带余热发电熟料冷却区域热能的分配.docx

带余热发电熟料冷却区域热能的分配由于低温余热发电的介入，新型干法熟料生产线变得更为复杂，热能品位的重要性突现。从总能系统的角度看，在未上余热发电的熟料生产线中间部分（即从预热器顶部到熟料篦式冷却机的二、三次风热回收区止）热能分配良好地遵循了“能级匹配，梯级利用”的用能原则。但在两端则不然，在多余热能富裕而未加充分利用的条件下，这些热能的使用管理处在粗放状态也在情理之中。余热发电的介入，这些富裕的热能要求精打细算地加以利用，给整条熟料生产线全面贯彻上述的用能原则提供了良机。本文仅就熟料冷却机区域热能收支分配组合优化谈一些粗浅看法，不当之处请同行批评指正。文中以煤磨热源取自篦冷机的情况为例。1热能收入进入篦冷机的熟料温度有高低之分，差异颇大。若高控出窑熟料温度，将增加单位质量熟料的入冷却机热量，同时提高了热能的品位。提高熟料的台时产量，则增加了单位时间熟料入冷却机的热量，同时也提高了热能的品位。另外，依热平衡的传统作法，冷却风机鼓入的冷风带入占篦冷机热量总收入的6%左右的热量，如果冷风循环使用，则会提高其带入热量和能质。以上三个因素中，后两个因素相对稳定，最值得研讨的是第一个因素。影响进入冷却机熟料温度的原因有：烧成带火焰形状、位置、长短粗细、黑火头长度，煤粉的挥发分、水分和细度，熟料粒度组成，烧成火力高低，等等。这个温度高低是众多原因综合作用的结果，它对应的熟料显热占冷却机热平衡中热量总收入的94%左右。它的波动将在很大程度上影响了熟料生产和余热发电之间的热能分配，又反过来影响了熟料生产和余热发电。这个温度还关系到窑衬料使用寿命和冷却机热端风冷设计，涉及面广泛。寻找出窑熟料温度的合理范围并加以良好把握，值得带余热发电熟料生产技术研究作深入探索。一般来讲，冷却机热收入增加，它的各项热支出随之增加。2热能支出2.1二、三次风取热窑和分解炉的热回收通过二、三次风的风温风量来实现。采用性能优良的燃烧器减少一次风量以提高二、三次风量，或提高二、三次风风温，均将增加熟料生产线的热回收，熟料能耗下降。另一方面，熟料生产的回收热降低，用于余热发电的热量和能质均下降，带来发电量下降。因此，如何从总能系统的概念出发，合理地把握热能分配，是我们面临的新课题。在带余热发电的熟料生产线设计时，现在基本上仍是在强调“发电以不影响熟料生产为原则”；但在余热发电投入运行之后，一些厂则往往走向另一极端，只盯着发电多多益善。我们必须认识到熟料生产线和余热发电是两个关系密切的子系统。熟料生产和发电都是我们追求的目标，单独地考虑大系统中某一子系统的利益是片面的；应该从大系统的全局利益最大化出发，方方面面权衡利弊得失，最后作出综合判断。这正是我们生疏的，迫切要求我们行业作一些理论研究，作一些实践检验和经验积累，树立若干范例。让我们尝试分析二、三次风热能回收与余热发热回收之间界面（即所谓的“零压面”）上发生的“争热”现象。从理论上讲，余热发电单一的取热不论位置开在哪里，只要不与二、三次风争热，也无漏风，所抽取热风品位与取热口位置无关。但实际情况并非如此。首先是漏风。它主要发生在篦冷却机尾部。取热口越靠近尾部，抽取冷风的比例越高，入锅炉热风品位越低。其次，最冷端的几排篦板透过的冷风热交换之后温度往往很低，进入锅炉既浪费拉风电耗，又降低热风品位。因此取热口以离冷端远些为宜。在冷却机中部取热供余热发电之用，则在界面上或多或少存在与窑及分解炉争热的问题，尤其是在去锅炉过热器加设专用取热口。