水泥窯煙氣凈化及余熱回收的應(yīng)用技術(shù)

節(jié)能，環(huán)保是當(dāng)今世界兩大課題。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，缺煤、缺電、缺油幾乎同時(shí)出現(xiàn)。水泥工業(yè)是能耗大戶，也是重要的環(huán)境污染源。在新經(jīng)濟(jì)時(shí)代到來的今天，我國(guó)水泥工業(yè)有了很大的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也受到資源、能源與環(huán)境的挑戰(zhàn)。為了使我國(guó)水泥工業(yè)更好地持續(xù)發(fā)展，應(yīng)該努力使水泥工業(yè)成為資源型、節(jié)能型、環(huán)保型的綠色的可持續(xù)發(fā)展的水泥工業(yè)。

1  水泥窯含塵煙氣的凈化

1.1概述

新型干法窯的含塵煙氣是由一級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器排出的，含塵煙氣的特點(diǎn)表現(xiàn)在：煙氣量大；煙氣溫度較高；粉塵濃度高（一般為40-80g/Nm³,個(gè)別超過100 g/Nm³）;粉塵顆粒細(xì)（粒徑小于10μ者占90％-97％，小于2-3μ者占50％）；粉塵比電阻也高（達(dá)10-10Ω-cm）。過去國(guó)內(nèi)外回轉(zhuǎn)窯窯尾不論其規(guī)模大小一般采用電除塵器。而美國(guó)早在20世紀(jì)70年代中葉就有1/3的水泥回轉(zhuǎn)窯窯尾采用袋除塵器，到20世紀(jì)80年代末已有90％采用袋除塵器。近年來，部分國(guó)家（如韓國(guó)等）把一些老化的水泥回轉(zhuǎn)窯窯尾電除塵器改為袋除塵器（有的保留電除塵器外殼進(jìn)行內(nèi)部改造，有的直接用袋除塵器取代電除塵器）。國(guó)內(nèi)20世紀(jì)70年代僅僅有少量水泥廠（如湖南辰溪、常州、徐州、通化等水泥窯）的窯尾先后采用了玻纖袋除塵器，但這些窯的處理風(fēng)量最大僅為200000m³/h。20世紀(jì)80年代開始也在大型干法水泥回轉(zhuǎn)窯上,窯尾采用了袋除塵器（處理風(fēng)量大于300000 m³/h。）,例如北京﹑山西水泥廠（2000t/d），均使用良好。近年來,隨著袋除塵器濾料材質(zhì)的提高,清灰技術(shù)和結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化等技術(shù)進(jìn)步,為大型袋除塵器的廣泛的應(yīng)用提供了技術(shù)保證。例如富陽(5000t/d)；東駿(4000t/d)；寧波富達(dá)﹑金首(分別為2500t/d)水泥廠等窯尾均采用了袋除塵器。

1.2袋除塵器的特點(diǎn)

由于袋除塵器與電除塵器相比有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使得它的應(yīng)用前景十分廣闊。新修訂的《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（修訂稿）規(guī)定：“新建、改建、擴(kuò)建水泥生產(chǎn)線，采用新型干法水泥生產(chǎn)工藝，且窯尾一律采用布袋除塵器”。其主要特點(diǎn)：

⑴．對(duì)窯工況變化的適應(yīng)能力及對(duì)環(huán)保要求的適應(yīng)能力強(qiáng)

無論是電除塵器還是袋除塵器都有很高的收塵效果，只要設(shè)計(jì)正確，產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良，維護(hù)操作合理均能保證達(dá)到國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。相比較而言，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)及除塵機(jī)理的不同，當(dāng)窯工況失穩(wěn)，熱工參數(shù)偏離原除塵器設(shè)計(jì)指標(biāo)波動(dòng)變化時(shí)，由于電除塵器的除塵極板面積一定，無法根隨廢氣量或含塵濃度的變化而變化，此時(shí)，將導(dǎo)致除塵效率下降而使排放濃度增加?？纱龎m器就不存在這個(gè)問題，因其濾袋面積基本不受廢氣量或含塵濃度的影響。當(dāng)廢氣量增大或含塵濃度增加時(shí)，只會(huì)使其過濾風(fēng)速加大，阻力上升速度加快，此時(shí)只要調(diào)整濾袋清灰周期增加清灰次數(shù)即可滿足除塵要求，除塵效率不致于下降?？梢娝倪m應(yīng)能力要強(qiáng)些。

