摘要:
一、窯頭低溫廢氣余熱的循環利用
水泥窯實施純低溫余熱發電項目后，在采用較先進的低溫低壓補汽系統情況下，窯尾余熱鍋爐（SP爐）的排煙溫度可做到165℃左右，這部分廢氣中的余熱大都用于原料（生料）磨作為烘干熱源加于利用；窯頭余熱鍋爐（AQC爐）在設置鍋爐熱水段后排煙溫度可做到130℃左右，這部分廢氣與窯頭篦冷機余風混合后的溫度為110℃左右，一般經窯頭收塵后排放。
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如何利用窯頭排放廢氣中的余熱資源？理論上有使用低沸點工質換熱后用于發電的方案，但其經濟性和實用性尚需探討；此外還有生產熱水等方案。我們采用了易世達能源工程公司的方案，將窯頭廢氣經篦冷機風機引回中溫段，通過循環利用其熱焓提高AQC爐的產汽量，方案示意如附圖1。
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本方案的要點在于將110℃左右目前難于利用的低溫廢氣通過與篦冷機內的中溫（500℃左右）熟料換熱升溫后加于利用，實現低溫廢氣余熱資源焓—? 的轉換。本方案在工程實踐中已解決的問題有以下幾點：
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1、對熟料冷卻尤其是出窯熟料驟冷要求的影響
篦冷機在預分解窯系統中作為一項重要的熱工設備，主要完成對出窯熟料（1300℃左右）的冷卻和回收熱能兩項任務。一般要求出篦冷機的熟料溫度<65℃＋環境溫度；此外要求在篦冷機高溫區段對出窯熟料實現驟冷，以阻止熟料礦物晶體的長大和其中阿利特礦物C2S由β型向γ型的轉化。
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分析出窯熟料在篦冷機中的運動和冷卻過程，在推動型篦冷機（目前通常稱第三/第四代）中，熟料在篦床上的冷卻可劃分為高中低溫三個區段：其高溫區主要實現對出窯熟料的驟冷并提高入窯和入爐的二、三次風溫；中溫區為熱回收區：低溫區實現對熟料的進一步冷卻、降低出篦冷機的熟料溫度。
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分析篦冷機的風量分配關系：冷卻用風由各段風機分別鼓入，風溫為20℃左右，高中低溫三個區段的進風量分別占總風量的31%、50%和19%左右。換熱后出篦冷機的風量分配為；入窯二次風占15%左右（標況、風溫1050℃左右）；入分解爐三次風占22%左右（標況、風溫950℃左右）；其余作為余風排放。在無純低溫余熱發電項目時余風風溫200℃左右；實施純低溫余熱發電項目后，余風風量中65%左右的中低溫風（500℃和300℃左右）通過窯頭余熱鍋爐（AQC爐）加于利用，排放的余風風溫為100℃左右。
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綜上分析，將110℃左右的低溫廢氣代替常溫風（20℃左右，簡稱循環風）引入篦冷機中溫區，不會影響篦冷機對出窯熟料的驟冷；因中溫區大部分余風引入AQC爐也不會影響出窯熟料溫度。
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2005年下半年浙江興寶龍預分解窯（1600t/d）純低溫余熱發電項目已使用本方案，經實測對出篦冷機熟料溫度無影響；經熟料易磨性對比試驗，不影響對出窯熟料的驟冷要求。
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2、對篦冷機篦板、傳動裝置和電氣線路的影響和措施
篦冷機篦板頂面與熾熱熟料接觸（第四代篦冷機有冷料層溫度較低），底面及風道受到冷卻用風的冷卻作用。在使用110℃左右低溫風代替常溫風時，會引起篦板工況溫度上升，實測對比提高60℃左右。由于篦板大都使用耐熱鋼制作，引起的溫升仍遠低于篦板材質的許用工作溫度。興寶龍公司使用本方案已運行三年多，對篦板使用壽命無明顯影響。
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篦冷機傳動裝置大都使用普通鋼材，第三代篦冷機的傳動裝置部分位于風室中。提高風溫后，工況溫度在傳動裝置材質許用溫度范圍內。主要影響是潤滑脂（油），需改用耐高溫潤滑脂或使用稀油強制潤滑。