界面位置常在漂移之中。窑头罩负压，篦床上部风量风温分布，锅炉旁路阀泄漏率、漏风、取热口空间位置及数量等都会影响界面位置。界面并不是一个平面。界面内温度并不一致，甚至差异很大，而且还处在不断变化中。我们主观上想按热风品位分别取风，但取风的界面是等压面而不是等温面。设置摆动隔墙会缓解上述矛盾，但问题仍然存在。不过有它比没有它强。既然争热经常在进行着，我们就它对大系统的影响进行探讨。争热结果，如果是二、三次风风温下降，将得增加用煤量。窑头煤量增加的消极面是烧成带热负荷上升，这可以通过增加炉煤燃料比来解决；分解炉用煤增加，由于国内设计技术水平大幅提高,分解炉能力都较为强大，没有什么大问题。由于两处燃烧放出的烟气热能经窑、分解炉、预热器的热回收，十分良好地遵循了“能质匹配，梯级使用”的用能原则。因此，让热给余热发电是否合理关键在发电量及煤电价格比上。举例证明：二次风由1050降为IOlo,三次风由975降为935,使专供窑头锅炉过热器的热风由500上升至599oCo这些数据都在熟料生产中常见的正常范围之内，为工艺生产完全许可的。结果，窑头过热器热量上升了21%,而根据资料1蒸汽回收的比最大值由30×4.18KJm3升至40X4.184.18KJm3,即上升了33%。这证明烟气温升带来的最大回收的增加速率远高于热量的增加速率。依资料1制订的表1提供了更详细明了的数据，可见提高烟气温度对增加最大回收是何等地重要！至此，笔者向专家请教三个问题：在专设取热对过热器特供热风时，能否光明正大地向二、三次风适度争热？某地电价高价时段比低价时段为3.5倍关系。在AQC锅炉仅有一个取热口时，能否热端加开一取热口，在高价时段适度打开其热风阀取高品位热风增加发电量，到低价时段关闭其热风阀？篦冷机余热锅炉的热风品位波动很大。能否以的方法，用这个热风阀的小开度和小范围的开度调节来维持入锅炉热风的品位稳定？2.2 煤磨取热煤磨用热风的传统取风口在篦冷机内风温500C600的区段。该温度远远高于煤磨之所需，通过设置冷风阀掺冷风，留有充分余地地保证了煤磨正常安全运转。未上余热发电时，冷却机热风未回收热甚多，这种设计没有什么不妥之处。上余热发电之后，热回收大大加强，继续这样抽取热风供磨显然是一种资源浪费，很不经济。为此笔者建议：维持原设计不动。在原余风抽取口上方34In与锅炉旁通阀下方之间（目的是利用原余风管大直径低风速来减少入煤磨的熟料细粉量）加设新取热口供磨。在熟料出破碎机入斜拉链机的吸尘罩上方管道中部开口接入到进磨热风管，以抽取约100的低温热风作降低入磨风温之用，也可以抽取出锅炉的低温热风。这里不妨称此为新冷风口。煤磨新取热口热风约280左右。余热发电介入后一般情况下由此取热。当入磨原煤水分低或新取热口风温高时，可先降低煤磨拉风量减少入磨热量；如果入磨热量仍感偏多，可适度打开新冷风口、同时降低新取热口风阀开度调温。当入磨原煤水分高或新取热口风温低时，可先加大煤磨拉风量；如果入磨热量仍感偏少，可开大老取热口，如窑升温投料之初。老冷风口在运行中尽量少打开，一般只在开、停磨时或安全需要时用到。另外，我们还可以“低风温大风量”的操作方式给煤磨供热。从烘干效率讲，这将增加供热量，只不过抽取的是更低品位热风。这种方式在一定范围内是可行的。以上举措的目的是更多地利用废热或低品位热能供磨，最大限度地少抽走高品位热能。