隨著人們對(duì)生存環(huán)境要求的不斷提高，政府必然會(huì)根據(jù)國(guó)情及參考國(guó)際水平逐步提高環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。目前電除塵器要進(jìn)一步降低出口濃度的技術(shù)只有靠增加沉極面積來提高除塵效率才能減小排放量，這勢(shì)必增加設(shè)備體積和投資。而袋除塵器同樣只需通過調(diào)整清灰頻率就可滿足要求。

⑵．袋除塵器能捕捉細(xì)微的粉塵

隨著濾料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，它已經(jīng)可以選擇滿足捕捉細(xì)微粉塵的濾料。這就使除塵效率大大提高。

⑶．袋除塵器運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單可靠 

水泥窯運(yùn)行過程中，在開窯或處理不正常窯況時(shí)：在燃料量增加，空氣量不足或是燃料與空氣量混合不均時(shí)；在窯溫過低使燃料燃燒不完全時(shí)，往往有可能產(chǎn)生大量的CO可燃?xì)怏w，以及過量的未燃盡煤粉進(jìn)入除塵器內(nèi)沉積。另外，大多數(shù)窯尾除塵器是負(fù)壓操作，在設(shè)備及管道不嚴(yán)密處漏入空氣。不論是電除塵器還是袋除塵器如果機(jī)內(nèi)存在上述兩種情況（即機(jī)內(nèi)有可燃物質(zhì)和助燃氧氣），一旦遇上明火，都同樣存在燃爆的可能。對(duì)電除塵器而言，因高壓電場(chǎng)的放電火花將激發(fā)它的燃爆，其燃爆的可能性更大些，因此，窯尾必須裝設(shè)CO及O2分析儀，以確保電除塵器的安全運(yùn)行。而對(duì)袋除塵器因機(jī)內(nèi)不具備產(chǎn)生明火的條件，相對(duì)電除塵器來說，其安全性要大些，對(duì)其控制要求就不需要如此嚴(yán)格，因此其操作運(yùn)行相對(duì)簡(jiǎn)單。

 除塵器長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，總不免會(huì)發(fā)生一些故障，對(duì)電除塵器來說，一旦出現(xiàn)突發(fā)性故障，影響整機(jī)過程時(shí)，就必需停機(jī)離檢修。而大型袋除塵器都采用分室結(jié)構(gòu)離線清灰當(dāng)某一室發(fā)生故障可離線檢修，對(duì)整機(jī)運(yùn)行基本上沒有影響，僅過濾風(fēng)速略有增加而已。

⑷．袋除塵器可保證在非正常情況下的最小排放；

現(xiàn)有水泥窯大都采用電除塵器，因電除塵器自身的安全要求，有兩種超標(biāo)情況：

①點(diǎn)窯時(shí)煤燃燒不完全，CO超標(biāo)，此時(shí)不向電除塵器供電引起粉塵濃度超標(biāo)排放。不過，它的時(shí)間不長(zhǎng)，超標(biāo)排放量也不大，可以忽略。窯點(diǎn)火時(shí)窯溫上升到一定，燃燒基本正常時(shí)才投料，電除塵器才投入運(yùn)行。此段時(shí)間很短，而投料之前，只有煙塵，即使有一段時(shí)間超標(biāo)，超標(biāo)值很少（200～300mg/m³），排放總量也可忽略。

②生產(chǎn)過程中，由于操作不當(dāng)造成CO超標(biāo)，停止向電除塵器供電引起粉塵濃度超標(biāo)排放。此時(shí)由于要對(duì)窯系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，不能停止運(yùn)行，因此只能停止向電除塵器供電而引起粉塵濃度超標(biāo)排放，此時(shí)粉塵濃度超標(biāo)排放量就大了。

估算：窯尾粉塵濃度平均為60～80g/Nm³增濕塔及電除塵器殼體的沉降率分別為20％、50％則排入大氣的粉塵濃度為60～80×（1﹣0.2）×（1﹣0.5）＝24.0～32 g/Nm³，國(guó)家規(guī)定的水泥窯排放標(biāo)準(zhǔn)為100 mg/Nm³，生產(chǎn)過程中由于操作不當(dāng)造成CO超標(biāo)，停止向電除塵器供電而引起粉塵濃度超標(biāo)排放量為達(dá)標(biāo)排放量的240～320倍，這是十分驚人的。而采用袋式除塵器就可避免此情況。

與電除塵器比較，袋除塵器有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，更能適應(yīng)當(dāng)前和今后的環(huán)保要求。隨著環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、大型袋除塵器設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化、部件質(zhì)量的提高，特別是濾料技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)目前的制造水平，很多廠家已完全具備生產(chǎn)大型袋除塵器的裝備和力量，來滿足水泥工業(yè)及其它工業(yè)生產(chǎn)的要求。實(shí)際上許多工廠已生產(chǎn)了各種規(guī)格大型袋除塵器應(yīng)用于水泥窯上，且運(yùn)行情況十分良好。

