篦冷機(jī)尾部廢氣對(duì)水泥窯余熱發(fā)電的影響

【摘要】水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)短期內(nèi)很難有大的革新，但水泥企業(yè)對(duì)余熱發(fā)電的管理還有一定的提升空間。篦冷機(jī)對(duì)余熱發(fā)電的影響非常大，同時(shí)也是提升空間最大的潛力點(diǎn)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，提出調(diào)整篦冷機(jī)尾部余風(fēng)門(mén)來(lái)控制AQC爐進(jìn)口的煙氣參數(shù)，并通過(guò)對(duì)余熱鍋爐的熱力計(jì)算，找到控制尾部余風(fēng)門(mén)開(kāi)度的思路，從而提高余熱發(fā)電量。

【關(guān)鍵詞】篦冷機(jī)；尾部余風(fēng)門(mén)；余熱鍋爐；熱力計(jì)算

水泥窯余熱發(fā)電是指在水泥熟料生產(chǎn)過(guò)程中，利用AQC和SP兩臺(tái)余熱鍋爐分別回收窯頭篦冷機(jī)和窯尾預(yù)熱器排出煙氣的多余熱量，產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽后推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。余熱發(fā)電所發(fā)電量并網(wǎng)不上網(wǎng)，全部用于水泥生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，熟料產(chǎn)量在2500t/d及以上的國(guó)內(nèi)水泥工廠(chǎng)絕大多數(shù)已完成余熱發(fā)電的配套建設(shè)。然而由于對(duì)行業(yè)認(rèn)識(shí)的局限性，余熱發(fā)電一直被視作水泥生產(chǎn)的附屬產(chǎn)業(yè)。雖然經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)非常成熟，短期內(nèi)技術(shù)很難有大的革新，但水泥企業(yè)對(duì)余熱發(fā)電的管理還有一定的提升空間。

1水泥窯余熱發(fā)電量的不穩(wěn)定因素

1.1影響水泥窯余熱發(fā)電量的因素

影響水泥窯余熱發(fā)電量的因素很多。對(duì)于一個(gè)建成投產(chǎn)的余熱電站，余熱資源的總量由篦冷機(jī)和預(yù)熱器出口煙氣的風(fēng)量及溫度共同決定，余熱資源的回收效率由余熱鍋爐及汽輪發(fā)電機(jī)組的性能共同決定。國(guó)內(nèi)水泥窯余熱發(fā)電運(yùn)行的普遍情況是，由水泥窯操作員崗位負(fù)責(zé)控制余熱資源的總量，由電站崗位負(fù)責(zé)控制余熱資源的回收效率。

根據(jù)熟料生產(chǎn)的特點(diǎn)，在熟料產(chǎn)量一定的情況下，預(yù)熱器出口煙氣的風(fēng)量和風(fēng)溫相對(duì)穩(wěn)定，而篦冷機(jī)出口煙氣的風(fēng)量和風(fēng)溫波動(dòng)很大。這就導(dǎo)致即使電站余熱鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)組性能穩(wěn)定的情況下，余熱發(fā)電量的波動(dòng)仍然很大，且電站操作員無(wú)力控制負(fù)荷的波動(dòng)。

1.2影響篦冷機(jī)出口煙氣參數(shù)的因素

AQC爐取風(fēng)口一般設(shè)計(jì)在篦冷機(jī)中部或靠前的位置，煙氣參數(shù)與篦冷機(jī)內(nèi)熟料和空氣的換熱效率直接相關(guān)。影響篦冷機(jī)內(nèi)熱交換效率的因素主要包括：冷卻機(jī)用風(fēng)、熟料料層高度（篦板推速）、熟料空隙率和熟料顆粒粒徑等。由于這些因素同時(shí)影響著水泥窯二、三次風(fēng)，窯操在運(yùn)行中以確保熟料在窯內(nèi)煅燒和篦冷機(jī)內(nèi)驟冷為控制目標(biāo)，無(wú)暇顧及AQC爐取風(fēng)煙氣參數(shù)。