问题的另一个重要方面是降低煤磨对热能的需求。这里主要强调两点。其一，要堵漏风。漏风将增加排风电耗，也影响煤粉水分和台时产量。漏风堵得越严，供磨热源的热量和品位就可越低。其二，要从采购、运输、保管，均化各环节减少原煤水分。入磨原煤水分越低，供磨热源的热量和品位要求就越低。2.3 出篦冷机熟料带走热2.3.1篦下压力过厚的料层带来过高的篦下压力。由于这个压力升高的起因是冷风穿透料层的局部阻力系数很大致使透过风量剧降。根据风机特性曲线，风量下降，风压上升。其后果是：带相当液相量的高温熟料产生板结，而不是被冷风吹松吹散；板结的熟料向下游推移，下游风室的风压低，更难以吹松吹散熟料，也减少了透过孰料层的风量。这时，各风室的风机电流都深幅下降。所以，追求厚料层，适度厚一些会增加热回收；但是过头了则会适得其反。当然，过低的篦下压力属于薄料层作业，冷风分布合理性差，且与熟料的热交换时间过短，也是不可取的。我们的任务就是寻找一个热回收良好的篦下压力，而且其风量是经过冷却风机电流验证的。应该强调指出，由于篦板设计和加工的双重原因，国内一些产品的篦缝容易被小颗粒熟料堵塞而产生不可忽视的阻力。这个外加的篦板阻力使篦板实际阻力大增，完全打乱了原有的设计思想，使冷却风机的压力难以与通风阻力项适应，同样地会发生风量剧降、冷却风机电流深幅下降。生产运行中我们务必加强观察，当篦下压力不低时，没有相当的冷却风机电流，就不会有熟料与冷却风之间良好的热交换。另外，我们应该向国外先进制造商学习，改进篦板设计和加工。如果未能良好地解决孰料层透过的风量，就不会有良好的冷却，而热风量及其风温下降了也不会有高的发电量。2.3.2篦床间隙篦床间隙指排内相邻篦板的缝隙、篦板与侧护板之间的缝隙,以及活动篦板与固定篦板之间的缝隙。国际著名设备制造商均高度重视对它的控制，要求从设计、制造加工到安装维护全过程努力,篦床间隙在l-2m11之间，甚至于更小。相比之下，由于全过程的粗放，国内要求安装间隙为4±lm11,实际运行间隙往往远超过此值，一些熟料生产线长期大面积地在Iolmn-2OmnI左右运行。过大的间隙导致大量的冷风短路，间隙单位面积的透过风量过高,短路冷风难以获得较高的风温；短路引起的篦下卸压作用降低了冷风克服篦板与料层阻力以穿透熟料层的能力，使篦缝单位面积通过的冷风量过低。风量分布不合理，篦下风压没有保证，熟料高温区难以吹松吹散，打乱了整个篦床的冷却制度下各风室的冷却分工。结果，回收的热能品位低热量少；篦板容易烧损；大量的热被熟料带出冷却机，对下游的输送、储存和水泥生产制造了一系列麻烦。可以说篦式冷却机几十年的技术进步主要体现在冷风分配的合理性方面，现在我们允许过大的篦床间隙长期存在,说明我们正在背其道而行之。2.3.3熟料粒度熟料由窑内卸出下落的过程中，因为被高度分散，热交换条件十分优越。尤其是细粒熟料，历时虽短，冷却作用却很强。落到床面之后，熟料粒度对热交换的影响仍然十分强烈，因为对流传热与传热面积成正比。球形熟料单位体积所拥有的暴露面积为4Jir2：411r33=r3,即单位体积熟料所拥有的暴露面积同熟料颗粒粒径成反比。粒径越大，单位体积熟料所拥有的暴露面积就越小，传热就越差。另外，熟料颗粒内部由中心往暴露面的热传导过程中，存在着熟料热传导系数很低的问题。在双重因素的影响下，在冷却过程中粗粒熟料的温度场分布很快进入并维持“黑皮红心”状态，直至进入破碎机。