中材國際南京水泥工業(yè)設計研究院 黃勸根
節(jié)能,環(huán)保是當今世界兩大課題。隨著我國經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展,缺煤、缺電、缺油幾乎同時出現(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)濟時代到來的今天,我國水泥工業(yè)有了很大的發(fā)展機遇,同時也受到資源、能源與環(huán)境的挑戰(zhàn)。為了使我國水泥工業(yè)更好地持續(xù)發(fā)展,應該努力使水泥工業(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旋風預熱器排出的,含塵煙氣的特點表現(xiàn)在:煙氣量大;煙氣溫度較高;粉塵濃度高(一般為40-80g/Nm
3,個別超過100 g/Nm
3);粉塵顆粒細(粒徑小于10μ者占90%-97%,小于2-3μ者占50%);粉塵比電阻也高(達10-10Ω-cm)。過去國內(nèi)外回轉(zhuǎn)窯窯尾不論其規(guī)模大小一般采用電除塵器。而美國早在20世紀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80年代末已有90%采用袋除塵器。近年來,部分國家(如韓國等)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行內(nèi)部改造,有的直接用袋除塵器取代電除塵器)。國內(nèi)20世紀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,但這些窯的處理風量最大僅為200000m
3/h。20世紀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( 處理風量大于300000 m
3/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)進步,為大型袋除塵器的廣泛的應用提供了技術(shù)保證。例如富陽(5000t/d);東駿(4000t/d);寧波富達﹑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
由于袋除塵器與電除塵器相比有其獨特的優(yōu)點,使得它的應用前景十分廣闊。新修訂的《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》(修訂稿)規(guī)定:“新建、改建、擴建水泥生產(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:
⑴.對窯工況變化的適應能力及對環(huán)保要求的適應能力強
無論是電除塵器還是袋除塵器都有很高的收塵效果,只要設計正確,產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良,維護操作合理均能保證達到國家規(guī)定的排放標準。相比較而言,由于設備結(jié)構(gòu)及除塵機理的不同,當窯工況失穩(wěn),熱工參數(shù)偏離原除塵器設計指標波動變化時,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,將導致除塵效率下降而使排放濃度增加??纱龎m器就不存在這個問題,因其濾袋面積基本不受廢氣量或含塵濃度的影響。當廢氣量增大或含塵濃度增加時,只會使其過濾風速加大,阻力上升速度加快,此時只要調(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。可見它的適應能力要強些。
隨著人們對生存環(huán)境要求的不斷提高,政府必然會根據(jù)國情及參考國際水平逐步提高環(huán)保標準。目前電除塵器要進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,這勢必增加設備體積和投資。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微粉塵的濾料。這就使除塵效率大大提高。
⑶.袋除塵器運行維護簡單可靠
水泥窯運行過程中,在開窯或處理不正常窯況時:在燃料量增加,空氣量不足或是燃料與空氣量混合不均時;在窯溫過低使燃料燃燒不完全時,往往有可能產(chǎn)生大量的CO可燃氣體,以及過量的未燃盡煤粉進入除塵器內(nèi)沉積。另外,大多數(shù)窯尾除塵器是負壓操作,在設備及管道不嚴密處漏入空氣。不論是電除塵器還是袋除塵器如果機內(nèi)存在上述兩種情況(即機內(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。對電除塵器而言,因高壓電場的放電火花將激發(fā)它的燃爆,其燃爆的可能性更大些,因此,窯尾必須裝設CO及O2分析儀,以確保電除塵器的安全運行。而對袋除塵器因機內(nèi)不具備產(chǎn)生明火的條件,相對電除塵器來說,其安全性要大些,對其控制要求就不需要如此嚴格,因此其操作運行相對簡單。
除塵器長期運行過程中,總不免會發(fā)生一些故障,對電除塵器來說,一旦出現(xiàn)突發(fā)性故障,影響整機過程時,就必需停機離檢修。而大型袋除塵器都采用分室結(jié)構(gòu)離線清灰當某一室發(fā)生故障可離線檢修,對整機運行基本上沒有影響,僅過濾風速略有增加而已。
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,有兩種超標情況:
①點窯時煤燃燒不完全,CO超標,此時不向電除塵器供電引起粉塵濃度超標排放。不過,它的時間不長,超標排放量也不大,可以忽略。窯點火時窯溫上升到一定,燃燒基本正常時才投料,電除塵器才投入運行。此段時間很短,而投料之前,只有煙塵,即使有一段時間超標,超標值很少(200~300mg/m3),排放總量也可忽略。