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篦冷機風室中設有測溫和觀察用照明裝置。風溫的提高對測溫元件無影響。照明裝置需改用耐溫較高的瓷質燈座，測溫信號和照明引線改用耐溫較高的F級絕緣電纜。
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3、對篦冷機中溫室風機的影響和措施
使用循環風代替常溫風后，因風溫較低（110℃左右），仍可使用原有普通引風機，不需改用高溫風機。需關注的問題有兩個。一是風機葉輪和機殼的防磨損措施，窯頭余風中含有細小熟料顆粒，循環風應經窯頭收塵后再引回，在此情況下需加強窯頭收塵的防漏風措施，以免降低循環風溫度。如需在窯頭收塵前取循環風，風機需改用耐磨葉輪，機殼需采用貼耐磨陶瓷片等防磨損措施。二是風機的工作全壓問題。風機進風由常溫常壓改為循環風后，需克服循環風引風管的阻力。中溫室風機全壓無富裕量時，需加大風機的工作全壓值。浙江興寶龍應用本方案時因風機全壓富裕量較大對風機未作調整；新都水泥公司水泥技改項目(2500t/d)與純低溫余熱發電項目同步實施，篦冷機兩臺中溫風機選用較高全壓值并采用變頻調速裝置。
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二、在窯尾二級預熱器旋風筒內設置過熱器
易世達能源公司根據篦冷機內部廢氣溫度的分布規律對窯頭廢氣余熱資源實施分級利用，窯頭余熱鍋爐系統設置獨立的過熱器（ASH），為提高余熱發電主蒸汽參數和提高余熱發電系統的熱功轉換效率奠定了基礎，這一方案目前已得到廣泛應用。在此基礎上為了進一步提高余熱發電系統運行穩定性，我們在浙江興寶龍余熱發電項目中進行了窯尾二級預熱器旋風筒內設置過熱器的工業試驗并取得成功，2007年初投運至今運行正常。目前浙江新都水泥余熱發電項目再次應用二級預熱器旋風筒內設置過熱器方案，并在興寶龍方案基礎上有所改進。
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1、在C2旋風筒內設置的SSH余熱過熱器
SSH余熱過熱器是一個特殊形狀的過熱器，其結構、外形尺寸與窯系統二級預熱器旋風筒的內筒一致，以過熱管束為主組成，代替二級預熱器旋風筒的內筒。其使用功能是雙重的：既是過熱器又起到旋風筒內筒的作用。示意圖見附圖。選擇在二級預熱器旋風筒內設置過熱器的主要原因是考慮過熱溫度的需要（C2廢氣溫度500～550℃）、防止生料粉在過熱器上的過度粘附和不影響窯尾預熱器系統的正常工作。
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2、SSH余熱過熱器的作用
如前所述，對篦冷機廢氣按溫度分別利用和獨立的窯頭過熱器方案為提高余熱發電系統的主蒸汽參數創造了條件。目前廣泛應用的系統是窯頭、窯尾余熱鍋爐的飽和蒸汽均引入窯頭過熱器過熱。由于水泥窯生產過程特點，窯尾廢氣溫度較為穩定、窯頭廢氣溫度波動較大；窯尾廢氣量大相應的窯尾余熱鍋爐產汽量也大。運行中在窯頭廢氣溫度波動時會導致主蒸汽參數的較大波動，雖然余熱電站汽機系統可以滑壓運行，但主蒸汽參數的較大波動會導致系統偏離經濟（最佳）運行點，引起平均發電量的下降。窯尾設置過熱器后，因窯尾廢氣量大且溫度較為穩定，可使主蒸汽參數穩定并提高余熱發電量。與此同時窯頭、窯尾兩套余熱鍋爐系統形成并聯供汽，系統的可靠性提高。
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表面看來，在C2旋風筒內設置過熱器存在與水泥窯預熱系統爭搶余熱之嫌，實質上有余熱資源利用效率的區分。在水泥窯五級預熱器中，最上級預熱器C1的換熱比例較小。而余熱發電系統的特點，產生飽和蒸汽（相變換熱）的吸熱量大，過熱飽和蒸汽的吸熱量小。因此從技術經濟角度分析，在C2旋風筒內設置過熱器是合理的。
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3、SSH余熱過熱器對水泥工藝和SP爐產汽量的影響
