摘要：本文以一條實(shí)際運(yùn)行中的5000t/d熟料生產(chǎn)線配套余熱發(fā)電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)回轉(zhuǎn)窯余熱利用進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，提出回轉(zhuǎn)窯余熱利用的優(yōu)越性，細(xì)化了回轉(zhuǎn)窯的節(jié)能。

　　關(guān)鍵詞：余熱利用  節(jié)能減排

1 余熱運(yùn)用的目的
　　在水泥生產(chǎn)過(guò)程中，回轉(zhuǎn)窯筒體表面平均溫度為250至350℃，生產(chǎn)中筒體輻射熱量直接排到大氣中，不僅浪費(fèi)能源，也對(duì)周?chē)h(huán)境造成影響。
　　此項(xiàng)技術(shù)主要是通過(guò)在回轉(zhuǎn)窯上方安裝弧形集熱器，利用收集回轉(zhuǎn)窯筒體的輻射熱能，加熱鍋爐給水，提高余熱發(fā)電系統(tǒng)的熱效率，剩余熱能為生活洗澡用水、冬季取暖供熱。該工程是一項(xiàng)環(huán)保、節(jié)能、增效的工程，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益十分顯著。一方面綜合利用了回轉(zhuǎn)窯胴體表面排放的廢熱資源，回收熱量變廢為寶，降低企業(yè)生產(chǎn)成本和提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，部分緩解生產(chǎn)用電緊張的形勢(shì)，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力，另一方面可減少燃料消耗，節(jié)約能源，減少對(duì)環(huán)境的空氣污染和溫室效應(yīng)。

2  前提條件和項(xiàng)目實(shí)施的意義
　　一條5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線為Φ4.8×74m回轉(zhuǎn)窯，窯筒體長(zhǎng)度為74m，表面平均溫度為250至350℃，生產(chǎn)中筒體輻射熱量直接排到大氣中，不僅浪費(fèi)能源，也對(duì)周?chē)h(huán)境造成影響。為積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，創(chuàng)建節(jié)能型、環(huán)保型企業(yè)，解決此問(wèn)題有重要意義。
　　隨著我國(guó)人口的不斷增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，資源相對(duì)不足的矛盾將日益突出。尋找新的資源或可再生資源，以及合理的綜合利用現(xiàn)存的寶貴資源，將是我國(guó)今后確保經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。開(kāi)展資源綜合利用，是我國(guó)長(zhǎng)期的重大經(jīng)濟(jì)技術(shù)政策，也是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略方針。積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，創(chuàng)建節(jié)能型、環(huán)保型企業(yè)，并通過(guò)余熱回收利用降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)效益已成為當(dāng)務(wù)之急。
　　利用窯體輻射熱置換成熱水用于發(fā)電\供暖\洗浴，經(jīng)濟(jì)效益方面分析，約1.51年便可回收全部投資；環(huán)境效益方面分析，按大型火電廠發(fā)電效率為0.383kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kWh計(jì)算，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1783t，每年減少CO2排放量4009t。

　　同時(shí)項(xiàng)目的建設(shè)是企業(yè)節(jié)能降耗、降本增效、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的需要。現(xiàn)在水泥行業(yè)雖然進(jìn)行了余熱發(fā)電改造，大幅度降低了能源消耗，但生產(chǎn)實(shí)際中仍有大量的高、中、低溫廢氣余熱不能被充分利用，造成大量的能源浪費(fèi)。對(duì)這部分富余的廢氣余熱的回收利用，可以為企業(yè)創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力，而且還可緩解因供電不足影響生產(chǎn)的矛盾，符合國(guó)家關(guān)于節(jié)能和資源綜合利用政策。

3  熱平衡的計(jì)算
3.1集熱罩可利用的熱量
窯體外表面溫度按290℃計(jì)算，換熱器管外平均換熱溫度按100℃計(jì)算，回轉(zhuǎn)窯胴體和換熱管束兩表面發(fā)射率均按0.75計(jì)算。則有效發(fā)射率約為：
C12＝Cb/（1/ε1+1/ε2-1）＝5.67/（1/0.75+1/0.75-1）

＝3.4 w/㎡.K4

式中：C12—相當(dāng)輻射系數(shù)

ε—材料發(fā)射率

Cb --黑體輻射系數(shù) （為常數(shù)5.67w/㎡.K4）

根據(jù)輻射換熱計(jì)算公式，單位面積輻射換熱量為：

Q′＝C12×｛(T1/100)4-(T2/100)4｝

＝3.4×｛（273+290）/100｝4-｛（273+100）/100｝4

＝2759W＝9932kj/h

式中：Q′—單位面積輻射換熱量 （W）

T1—回轉(zhuǎn)窯胴體表面溫度（℃）

T2—換熱管束表面溫度（℃）

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置位置，回轉(zhuǎn)窯集熱罩有效利用長(zhǎng)度約為32米，分四段布置，單條5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線有效利用輻射面積約為251㎡,即回轉(zhuǎn)窯胴體表面換熱量約為：