②生產(chǎn)過程中,由于操作不當造成CO超標,停止向電除塵器供電引起粉塵濃度超標排放。此時由于要對窯系統(tǒng)進行調(diào)整,不能停止運行,因此只能停止向電除塵器供電而引起粉塵濃度超標排放,此時粉塵濃度超標排放量就大了。
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,國家規(guī)定的水泥窯排放標準為100 mg/Nm3,生產(chǎn)過程中由于操作不當造成CO超標,停止向電除塵器供電而引起粉塵濃度超標排放量為達標排放量的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,袋除塵器有其獨特的優(yōu)點,更能適應當前和今后的環(huán)保要求。隨著環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、大型袋除塵器設計的不斷優(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。實際上許多工廠已生產(chǎn)了各種規(guī)格大型袋除塵器應用于水泥窯上,且運行情況十分良好。
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:只要在管道系統(tǒng)中設置一個冷風蝶閥即可。缺點是冷風摻入后,廢氣量增大,風機電耗增加,浪費能源。
②增濕塔或管道噴水:噴水降溫將使廢氣中的濕度加大,如控制不好會造成糊袋,既增加了電耗,又浪費熱源。
③煙氣冷卻器:它是利用自然風或機械風強制冷卻管內(nèi)的廢氣。它的換熱率低,,耗鋼量大,同時機械冷卻.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℃設置強制煙氣冷卻器,金屬重量約34t,配備的風機功率約5臺11kW。
2.2煙氣熱量的回收
從水泥窯窯尾一級旋風預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,最后含塵煙氣進入袋除塵器凈化,排入大氣。如采用水泥窯窯頭的熱風,因其余風溫度較低(約220-250℃), 經(jīng)余熱鍋爐(或熱交換器)后,可將余風溫度降到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,相當于標準煤446kg/h (10.7t/d,3317 t/y)。實物煤(以20935 kJ/h計),則節(jié)省626 kg/h(15 t/d, 4650t/y)。若以煤價500元/噸計則每年回收232.5萬元。如果采用強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,則每年電費多開支20.5萬元。它們分別設置的熱能回收裝置與強制煙氣冷卻器,其初投資差別不大,但是設置了熱能回收裝置,不但節(jié)能,而且能給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟效益。因此,我們認為凡是熱力設備有余熱排出之處均建議設置余熱回收裝置,它具有十分重要的意義,其創(chuàng)造的經(jīng)濟價值也是很可觀的。
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。它的應用范圍很廣,例如供應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;還可以實現(xiàn)低溫余熱發(fā)電等。下面主要談談低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)和回收水泥窯的余熱應用于中央空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)。
3水泥窯余熱的應用技術(shù)
3.1 純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的應用技術(shù)
純低溫余熱發(fā)電是一項新的技術(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補燃鍋爐的發(fā)電系統(tǒng),它的發(fā)電量大,經(jīng)濟效益好,但是它的投資額大,且獲得上級批準的難度較大。
國外水泥窯余熱發(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,窯尾鍋爐及混壓進汽純凝式汽輪機和發(fā)電機,裝機功率6480kW。1996年11月正式動工,1998年2月一次并網(wǎng)發(fā)電成功,其實際發(fā)電量達7000kW左右,噸熟料發(fā)電能力42kW/t??鄢l(fā)電系統(tǒng)自用電8%,實際供電量達6440kW左右,發(fā)電成本當年核算僅0.02元/kWh。技術(shù)是相當先進的。但是,如果我們從國外購買一套裝置,其價格非常昂貴,一般難以承受。
我院自行開發(fā)了這項技術(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,設計了一套純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng),這是我國第一套成功實現(xiàn)全國產(chǎn)設備的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用國產(chǎn)3000kW低參數(shù)汽輪發(fā)電機組,余熱鍋爐分別設置在窯尾(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/Nm
3);AQC爐廢氣溫度一般200-250℃,含塵濃度較低(10-20 g/Nm
3)。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,運行良好,實際發(fā)電量一般在2400 kW,最高達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)的成功運行以及目前存在的問題,為我們今后設計純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)積累了寶貴的經(jīng)驗。純低溫余熱發(fā)電的特點是系統(tǒng)簡單、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