2  水泥窯煙氣的降溫和余熱回收

2.1煙氣的降溫

新型干法水泥窯從預(yù)熱器排出的廢氣溫度較高,一般在320-350℃,袋除塵器的濾料的耐溫約250℃，因此需要降溫，除工藝中利用其作為原料磨的烘干熱源之外,一般降溫方法還有幾種：

①摻冷風(fēng)：只要在管道系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)冷風(fēng)蝶閥即可。缺點(diǎn)是冷風(fēng)摻入后，廢氣量增大，風(fēng)機(jī)電耗增加，浪費(fèi)能源。

②增濕塔或管道噴水：噴水降溫將使廢氣中的濕度加大，如控制不好會(huì)造成糊袋，既增加了電耗，又浪費(fèi)熱源。

③煙氣冷卻器：它是利用自然風(fēng)或機(jī)械風(fēng)強(qiáng)制冷卻管內(nèi)的廢氣。它的換熱率低，,耗鋼量大，同時(shí)機(jī)械冷卻.還要消耗電能。例如規(guī)模1000t/d水泥窯煙氣量210000m³/h，煙氣溫度350℃降到250℃設(shè)置強(qiáng)制煙氣冷卻器,金屬重量約34t，配備的風(fēng)機(jī)功率約5臺(tái)11kW。

2.2煙氣熱量的回收

從水泥窯窯尾一級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器排出的含塵煙氣溫度（約320～350℃）經(jīng)余熱鍋爐（或熱交換器）后，將水加熱至系統(tǒng)所需要的溫度（根據(jù)不同的用途而定）。煙氣溫度降至250℃左右，最后含塵煙氣進(jìn)入袋除塵器凈化，排入大氣。如采用水泥窯窯頭的熱風(fēng)，因其余風(fēng)溫度較低(約220-250℃), 經(jīng)余熱鍋爐（或熱交換器）后，可將余風(fēng)溫度降到120～150℃,這樣袋除塵器就可選用一般的濾料，袋除塵器造價(jià)就可降低很多。

日產(chǎn)1000t/d熟料水泥窯可回收13.1×106kJ/h 左右,相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤446kg/h (10.7t/d,3317 t/y)。實(shí)物煤（以20935 kJ/h計(jì)），則節(jié)省626 kg/h（15 t/d, 4650t/y）。若以煤價(jià)500元/噸計(jì)則每年回收232.5萬元。如果采用強(qiáng)制煙氣冷卻器則多消耗電能55kw/h (1320kW/d 409200kW/y)，以0.5元/kW.h計(jì),則每年電費(fèi)多開支20.5萬元。它們分別設(shè)置的熱能回收裝置與強(qiáng)制煙氣冷卻器，其初投資差別不大，但是設(shè)置了熱能回收裝置，不但節(jié)能，而且能給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，我們認(rèn)為凡是熱力設(shè)備有余熱排出之處均建議設(shè)置余熱回收裝置，它具有十分重要的意義，其創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值也是很可觀的。

根據(jù)熱源情況及用戶需要，可產(chǎn)生不同溫度的熱水或不同壓力的蒸氣。它的應(yīng)用范圍很廣，例如供應(yīng)工廠的洗澡熱水或飲用開水；可解決企業(yè)大面積的夏季集中空調(diào)和冬季采暖；還可以實(shí)現(xiàn)低溫余熱發(fā)電等。下面主要談?wù)劦蜏赜酂岚l(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)和回收水泥窯的余熱應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)。

3水泥窯余熱的應(yīng)用技術(shù)

3.1 純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)

純低溫余熱發(fā)電是一項(xiàng)新的技術(shù)。它是完全利用余熱,無外加熱源的發(fā)電系統(tǒng),(水泥企業(yè)目前還有一種是外加一臺(tái)補(bǔ)燃鍋爐的發(fā)電系統(tǒng),它的發(fā)電量大，經(jīng)濟(jì)效益好，但是它的投資額大，且獲得上級(jí)批準(zhǔn)的難度較大。