Q＝Q′×F＝9932×251＝2492932kj/h

式中：F—輻射面積 （㎡）

3.2廠區(qū)余熱擬利用點(diǎn)（需要熱量）

3.2.1  余熱發(fā)電給水加熱需要的熱量

    現(xiàn)有一座9MW余熱發(fā)電，設(shè)計(jì)給水溫度42℃，現(xiàn)擬利用集熱罩把給水溫度提高5℃。給水量為47t/h,給水壓力2.2Mpa。

溫度（℃）	壓力（Mpa)	流量(t/h)	焓值(Kj/Kg)
42	2.2	47	177
47	2.2	47	198.6

共需要熱量：（198.6-177）×1000×47=1015200Kj/h。余熱發(fā)電給水需要的熱量為全年連續(xù)性。

3.2.2 中控樓及職工住宅樓采暖需要的熱量

    職工住宅樓合計(jì)4層，估計(jì)面積2000m2。中控樓為現(xiàn)有建筑，采暖面積按2500m2。合計(jì)共需要采暖面積4500 m2，采暖為季節(jié)性需要熱量，每年合計(jì)4個(gè)月。采暖面積熱負(fù)荷估算指標(biāo)按50W/ m2，合計(jì)810000 Kj/h。采暖用水采用二次換熱，供回水溫度按60℃/50℃。

    預(yù)留中控樓中央空調(diào)制冷，采用熱水型單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)，供熱水溫度95℃，空調(diào)面積冷負(fù)荷估算指標(biāo)按110W/ m2，合計(jì)990000Kj/h，與采暖用熱不同季節(jié)使用。

3.2.3 職工洗浴

    本廠職工共135人，設(shè)計(jì)20個(gè)淋浴器，小時(shí)需要40℃熱水量6t/h按自來(lái)水全年平均溫度15℃計(jì)算。

洗浴需要的焓值
溫度（℃）	壓力（Mpa)	流量(t/h)	焓值(Kj/Kg)
15	0.2	6	63.1
40	0.2	6	167

共需要熱量：（167-63.1）×1000×6=623400Kj/h。余熱發(fā)電洗浴需要的熱量為全年連續(xù)性。

3.3 需要熱量與集熱罩收集熱量平衡比較

    綜上分析，集熱罩可以回收的熱量2492932kj/h，擬消耗的熱量1015200Kj/h+810000 Kj/h+623400Kj/h=2448600Kj/h。富裕量作為回轉(zhuǎn)窯溫度波動(dòng)時(shí)的修正。

4  回轉(zhuǎn)窯余熱利用流程

四臺(tái)集熱罩并聯(lián)布置，設(shè)計(jì)給水溫度70℃，出水溫度95℃，設(shè)置一臺(tái)高溫管道循環(huán)泵，補(bǔ)水采用高溫水箱補(bǔ)水，單臺(tái)集熱罩進(jìn)出水均設(shè)置電動(dòng)閥，在循環(huán)母管的95℃高溫端設(shè)置三臺(tái)換熱器，一臺(tái)用于洗浴，一次水參數(shù)95℃/70℃，二次水參數(shù)15℃/40℃，二次水流量6t/h。一臺(tái)用于采暖，一次水參數(shù)95℃/70℃，二次水參數(shù)50℃/60℃，二次水流量20t/h。一臺(tái)用于加熱鍋爐給水，一次水參數(shù)95℃/70℃，二次水參數(shù)42℃/47℃，二次水流量47t/h。采暖設(shè)置循環(huán)水泵、軟水水裝置、補(bǔ)水泵、過(guò)濾器、熱水箱等。

5  集熱罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

集熱器主要構(gòu)造為單層回環(huán)鍋爐鋼管制作，鋼管用φ45×3mm，內(nèi)部流通介質(zhì)為循環(huán)水，集熱器共分四段（8000型）呈弧形分別覆蓋于三條輪帶間隔的兩段部分。這樣回轉(zhuǎn)窯胴體散出的熱量大部分通過(guò)集熱器收集，將其中循環(huán)管內(nèi)的循環(huán)水加熱，循環(huán)水分別通過(guò)集熱器的進(jìn)水口和出水口流入和流出。

循環(huán)水采用循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)，集熱器裝置尺寸，根據(jù)回轉(zhuǎn)窯及周邊建筑物等安裝因素確定，所需材料外購(gòu)并經(jīng)加工制作完成。本系統(tǒng)嚴(yán)格按照壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)加工制作，并須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的打壓試驗(yàn)，并作出使用評(píng)估，以保證在使用過(guò)程中不致出現(xiàn)泄漏故障影響生產(chǎn)。主要包括設(shè)備、非標(biāo)件的制作與安裝，管道的安裝及防腐、保溫，及與前期生活供水管道的合茬以及并聯(lián)系統(tǒng)的試驗(yàn)、調(diào)試工作。