试验表明，>10011un的熟料颗粒在任何篦式冷却机篦床上停留20min之内，都达不到设计的冷却要求。该试验数据图示指出：冷却1200s,>100Imn的熟料颗粒,平均温度为320；>15Omm的熟料为790；>25Onnn的熟料为980°Co针对这种情况，采用加长篦床长度以延长冷却时间，或冷端加厚料层加大冷却风量风压，或冷端装上阻力篦板，对“欠冷却”的粗颗粒熟料来说是投入多，产出少；对“过冷却”的细粒料则是做无用功，徒劳无益。配备了第三代篦式冷却机的生产线如果离开冷却机的熟料温度很高，要作测温分析。并不是测出来温度高都是结粒粗大引起的，有时候可能是冷却机使用不当。可能是用风不到位，可能是篦速不合理，也可能是篦床间隙问题等等，或者兼而有之。通过对出冷却机熟料划分粒度等级测温和篦冷机尾端熟料粒度组成测定，如果熟料冷却差的主因在粒度粗大,则在目前技术条件下，只能在篦冷机中部设置辐式破碎机。下面我们还将看到，配置短式破碎机的意义远不在此。我们十分有必要高度关注CP公司在篦冷机中部设置的辐式破碎机。该辑式破碎机与设置在篦冷机尾部出口的传统锤式破碎机相比，有下列优点：被破碎熟料温度可达800；破碎时扬尘量很低，也无熟料飞溅；低辐速带来低磨损，椎间间隙恒定，使破碎出的熟料粒度细小均齐，给后续冷却创造了优越条件，也会使相应热回收区域热风品位大幅攀升；锤式破碎机易损件仅用几个月，辑式破碎机的则可用数年;利于篦冷机尾端降低漏风量；能完全胜任对熟料大块的破碎，不会发生堵塞现象；空转时间远远低于锤式破碎机。辐式破碎机比传统锤式破碎机贵了3倍，但仅易损件一项即可在很短时间内收回对整机的投资2。特别值得强调的是：布置在篦床中部的辐式破碎机由于熟料破碎后颗粒的单位体积暴露面积比锤式破碎机更加大增，热交换大大加速；破碎后的熟料在篦床上又有足够的后续冷却时间与冷风量。结果，出篦冷机熟料的确可以完全降至理想温度，给下游的水泥制造环节提供了优质、高产低能耗与安全运转的优越条件3；同时热回收上升，热能能质提高，为余热发电提供了充足的优质热源。在国外，一些没有上余热发电的熟料生产线也早就配置了辐式破碎机，主要是考虑到它比锤式破碎机在易损件及对下游的影响方面经济上合算。在余热发电方面，以5000td熟料生产线为例：如果在篦冷机出口熟料由180降至90,取比热O.784kJkg°C,回收热为1.47×107kJh,以此热来提高183300Nm>h的锅炉的热风风温，热风取比热1.33kJkg°C,则它将由392上升为453,大大地提高了入锅炉的热风品位，也提高锅炉内部风速使其热交换加强。尤其是关键取热区段热风品位提高给多发电的贡献。综上三方面所述，对我国众多带余热发电的新型干法熟料生产线在篦冷机内部解决粒度问题经济效益十分显著，值得考虑。这种辐式破碎机国内市场将会十分巨大，有关方面应该抓紧时间研发国内自己的产品，并在出窑熟料粒度组成中280m11粗颗粒（包括大块）比例较高的生产线首先试用。2.4漏风漏风有百害而无一利。篦冷机的漏风可分为外部漏入、内部漏风及内部漏出。外部漏入主要发生在窑头罩、AQC锅炉旁路风管、去煤磨热风管道和篦冷机尾部。从传统热工平衡看，漏风的冷风拥有显热，列为热收入项，实际上由于出口风温高于漏入冷风，中间过程中它为吸热项，使系统热耗增加，也降低了混合后的热风品位，往往对热源提出了更高的品位要求，以求混合后维持热风在某一品位。另外，漏入冷风增加了废气处理量，对收尘器规格、结露、收尘效率、风机电耗均有负面影响。