國(guó)外水泥窯余熱發(fā)電均為純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，1995年日本川琦公司向海螺寧國(guó)水泥廠無償提供了一套裝配在4000t/d水泥熟料生產(chǎn)線的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)。主要包括窯頭鍋爐，窯尾鍋爐及混壓進(jìn)汽純凝式汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)，裝機(jī)功率6480kW。1996年11月正式動(dòng)工，1998年2月一次并網(wǎng)發(fā)電成功，其實(shí)際發(fā)電量達(dá)7000kW左右，噸熟料發(fā)電能力42kW/t?？鄢l(fā)電系統(tǒng)自用電8％，實(shí)際供電量達(dá)6440kW左右，發(fā)電成本當(dāng)年核算僅0.02元/kWh。技術(shù)是相當(dāng)先進(jìn)的。但是，如果我們從國(guó)外購(gòu)買一套裝置，其價(jià)格非常昂貴，一般難以承受。

我院自行開發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)，1998年為江西萬年青水泥股份有限公司2000t/d熟料3#窯生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)了一套純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng),這是我國(guó)第一套成功實(shí)現(xiàn)全國(guó)產(chǎn)設(shè)備的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)3000kW低參數(shù)汽輪發(fā)電機(jī)組，余熱鍋爐分別設(shè)置在窯尾（稱為SP爐）和窯頭（稱為AQC爐）。SP爐廢氣溫度一般300～400℃，含塵濃度高（60～80g/Nm³）；AQC爐廢氣溫度一般200-250℃，含塵濃度較低（10-20 g/Nm³）。產(chǎn)生的主要蒸氣壓力1.27MPa，蒸氣溫度320℃。該系統(tǒng)于1999年初一次投入使用，并發(fā)電成功，運(yùn)行良好，實(shí)際發(fā)電量一般在2400 kW，最高達(dá)2800 kW，噸熟料發(fā)電能力約30kW/t。由于余熱鍋爐本體受熱面（特別是蒸發(fā)段和過熱段）偏小，使余熱鍋爐熱利用不夠充分，導(dǎo)致發(fā)電量偏低，總的來說系統(tǒng)是成功的。該系統(tǒng)的成功運(yùn)行以及目前存在的問題，為我們今后設(shè)計(jì)純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。純低溫余熱發(fā)電的特點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、便于管理、投資小(見表1)，但它的發(fā)電量較?。òl(fā)電能力約30kW/t）。

國(guó)產(chǎn)純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的一般配置及投資估算         表1

國(guó)產(chǎn)純低溫余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)（見圖1）

圖1   純低溫余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)

3.2應(yīng)用于中央空調(diào)的技術(shù)

3.2.1概述

時(shí)代發(fā)展到今天，空調(diào)已成為人們工作、生活必不可少的需求?？照{(diào)行業(yè)也成了我國(guó)改革開放以來發(fā)展最快、對(duì)國(guó)家和人民生活影響最大的行業(yè)之一?？墒?，它也受到電力的制約，我國(guó)電力需求近幾年出現(xiàn)了歷史上罕見的持續(xù)高速增長(zhǎng)，供需矛盾突出。其中空調(diào)用電占有很大的比重。2004年空調(diào)用電占全國(guó)耗電的20％左右，而且由于空調(diào)用電時(shí)間集中，加重了高峰用電負(fù)荷。2003年夏季空調(diào)用電占尖峰負(fù)荷的40％～50％，20多個(gè)省市出現(xiàn)拉閘限電，嚴(yán)重影響了­居民生活和企業(yè)生產(chǎn)。因此，節(jié)能就具有重要意義。節(jié)能是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)期也是當(dāng)前一項(xiàng)極為迫切的任務(wù)。我國(guó)早在九十年代中期，就提出了“堅(jiān)持開發(fā)與節(jié)約并舉”的能源工業(yè)發(fā)展方針。目前集中空調(diào)大都采用壓縮制冷,它先消耗的電能大，今天推薦的一種利用水泥窯的余熱采用吸收式的制冷空調(diào)方案，它的用電量也很少（系統(tǒng)用電量大約是電制冷系統(tǒng)的36.8％）。這樣一來，既為企業(yè)生產(chǎn)和職工創(chuàng)造了良好的工作﹑生活環(huán)境，又非常節(jié)省能源。

3.2.2基本原理

壓縮制冷是電能的轉(zhuǎn)換過程，壓縮機(jī)將蒸發(fā)器內(nèi)所產(chǎn)生的低壓低溫的制冷劑氣體（如氟利昂）氣體吸入氣缸內(nèi)，經(jīng)壓縮后成為壓力溫度較高的氣體被排入冷凝器冷凝成液體，再經(jīng)調(diào)壓閥節(jié)流降壓進(jìn)入蒸發(fā)器，此時(shí)低壓制冷劑液體汽化吸收蒸發(fā)器內(nèi)水的熱量而降溫，這就是我們所需要的空調(diào)冷凍水。壓縮過程需要消耗較大電能。