集熱罩結(jié)構(gòu)要合理，以便于熱交換的順利進(jìn)行，同時(shí)要考慮換熱器的安裝與維護(hù)方便。集熱罩的采熱面采用弧形結(jié)構(gòu)較為合理，這樣可使集熱罩的不同區(qū)域與筒體表面充分接近，有利于熱輻射換熱的順利進(jìn)行。同時(shí)應(yīng)考慮避讓回轉(zhuǎn)窯上各裝置和設(shè)施。

集熱罩的設(shè)計(jì)要保證出水溫度要控制在一定的溫度范圍內(nèi)，同時(shí)要保證回轉(zhuǎn)窯窯體的日常工作與維護(hù)不受影響。為了保證換熱效果，與回轉(zhuǎn)窯筒體表面距離不能太遠(yuǎn)。同時(shí)考慮出水溫度要控制在一定范圍內(nèi)，可選擇改變集熱罩采熱表面與回轉(zhuǎn)窯筒體表面距離與控制泵的流量相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。在集熱罩底部設(shè)置高低位置調(diào)節(jié)裝置，便于調(diào)節(jié)換熱表面與回轉(zhuǎn)窯筒體表面的距離。各換熱罩進(jìn)水口處均設(shè)有以溫度為信號(hào)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以控制集熱罩內(nèi)進(jìn)水量，間接控制換熱管和回轉(zhuǎn)窯筒體表面溫度。根據(jù)加熱循環(huán)冷凝水的水量和溫度，各集熱罩可通過(guò)安裝于各集熱罩間的串并聯(lián)調(diào)整閥門(mén),實(shí)現(xiàn)各換熱罩串聯(lián)和并聯(lián)的切換。

換熱管束在圓形換熱罩內(nèi)通過(guò)管板蛇形排列，在換熱罩內(nèi)無(wú)焊縫連接。管束所有焊縫全部集中于換熱罩兩端外側(cè)，在兩換熱罩連接處設(shè)置可拆卸的連接過(guò)渡罩，便于維修、檢修。

在設(shè)計(jì)集熱罩安裝位置時(shí)要窯體的熟料燒成段，其次考慮分解帶與放熱反應(yīng)帶。 管道鋪設(shè)走向可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況而定，管道架空鋪設(shè)，管道應(yīng)考慮保溫、防腐及保護(hù)層安裝，在系統(tǒng)處設(shè)置放水閥等檢修裝置。

6  回轉(zhuǎn)窯余熱利用技術(shù)工程案例圖片

7  經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

7.1 余熱發(fā)電發(fā)電量給水提高5℃，理論可以提供熱量1015200Kj/h，理論提供282KW，實(shí)際平均提高180KW。全年7000h,合計(jì)增加發(fā)電量1260000 KW。電費(fèi)扣除其它后，按0.5元/ KW.h,全年節(jié)約電費(fèi)63萬(wàn)元。

7.2 采暖按市區(qū)采暖收費(fèi)計(jì)算

   4500×0.16×120=8.64萬(wàn)元

7.3 職工洗浴

   全年節(jié)約燃煤量240噸，約合計(jì)15萬(wàn)元。

合計(jì)全年節(jié)約總費(fèi)用86.64萬(wàn)元

7.4 重要的是，減少二氧化碳的排放，社會(huì)效益顯著。

8 工程投資費(fèi)用（含設(shè)計(jì)、制作、安裝、調(diào)試）

不含中控樓采暖及新建澡堂

設(shè)備、材料	數(shù)量	總價(jià)
鍋爐鋼管（集熱罩鋼管）	14噸	15.4萬(wàn)元
外護(hù)板	13.5噸	13.5萬(wàn)元
鋼結(jié)構(gòu)（集熱罩支撐用）	16噸	16萬(wàn)元
進(jìn)、回水管路及附屬設(shè)備	主給水、循環(huán)泵等	31萬(wàn)元
保溫保護(hù)（集熱罩及管路）		13萬(wàn)
二次熱站（洗浴、采暖、主給水）	3套	26萬(wàn)
電控儀器	1套	16萬(wàn)元
合計(jì)		130.9萬(wàn)元
全年節(jié)省費(fèi)用		86.64萬(wàn)元
投資回收期		1.51年
增加辦公樓采暖	4500 ㎡	36萬(wàn)元
增加澡堂

9 總結(jié)

通過(guò)以上大量的分析，在水泥生產(chǎn)線中，對(duì)回轉(zhuǎn)窯余熱進(jìn)行利用是企業(yè)節(jié)能減排增效的一種很好的手段。