窑头罩漏风提供了低品位的冷风入窑，对熟料生产线不利，但让出了高品位热风用在余热发电。从全局利益看，这是不可取的。篦冷机尾部漏风在冷端大门及收尘罩，负压大小及密封程度决定了漏风量。措施之一是加强密封。措施之二是严格控制负压，包括在尾部床面上方设摆动隔墙，或增加垂链密度，让漏入风和尾部床面冷却熟料后的低温风往余风管路直接入窑头收尘器，以避免降低热回收的热能品位。锅炉旁路风管经熟料颗粒磨损而漏入冷风，一般为未上余热发电时作余风管道时磨损。煤磨热风管道漏风主要在磨入口。内部漏风表现在床面及空气室，主要有：室间窜风、空气梁往风室窜风、床面间隙或篦板破损的短路风、高压风管（包括软接头）破损漏风等等。结果，打乱了冷却风的分布，使冷却效率下降。这些内漏风，通过观察篦下各室压力及各冷却风机电流的变化，有助于发现问题。AQC锅炉旁路风阀漏风，会造成热能利用率下降，一些本来用余热发电的热风经旁路短路去了收尘器外排。因此旁路阀的选择十分重要。一些厂用百叶式，一些厂用单页式，都未能保证低泄漏率，尤其是百叶式的旁路阀，泄漏率在3%10%左右。泄漏率高会引起局部高风速区，熟料小颗粒对阀叶、管道磨损特别严重，使泄漏率更高，管道磨破还会漏入冷风。要多加观察检查，加强抗磨能力。提议使用闸阀，并控制泄漏率在05%之内。3几点浅见结合上述，就带余热锅炉篦冷机发展方向谈几点意见，就热能的收支寻求优化组合和同行共同切磋。(1)以吴仲华院士的总能系统概念作指导思想。不能只把眼光盯在现有热风余热上，出篦冷机熟料带走热(包括“红河”细料和“黑皮红心”的大块熟料带走热)、表面散热、短路或旁路的锅炉余风热、锅炉排出气体带走热、漏入冷风吸热及热能收入等，都值得统筹兼顾。(2)克服片面追求局部利益的倾向。寻找单位熟料带入热能和二、三次风抽取热能在数量、质量的最佳范围，妥善协调各回收区的热能分配，寻找系统优化组合，以谋求带余热发电熟料生产线全局长期利益最大化。二、三次适度让热能给AQC锅炉以提高蒸汽初参数值得探讨和试验。(3)根据床面熟料温度分布供给冷却风。床面均匀供风或依床面熟料层阻力供风，因冷却效率差异，熟料“欠风”和“过冷”并存，从风机电耗，热风热量和品位综合考虑，并不是最佳选择。(4)熟料生产和余热发电已构成一个有别于单纯熟料生产的新系统，设计或改造篦冷机必与余热发电等热回收项目多专业地密切相结合。熟料生产和余热发电的控制室宜合不宜分。锅、炉、发电的DCS要统筹安排，不可自成封闭系统，互不往来。（5）篦冷机中部设置轻式破碎机，以增加热回收并在篦冷机中部很狭窄的区段提高其品位，同时大大改善下游水泥生产条件。（6）坚持“能级匹配，梯级利用”的用能原则。根据热回收用场所需要的热量和品位，选择好取风点，加置摆动隔墙，做好风的供给和抽取之间的平衡；通过热端增厚料层等手段，在熟料冷却过程中尽可能早地回收热量，以提高火用值；专设蒸汽过热器热风管特供尽可能高品位的热风；煤磨热源管路中严堵漏风，争取抽取的热风与入磨要求风温相当，需调温时抽取锅炉废弃的100左右的低温热风（或抽取熟料锤式破碎机下方收尘风管的热风）、而不抽取大气中的冷风，以让出高品位热风用于余热发电。（7）以抽取窑头罩或稍后部位的少量热风的风量调节，用于蒸汽初参数的稳定。在高电价时段也可在此多抽取多发，利用煤电价格比的起伏赚取利润。（8）提高保温等级，减少散热损失，像当初一些立窑那样认真保温，外表面温度达到接近环境温度的水平。