根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為電站操作員除了積極與窯操保持溝通以獲得較好的熱風(fēng)條件外，主動(dòng)調(diào)整篦冷機(jī)尾部余風(fēng)門(mén)是唯一可以用來(lái)改善AQC爐進(jìn)口煙氣參數(shù)，同時(shí)對(duì)窯系統(tǒng)運(yùn)行影響最小的一個(gè)途徑。取風(fēng)口的位置對(duì)煙氣參數(shù)的影響也很大，但對(duì)于電站運(yùn)行而言沒(méi)有調(diào)整余地，本文暫不做討論。

2篦冷機(jī)尾部余風(fēng)門(mén)開(kāi)度變化對(duì)系統(tǒng)的影響

水泥廠(chǎng)中篦冷機(jī)的主要作用是快速冷卻、輸送熟料并回收熟料中含有的大量熱量，回收的熱量用于向窯系統(tǒng)提供二、三次風(fēng)、煤磨烘干和余熱發(fā)電。篦冷機(jī)尾部余風(fēng)所含有的熱量是完全廢棄的，沒(méi)有進(jìn)行回收，因此容易被忽視。篦冷機(jī)工作原理見(jiàn)圖1所示。

在配套建設(shè)了余熱發(fā)電的水泥廠(chǎng)，篦冷機(jī)尾部余風(fēng)門(mén)作為AQC爐的旁路風(fēng)門(mén)，只在開(kāi)窯或者AQC爐故障退爐的時(shí)候使用，久而久之因?yàn)榉e灰或風(fēng)門(mén)變形卡死不動(dòng)了。從Fluent對(duì)篦冷機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行三維模擬結(jié)果來(lái)看，調(diào)整尾部余風(fēng)門(mén)會(huì)改變篦冷機(jī)尾部廢氣的流向，從而改變進(jìn)AQC爐的風(fēng)量和風(fēng)溫，但對(duì)取風(fēng)口更靠前的二、三次風(fēng)和煤磨烘干風(fēng)不會(huì)造成影響，即不會(huì)影響熟料生產(chǎn)。調(diào)整風(fēng)門(mén)后，窯頭系統(tǒng)阻力會(huì)發(fā)生微小變化，通過(guò)微調(diào)頭排風(fēng)機(jī)來(lái)穩(wěn)住窯頭罩負(fù)壓。

篦冷機(jī)內(nèi)熟料和空氣的溫度在沿出口方向都是由高到低，且越往后風(fēng)溫越接近熟料溫度。因此當(dāng)加大尾部余風(fēng)門(mén)開(kāi)度時(shí)，篦冷機(jī)尾部低溫風(fēng)從阻力更小的余風(fēng)管道被抽走，AQC爐進(jìn)口的風(fēng)量下降，但風(fēng)溫會(huì)上升；反之，當(dāng)減小尾部余風(fēng)門(mén)開(kāi)度時(shí)，篦冷機(jī)尾部低溫風(fēng)進(jìn)入阻力更小的AQC爐取風(fēng)口，與中溫風(fēng)混合，增加了AQC爐進(jìn)口風(fēng)量，但風(fēng)溫會(huì)下降。需要找到一個(gè)風(fēng)量和風(fēng)溫的平衡點(diǎn)，使得余熱鍋爐產(chǎn)汽最優(yōu)化。

3煙風(fēng)參數(shù)改變對(duì)發(fā)電量的影響

3.1建立鍋爐模型

以熟料產(chǎn)量5000t/d的回轉(zhuǎn)窯為例，常規(guī)設(shè)計(jì)是AQC爐采用雙壓鍋爐，SP爐采用低壓鍋爐。本文采用浙江大學(xué)熱工與動(dòng)力系統(tǒng)研究所開(kāi)發(fā)的“通用鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算系統(tǒng)BESS 2019版”進(jìn)行建模和計(jì)算。兩臺(tái)鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)圖2和圖3。

