水泥窯煙氣凈化及余熱回收的應用技術

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/Nm³,個別超過100 g/Nm³）;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200000m³/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 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,清灰技術和結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化等技術進步,為大型袋除塵器的廣泛的應用提供了技術保證。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?？梢娝倪m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)的技術和回收水泥窯的余熱應用于中央空調(diào)系統(tǒng)的技術。

3水泥窯余熱的應用技術

3.1 純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的應用技術

純低溫余熱發(fā)電是一項新的技術。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，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/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

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

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?，它也受到電力的制約，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)?，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汽化，吸收熱量達到制冷目的。（這是一項很成熟的技術，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

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該項技術是一項成熟的技術，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域。