生產(chǎn)能力 | t/d | 2000 | 2500 | 4000 | 5000 |
裝機功率 | kW | 2500-3000 | 3000-3300 | 5000-6000 | 6000-6600 |
投資估算 | 萬元 | 2000-2500 | 2200-2600 | 2800-3100 | 2800-3300 |
國產(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應用于中央空調(diào)的技術(shù)
3.2.1概述
時代發(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)也成了我國改革開放以來發(fā)展最快、對國家和人民生活影響最大的行業(yè)之一??墒牵彩艿诫娏Φ闹萍s,我國電力需求近幾年出現(xiàn)了歷史上罕見的持續(xù)高速增長,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)用電占全國耗電的20%左右,而且由于空調(diào)用電時間集中,加重了高峰用電負荷。2003年夏季空調(diào)用電占尖峰負荷的40%~50%,20多個省市出現(xiàn)拉閘限電,嚴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)能是我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的一項長期也是當前一項極為迫切的任務。我國早在九十年代中期,就提出了“堅持開發(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)流降壓進入蒸發(fā)器,此時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償?shù)模@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汽化,吸收熱量達到制冷目的。(這是一項很成熟的技術(shù),已有標準產(chǎn)品供應市場,且早已得到廣泛的應用。)
3.2.3空調(diào)系統(tǒng)
假設一臺制冷量1160kW 的吸收式制冷機,冷水量200m3/h,冷卻水量389m3/h,熱水量25.6m3/h,熱水進口溫度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?。?,能解決建筑面積約6000-7000m2的空調(diào)需求(可根據(jù)工廠的實際情況進行設計)。
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℃的高溫水進入吸收式制冷機,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(如風機盤管),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,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(如風機盤管),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(電制冷機或吸收式制冷機)、循環(huán)泵、末端裝置(例如風機盤管,新風機組)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,對吸收式制冷空調(diào)與一般電制冷空調(diào)主要性能指標作一比較(列表2.),就可看出吸收式制冷的顯著的優(yōu)點。
中央空調(diào)系統(tǒng)主要性能指標比較 表 2
項 目 | 單 位 | 電 制 冷 系 統(tǒng) | 吸 收 式 制 冷 系 統(tǒng) |
原 理 | | 利用電驅(qū)動壓縮機運行,輸送和壓縮,使制冷劑汽化,吸取熱量,達到制冷目的。 | 利用溴化鋰水溶液在高真空下低沸點汽化,吸取熱量達到制冷目的。 |
制冷量 | kW | 1160 | 1160 |
建筑面積 | m2 | 約6000-7000 | 約6000-7000 |
空調(diào)面積 | m2 | 約5000-6000 | 約5000-6000 |
主機電功率 | kW | 247 | 7 |
輔機(包括:風機盤管,水泵,新風機組, 冷卻塔等)電功率 | kW | 120 | 128 |
系統(tǒng)總裝機容量 | kW | 367 | 135 |
總投資估算 | 萬元 | 232 | 257 |
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行費用;
⑵該項技術(shù)是一項成熟的技術(shù),安裝完畢可一次投入運行,且操作簡單穩(wěn)定,故障率低,已得到廣泛應用。我們可提供成套優(yōu)質(zhì)服務(包括:設計、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,對大氣臭氧層有破壞作用及產(chǎn)生溫室效應,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,同時又有空調(diào)需求時,利用水泥窯余熱設置吸收式制冷方案不能不說是一個最佳方案。它節(jié)能 (特別是對當前電力供應十分緊張的情況下更顯優(yōu)勢),一次性投資不大(不到300萬元),運行費用不高,技術(shù)成熟。我們可以說,水泥企業(yè)設置節(jié)能型中央空調(diào)系統(tǒng)為水泥窯余熱回收的應用擴展了一個新的領(lǐng)域。
(中國水泥網(wǎng) 轉(zhuǎn)載請注明出處)