3.2確定校核工況

假設(shè)AQC爐運(yùn)行在設(shè)計(jì)工況的風(fēng)量和風(fēng)溫下，篦冷機(jī)尾部余風(fēng)門(mén)打開(kāi)。此時(shí)減小余風(fēng)門(mén)開(kāi)度，篦冷機(jī)尾部轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的低溫風(fēng)以“冷風(fēng)”的形式從取風(fēng)口進(jìn)入AQC爐。在不同的校核工況下， “冷風(fēng)”的風(fēng)量均為原設(shè)計(jì)風(fēng)量的10%即20000Nm3/h，風(fēng)溫與AQC爐設(shè)計(jì)工況下每類(lèi)受熱面出口的煙氣溫度相同，即以相同的風(fēng)量但不同的風(fēng)溫形式給AQC爐進(jìn)口摻入“冷風(fēng)”。當(dāng)核算出來(lái)的余熱發(fā)電量相比設(shè)計(jì)工況下降時(shí)，則篦冷機(jī)尾部的余風(fēng)對(duì)余熱發(fā)電而言成為真正的冷風(fēng)。

3.3結(jié)果展示

以AQC爐中壓段各類(lèi)受熱面出口煙氣溫度為“冷風(fēng)”的核算工況，結(jié)果如表1所示。

以AQC爐低壓段各類(lèi)受熱面出口煙氣溫度為“冷風(fēng)”的核算工況，結(jié)果如表2所示。

4結(jié)論

低壓過(guò)熱器進(jìn)、出口的煙風(fēng)溫差非常小，可將兩者平均值定義為溫度Ⅰ；篦冷機(jī)最尾端的廢氣即篦冷機(jī)內(nèi)溫度最低的廢氣溫度接近熟料出口溫度，可將熟料出口溫度定義為溫度Ⅱ。本文通過(guò)對(duì)余熱鍋爐的建模計(jì)算，分析篦冷機(jī)尾部廢氣對(duì)余熱發(fā)電量的影響，得出結(jié)論：

（1）合理的篦冷機(jī)尾部余風(fēng)門(mén)開(kāi)度可以有效的提高余熱發(fā)電量，并且不對(duì)窯況造成負(fù)面影響，是水泥廠(chǎng)余熱發(fā)電精細(xì)化管理的一個(gè)重要方向。

（2）當(dāng)摻入的“冷風(fēng)”溫度高于溫度Ⅰ時(shí)，對(duì)余熱發(fā)電量有正貢獻(xiàn)；當(dāng)摻入的“冷風(fēng)”溫度低于溫度Ⅰ時(shí)，對(duì)余熱發(fā)電量是負(fù)貢獻(xiàn)。

（3）當(dāng)溫度Ⅱ>溫度Ⅰ時(shí)，篦冷機(jī)內(nèi)所有的廢氣對(duì)余熱發(fā)電量都有正貢獻(xiàn)，應(yīng)全關(guān)篦冷機(jī)尾部余風(fēng)門(mén)，保證所有的廢氣都進(jìn)入AQC爐；當(dāng)溫度Ⅱ<溫度Ⅰ時(shí)，應(yīng)適當(dāng)打開(kāi)篦冷機(jī)尾部余風(fēng)門(mén)，同時(shí)應(yīng)保證尾部余風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)溫小于溫度Ⅰ。

（4）以本文的篦冷機(jī)和鍋爐模型為例，溫度Ⅰ設(shè)計(jì)值為196℃，溫度Ⅱ設(shè)計(jì)值為90℃。在篦冷機(jī)和AQC爐設(shè)備性能正常的情況下，應(yīng)打開(kāi)篦冷機(jī)尾部余風(fēng)門(mén)，控制尾部余風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)溫在140℃左右，可獲得最大的余熱發(fā)電量。

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