預分解窯尾五級預熱器的換熱過程主要在上升管道中完成，因此在C2旋風筒內設置過熱器不影響C2預熱器的換熱。由于過熱器的結構及外形尺寸與C2旋風筒內筒一致，不增加C2旋風筒及窯尾預熱系統的工況阻力。另一方面，過熱窯尾SP爐飽和蒸汽所需熱量分別為：1.27MPa—190.7℃飽和蒸汽過熱到345℃時需?? kcal/t蒸汽；2.45MPa—222.9℃飽和蒸汽過熱到380℃時需?? kcal/t蒸汽。因過熱飽和蒸汽引起C2預熱器出口廢氣溫度下降為15℃左右，對入窯生料在C1預熱器的換熱影響不大，對窯系統的正常生產無不良影響。相應的，在窯系統相同熱耗時、由于C2預熱器出口廢氣溫度下降引起C1預熱器出口廢氣溫度下降，會影響到窯尾SP爐的產汽量，綜合考慮余熱發電主蒸汽壓力、過熱度、流量和系統穩定性多方面影響，采用SSH余熱過熱器技術對提高余熱發電量有利。
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4、應用實例
浙江興寶龍公司水泥窯較小（Φ3.6×52m）,但產量較高（06年平均日產1650噸）、煤耗低，窯尾C1出口廢氣平均溫度316℃。純低溫余熱發電系統設計主蒸汽參數為1.27MPa-345℃。由于C1出口廢氣平均溫度低且使用二手汽機汽耗率較高，也無低溫低壓補汽，設計平均發電功率1.95MW。余熱發電項目投運不久即采用SSH余熱過熱器技術，平均發電功率提高到2.08MW,提高6.7%。從窯系統運行數據看，C1出口溫度平均下降11.5℃, C1出口負壓基本無變化。SSH余熱過熱器在興寶龍公司運行已近40個月，除今年4月因吹掃用壓縮空氣帶水造成少量過熱器換熱管漏水外未發生其他故障，也無影響窯系統運行的其他問題。
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計劃在浙江新都水泥公司與余熱發電項目同步投運的SSH余熱過熱器，在興寶龍工業性試驗基礎上有較大改進，預計其使用效果更好。
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三、回轉窯筒體散熱的利用
1、技術背景
附圖所示為水泥煅燒用回轉窯筒體結構示意圖。回轉窯筒體內部溫度高，窯外分解窯為900～1600℃。盡管采用各種隔熱措施（目前主要是耐火磚和窯皮），窯筒體表面溫度仍較高，窯外分解窯筒體表面溫度沿窯筒體軸向分布變化范圍在120-400℃之間，平均溫度為270℃左右，由此帶來的散熱損失占水泥熟料燒成熱耗的5%以上。以2500t/d窯外分解窯為例，按年有效運轉300天，噸熟料熱耗770kcal/t-cl、窯筒體散熱5%計算，窯筒體一年的散熱損失為2.89×107kcal、折合標準煤4130噸。此外，窯筒體溫度較高部分還需要使用風機鼓風冷卻，再耗費一部分電能，仍以2500t/d窯外分解窯為例，年耗電25萬kwh左右。
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到目前為止，水泥行業對回轉窯筒體散熱還沒有較好的利用方法。國內北方一些水泥廠有產生熱水取暖的利用方法，在窯筒體表面溫度較高部位（燒成帶或過渡帶靠窯頭部位）裝設半封閉的隔熱罩（全封閉會帶來窯筒體超溫問題），在該隔熱罩內朝回轉窯側裝設換熱水管，依靠窯筒體表面對換熱水管的輻射換熱取得熱水用于采暖，但由于低溫輻射換熱、傳熱效率很低。同樣地，筆者了解到某項利用窯筒體散熱產生蒸汽的方案中，由于包裹在窯筒體外的蒸汽發生器與窯筒體之間必須有空氣間隙，在依靠低溫輻射換熱情況下，不僅傳熱效率低，還極易引起窯筒體超溫，在實用意義上存在困難。
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筆者2007年和易世達公司專家合作在浙江興寶龍新型干法回轉窯上進行利用窯筒體表面散熱增加余熱發電量的工業性試驗。技術要點為：在窯筒體過渡帶溫度較高部位裝設全封閉隔熱罩，在該隔熱罩與窯筒體之間形成的封閉內腔中通入空氣，以強制對流換熱方式對窯筒體表面換熱。換熱后取得的熱風引入篦冷機再升溫，與篦冷機廢氣一起作為余熱發電窯頭鍋爐（AQC爐）的熱源。試驗取得一定成功，在窯系統相同工況下增加了AQC爐產汽量。存在的問題是用空氣作為換熱介質時，由于空氣的導熱性能差，對流換熱的效率不高，需進一步改進。
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2、技術方案
