 。此時就需要采用立磨，由于通過立磨的風量大 ，一般情況可以所有的廢氣均通過立磨，烘干能力在原料水分較高時仍能滿足要求，但是當原料水分很高，比如綜合水分在7％左右以上，那么采用余熱發電就有可能不能滿足烘干原料的要求，或者為了確保烘干物料，人為提高出余熱鍋爐的廢氣溫度，影響余熱發電的發電量。如果采用六級預熱器， 廢氣溫度相對高些，還可以滿足原料烘干，但原來水分更高時，六級預熱器出口的廢氣溫度也有可能滿
足不了烘干要求，但還可 以引窯頭廢氣余熱來烘干原料或者采用向一、二級預熱器分料來調節出口溫度 。也就是說采用六級預熱 器對選擇磨機的影響相對少些。由于我國的水泥原料大部分較干燥 ，采用立磨的情況下大多數情況下二者基本都能滿足烘干物料的要求 。
對窯尾采用管道噴水新技術的影響：采用六級預熱器系統后，由于廢氣溫度下降到2 8 0 ℃左右 ，生料磨不開時，采用管道噴水降溫至2 0 0 ℃以下入袋收塵器是完全有可能的 ； 當生料磨開時， 管道噴水降至所需溫度入磨 。這樣系統可以省去增濕塔以及輔助設備， 廢氣處理系統變得相對簡單和經濟，顯然是既節能又省錢的方案。采用余熱發電后，雖然出余熱鍋爐的廢氣溫度更低，但由于需要考慮余熱鍋爐與窯系統不同步運行時的情況，此時需要考慮出五級預熱器3 2 0 ℃的溫度增濕降溫到 2 0 0 ℃以下的增濕塔， 或者需要效率更高的管道噴水系統。另外由于一般來說原來的管道位置被余熱發電占據，管道形狀彎曲和容積受到影響，在余熱鍋爐旁路管道上加噴水系統難度比較大些。所以采用六級預熱器對管道噴水更能適應。
窯頭余熱的利用問題：假如采用六級預熱器系統，窯尾再進行余熱發電的意義變得不大， 在沒有余熱發電的情況下，窯頭的廢氣余熱利用需要進一步考慮，一是進一步提高冷卻機的熱效率 ，提高二、 三次風溫和降低熟料溫度，正常情況下出冷卻機的廢氣溫度應該在2 5 0 ℃左右；二是當原料水分較高時，將窯頭廢氣引到窯尾去烘干原料，但這種情況往往需要加大設備規格，否則廢氣量太大不能充分進入設備；三是考慮其它用途，如已經有一些工廠利用窯頭廢氣余熱來烘干礦渣等混合材，并取得了成功，采用的工藝主要是相對低溫的廢氣( 250 ℃左右) 與混合材的懸浮態傳熱 ，這種思 路可能是正確的，值得嘗試 ，但這種高效率的烘干設備有待于進一步開發研究。另外還可以考慮用窯頭熱風作為窯燃燒的一次風及冷卻用風等來進一步利用廢熱。
當然在采用六級 預熱 器系統的前 提下再采用余熱發電的技術繼續回收熱量仍然存 在一定空間，只是窯尾的發電量肯定要受到一定影響，但隨著余熱發電技術的不斷提高，也存在這種可能性。
開發六級預 熱器 的必要性和可行性：不管余熱發電技術發展如何，應用如何，畢竟水泥工業自身節能環保是第一位的，很明顯用旋風預熱器對流換熱直接降低廢氣溫度來節能 的效率是大大高于通過一個復雜的發電系統來節能的效率的，由于節能和經濟等原因，國際上采用六級預熱器技術的工廠也越來越多，尤其是能源較短缺的一些國家和缺水的國家國外幾大水泥公司都有六級預熱器的技術并都有較多工程的業績，可以認為這項技術是先進 的和有發展前景的，而且目前窯尾普遍采用袋收塵器，噴水增濕降溫的目的變成只是為了降溫，不存在噴水增濕不夠入電收塵器比電阻不合適的問題。這也為采用六級預熱器鋪平了一個道路，雖然六級預熱器比五級預熱器的塔架要高，但通過對每級預熱器的局部優化，使六級預熱器的實際高度比我們預想的降低10-15m還是有可能的，國外文獻也有能降低六級預熱器高度的報道，因此總高度也不比現有的五級預熱器高很多。另外在采用六級預熱器后，由于出口溫度降到280 ℃左右，對管道噴水無增濕塔系統非常有利，只需降低80 ℃以上的溫度 即可達到入袋收塵器的要求，當生料磨開時噴水量可以很少或不需要噴水。按生料磨不開時計算噴水量可以節省三分之一左右， 每噸水泥熟料用水量大約從120 kg降到 80 kg 。目前國外采用六級 預熱器很多 ，技術上很成熟國內也有一個國外進口六級預熱器水泥廠的先例，大量推廣六級預熱器的時間已經成熟，天津水泥工業設計研究院正在加緊六級 預熱器研發工作，在六級預熱器配置新一代預分解系統和第四代冷卻機及短窯的情況下，系統設計 優化后，窯系統熱耗小于2926 k J／k g熟 料甚至更小是沒有問題 的，完全可以達到國際先進水平。
結論：六級預熱器能夠進一步降低水泥燒成熱耗 ，節約104.5 -125.4 kJ/kg熟料熱耗 ， 同時可以降低窯尾管道噴水難度并節約噴水量三分之一左右 ，對節能節水是很有利的。六級預熱器作為一種選擇，適合于原料水分不是很高的工廠，尤其對能源和水資源較短缺的國家是一種較好的選擇，開發應用前景良好。
—— 來源：水泥技術 2007年 第四期
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