篦冷机尾部废气对水泥窑余热发电的影响

  水泥窑余热发电技术短期内很难有大的革新，但水泥企业对余热发电的管理还有一定的提升空间。篦冷机对余热发电的影响非常大，同时也是提升空间最大的潜力点。针对这样的一个问题，提出调整篦冷机尾部余风门来控制AQC炉进口的烟气参数，并通过对余热锅炉的热力计算，找到控制尾部余风门开度的思路，来提升余热发电量。

  水泥窑余热发电是指在水泥熟料生产的全部过程中，利用AQC和SP两台余热锅炉分别回收窑头篦冷机和窑尾预热器排出烟气的多余热量，产生过热蒸汽后推动汽轮发电机组发电。余热发电所发电量并网不上网，全部用于水泥生产。据统计，熟料产量在2500t/d及以上的国内水泥工厂绝大多数已完成余热发电的配套建设。然而由于对行业认识的局限性，余热发电一直被视作水泥生产的附属产业。虽然经过多年的发展，水泥窑余热发电技术已非常成熟，短期内技术很难有大的革新，但水泥企业对余热发电的管理还有一定的提升空间。

  影响水泥窑余热发电量的因素很多。对于一个建成投产的余热电站，余热资源的总量由篦冷机和预热器出口烟气的风量及温度共同决定，余热资源的回收效率由余热锅炉及汽轮发电机组的性能共同决定。国内水泥窑余热发电运行的普遍情况是，由水泥窑操作员岗位负责控制余热资源的总量，由电站岗位负责控制余热资源的回收效率。

  根据熟料生产的特点，在熟料产量一定的情况下，预热器出口烟气的风量和风温相对来说比较稳定，而篦冷机出口烟气的风量和风温波动很大。这就导致即使电站余热锅炉和汽轮发电机组稳定性很高的情况下，余热发电量的波动仍然很大，且电站操作员无力控制负荷的波动。

  AQC炉取风口一般设计在篦冷机中部或靠前的位置，烟气参数与篦冷机内熟料和空气的换热效率直接相关。影响篦冷机内热交换效率的因素最重要的包含：冷却机用风、熟料料层高度（篦板推速）、熟料空隙率和熟料颗粒粒径等。由于这一些因素同时影响着水泥窑二、三次风，窑操在运行中以确保熟料在窑内煅烧和篦冷机内骤冷为控制目标，无暇顾及AQC炉取风烟气参数。

  根据多年的工作经验，作者觉得电站操作员除了积极与窑操保持沟通以获得较好的热风条件外，主动调整篦冷机尾部余风门是唯一可拿来改善AQC炉进口烟气参数，同时对窑系统运行影响最小的一个途径。取风口的位置对烟气参数的影响也很大，但对于电站运行而言没有调整余地，本文暂不做讨论。

  水泥厂中篦冷机的最大的作用是快速冷却、输送熟料并回收熟料中含有的大量热量，回收的热量用于向窑系统提供二、三次风、煤磨烘干和余热发电。篦冷机尾部余风所含有的热量是完全废弃的，不进行回收，因此容易被忽视。篦冷机工作原理见图1所示。

  在配套建设了余热发电的水泥厂，篦冷机尾部余风门作为AQC炉的旁路风门，只在开窑或者AQC炉故障退炉的时候使用，久而久之因为积灰或风门变形卡死不动了。从Fluent对篦冷机内部的流场进行三维模拟结果来看，调整尾部余风门会改变篦冷机尾部废气的流向，从而改变进AQC炉的风量和风温，但对取风口更靠前的二、三次风和煤磨烘干风不会造成影响，即不可能影响熟料生产。调整风门后，窑头系统阻力会发生微小变化，通过微调头排风机来稳住窑头罩负压。

  篦冷机内熟料和空气的温度在沿出口方向都是由高到低，且越往后风温越接近熟料温度。因此当加大尾部余风门开度时，篦冷机尾部低温风从阻力更小的余风管道被抽走，AQC炉进口的风量下降，但风温会上升；反之，当减小尾部余风门开度时，篦冷机尾部低温风进入阻力更小的AQC炉取风口，与中温风混合，增加了AQC炉进口风量，但风温会下降。需要找到一个风量和风温的平衡点，使得余热锅炉产汽最优化。

  以熟料产量5000t/d的回转窑为例，常规设计是AQC炉采用双压锅炉，SP炉采用低压锅炉。本文采用浙江大学热工与动力系统研究所开发的“通用锅炉设计计算系统BESS 2019版”进行建模和计算。两台锅炉的设计参数见图2和图3。

  假设AQC炉运行在设计工况的风量和风温下，篦冷机尾部余风门打开。此时减小余风门开度，篦冷机尾部转移过来的低温风以“冷风”的形式从取风口进入AQC炉。在不同的校核工况下， “冷风”的风量均为原设计风量的10%即20000Nm³/h，风温与AQC炉设计工况下每类受热面出口的烟气温度相同，即以相同的风量但不同的风温形式给AQC炉进口掺入“冷风”。当核算出来的余热发电量相比设计工况下降时，则篦冷机尾部的余风对余热发电而言成为真正的冷风。

  以AQC炉中压段各类受热面出口烟气温度为“冷风”的核算工况，结果如表1所示。

  以AQC炉低压段各类受热面出口烟气温度为“冷风”的核算工况，结果如表2所示。

  低压过热器进、出口的烟风温差非常小，可将两者平均值定义为温度Ⅰ；篦冷机最尾端的废气即篦冷机内温度最低的废气温度接近熟料出口温度，可将熟料出口温度定义为温度Ⅱ。本文通过对余热锅炉的建模计算，分析篦冷机尾部废气对余热发电量的影响，得出结论：

  （1）合理的篦冷机尾部余风门开度可以轻松又有效的提高余热发电量，并且不对窑况造成负面影响，是水泥厂余热发电精细化管理的一个重要方向。

  （2）当掺入的“冷风”温度高于温度Ⅰ时，对余热发电量有正贡献；当掺入的“冷风”温度不高于温度Ⅰ时，对余热发电量是负贡献。

  （3）当温度Ⅱ温度Ⅰ时，篦冷机内所有的废气对余热发电量都有正贡献，应全关篦冷机尾部余风门，保证所有的废气都进入AQC炉；当温度Ⅱ温度Ⅰ时，应适当打开篦冷机尾部余风门，同时应保证尾部余风管道内风温小于温度Ⅰ。

  （4）以本文的篦冷机和锅炉模型为例，温度Ⅰ设计值为196℃，温度Ⅱ设计值为90℃。在篦冷机和AQC炉设备性能正常的情况下，应打开篦冷机尾部余风门，控制尾部余风管道内风温在140℃左右，可获得最大的余热发电量。

  [1]陆秉权，刘桂林. 中国余热发电行业的现状和发展的新趋势分析[J].中国建材，2010（12）：96-99.

  [2]冯绍航，徐德龙，李辉，等. 篦冷机中气固两相换热过程的模拟研究[J]. 西安建筑科技大学学报：自然科学版，2007，39（2）：224-229

  [3]许润成. 基于FLUENT软件对水泥余热发电窑头取风口位置的研究[J]. 水泥工程，2017（4）：21-22.

  [4]尹洪超，朱元师，李德付. 基于耦合气固传热篦冷机的数值模拟与研究[J]. 热科学与技术，2012，11（3）：229-233.

  [5]古尔维奇A M，库茨涅佐夫H B. 锅炉机组热力计算标准方法[M]. 北京：机械工业出版社，1973.

  [6]范北岩. 工业锅炉设计计算标准方法[M]. 北京：中国标准出版社，2003.