本方案所要解決的技術問題是提供一種可實用的水泥回轉窯筒體散熱回收利用裝置，可以有效換熱并解決可能引起回轉窯筒體表面超溫等問題。本方案已獲得專利授權（證書號1183223），目前處于小試階段。方案要點為：
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（1）在回轉窯筒體上分段裝設換熱罩，換熱罩與回轉窯筒體之間采用特殊設計的密封結構，使回轉窯筒體與換熱罩之間形成密封的換熱腔。換熱腔內充滿水和汽水混合物，對回轉窯筒體進行相變和對流傳導換熱；換熱后可直接產生低溫低壓蒸汽用于水泥廠純低溫余熱發電，系統圖如附圖? 所示。
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在回轉窯筒體上安裝6組換熱裝置，汽包可安裝在窯尾預熱器框架上。位于窯尾的6#換熱裝置用于給水預熱。位于窯燒成帶的1#、2#、3#換熱裝置和位于窯過渡帶的5#換熱裝置作蒸發器使用，用于產生蒸汽（汽水混合物）；位于窯過渡帶（筒體表面溫度較高）的4#換熱裝置可作為過熱器使用。
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（2）用作蒸發器的換熱裝置工作原理相同。通過6#換熱器預熱后的水從底部進入換熱裝置的換熱腔，與溫度較高的窯筒體表面（表面溫度大于>150℃）直接接觸發生自然對流沸騰或核態沸騰，汽泡上升至所述換熱腔上部的集氣區，集汽區的飽和蒸汽或汽水混合物通過換熱腔頂部的蒸汽管道引至汽包。在4#換熱裝置作為過熱器使用時通過汽包分離后的飽和蒸汽引至4#換熱裝置，與溫度較高（>200℃）的過渡帶回轉窯筒體表面強制對流換熱后，形成低溫低壓過熱蒸汽（過熱度30℃左右）用于汽輪機的補汽。
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（3）換熱裝置由換熱罩、換熱罩兩端密封結構及窯筒體共同組成，形成密封的換熱腔。其外表面（朝大氣側）覆蓋隔熱保溫層，以防止熱量散失。換熱罩通過滑輪安裝在4個導軌上，每個導軌的兩端帶有可調整的限位裝置。換熱罩不隨窯轉動但可通過兩端密封裝置傳遞推力后跟隨窯的“上行”或“下行”滑移。換熱罩在朝原有窯筒體自動掃描測溫儀方向設置測溫窗，滿足對窯筒體的測溫要求。由于工質引起的測溫誤差可通過自動測溫儀的數據調整進行修正。
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密封結構由“柔性聯接”于窯筒體上的動密封環、裝設在換熱罩上的可自動推進的靜密封環、彈性靜密封環和主、副密封用盤根等組成。
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3、技術特點和效果
本方案針對水泥回轉窯工況進行原理設計，具有以下技術特點和效果：
（1）采用水作為換熱介質，窯筒體表面直接充滿水或汽水混合物。
在此方式下，水對窯筒體表面主要以相變換熱方式換熱，換熱效率高。除了換熱罩外表面隔熱層和兩端密封造成的散熱損失外，可大部吸收利用窯筒體表面散熱，同時可防止因換熱效率低引起窯筒體表面超溫。
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（2）在上述換熱方式下，對窯筒體表面的冷卻效果好于原自然風冷。在蒸發段（生產低溫低壓蒸汽）部位的窯筒體表面溫度可低于200℃，在蒸汽過熱段部位的窯筒體表面溫度可控制在300℃以內，對窯筒體鋼板強度有利。同時可免除窯筒體溫度較高部位使用風機強制風冷，節約電能。在換熱腔內生產低溫低壓蒸汽，是窯筒體強度允許承受的。
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（3）換熱罩可跟隨窯的“上下行”滑移且有限位裝置；密封用易損件可快速更換因而減少對窯運轉率的影響；換熱罩上設有測溫窗以滿足對窯筒體測溫要求；與窯筒體聯接的動密封環以“柔性聯接”方式安裝在窯筒體上，解決了可能引起的“縮頸”應力問題；此外通過在回轉窯上分段裝設換熱罩（避開窯的輪帶、托輪）等措施，在裝設換熱裝置后對水泥回轉窯設備及運行無不良影響。
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（4）可直接生產低溫低壓蒸氣作為補汽用于水泥廠余熱發電；以2500t/d窯外分解窯為例估算，每年可發電200×104kwh左右。