吸收式制冷是靠消耗熱能來作為補(bǔ)償?shù)?，而這種熱能主要是低位熱能，例如0.5～0.7表壓的蒸汽，或60℃以上的熱水。吸收式制冷一般是指溴化鋰吸收式制冷。溴化鋰水溶液只是吸收劑，其中水才是真正的制冷劑，利用水在高真空下低沸點(diǎn)汽化，吸收熱量達(dá)到制冷目的。（這是一項(xiàng)很成熟的技術(shù)，已有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品供應(yīng)市場(chǎng)，且早已得到廣泛的應(yīng)用。）

3.2.3空調(diào)系統(tǒng)

假設(shè)一臺(tái)制冷量1160kW 的吸收式制冷機(jī)，冷水量200m³/h，冷卻水量389m³/h，熱水量25.6m³/h，熱水進(jìn)口溫度120℃，需要水泥窯提供的熱量約1286×104kJ/h（可從窯尾或窯頭的余熱中獲取），能解決建筑面積約6000-7000m²的空調(diào)需求（可根據(jù)工廠的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)）。

空調(diào)系統(tǒng)工藝流程  (見圖2)

圖2    空調(diào)系統(tǒng)工藝流程

夏季：130℃的高溫水進(jìn)入吸收式制冷機(jī)，將制冷水從溫度12℃降至7℃，7℃的制冷水再送到空調(diào)用戶使用（如風(fēng)機(jī)盤管），吸收室內(nèi)熱量后室內(nèi)溫度降低（約27℃），制冷水溫度升高（約12℃），回到吸收式制冷機(jī)，如此循環(huán)。

冬季：130℃的高溫水經(jīng)水-水熱交換器將空調(diào)熱回水（約50℃）加熱至60℃左右，60℃的熱水再送到空調(diào)用戶使用（如風(fēng)機(jī)盤管），加熱室內(nèi)溫度。室溫提高后（約21℃）空調(diào)水溫度降低（約50℃），回到水-水熱交換器將空調(diào)熱回水加熱至60℃，亦如此循環(huán)。

3.2.4  空調(diào)系統(tǒng)比較

常見的中央空調(diào)系統(tǒng)由制冷機(jī)（電制冷機(jī)或吸收式制冷機(jī)）、循環(huán)泵、末端裝置（例如風(fēng)機(jī)盤管，新風(fēng)機(jī)組）等組成，（見空調(diào)系統(tǒng)工藝流程圖）。以制冷量418.7×104kJ/h為例，對(duì)吸收式制冷空調(diào)與一般電制冷空調(diào)主要性能指標(biāo)作一比較(列表2.)，就可看出吸收式制冷的顯著的優(yōu)點(diǎn)。

中央空調(diào)系統(tǒng)主要性能指標(biāo)比較                  表 2

3.2.5  結(jié)論                                        

⑴可見，吸收式制冷可以降低能耗，節(jié)約用電。（主機(jī)用電量只有電制冷2.8％，系統(tǒng)用電量也只有電制冷的36.8％,比電制冷節(jié)省了65％）。這也大大地降低了運(yùn)行費(fèi)用；

⑵該項(xiàng)技術(shù)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，安裝完畢可一次投入運(yùn)行，且操作簡(jiǎn)單穩(wěn)定，故障率低，已得到廣泛應(yīng)用。我們可提供成套優(yōu)質(zhì)服務(wù)（包括：設(shè)計(jì)、供貨、安裝、調(diào)試）；

⑶吸收式制冷屬環(huán)保型，而電制冷的制冷劑大都是氟利昂，對(duì)大氣臭氧層有破壞作用及產(chǎn)生溫室效應(yīng)，造成氣候的變異。

總之, 如企業(yè)客戶資金緊缺搞不成低溫余熱發(fā)電,同時(shí)又有空調(diào)需求時(shí),利用水泥窯余熱設(shè)置吸收式制冷方案不能不說是一個(gè)最佳方案。它節(jié)能 (特別是對(duì)當(dāng)前電力供應(yīng)十分緊張的情況下更顯優(yōu)勢(shì))，一次性投資不大(不到300萬元)，運(yùn)行費(fèi)用不高,技術(shù)成熟。我們可以說，水泥企業(yè)設(shè)置節(jié)能型中央空調(diào)系統(tǒng)為水泥窯余熱回收的應(yīng)用擴(kuò)展了一個(gè)新的領(lǐng)域。