回转窑余热利用技术分析

回转窑余热利用技术分析

时间:2022-02-24 12:58:34 点击:374 次 来源:洛阳建材建筑设计研究院有限公司
  摘要:本文以一条实际运行中的5000t/d熟料生产线配套余热发电系统为基础,对回转窑余热利用进行全面系统的分析,提出回转窑余热利用的优越性,细化了回转窑的节能。

  关键词:余热利用  节能减排
回转窑余热利用技术分析
1 余热运用的目的
  在水泥生产过程中,回转窑筒体表面平均温度为250至350℃,生产中筒体辐射热量直接排到大气中,不仅浪费能源,也对周围环境造成影响。
  此项技术主要是通过在回转窑上方安装弧形集热器,利用收集回转窑筒体的辐射热能,加热锅炉给水,提高余热发电系统的热效率,剩余热能为生活洗澡用水、冬季取暖供热。该工程是一项环保、节能、增效的工程,经济效益、社会效益十分显著。一方面综合利用了回转窑胴体表面排放的废热资源,回收热量变废为宝,降低企业生产成本和提高企业的经济效益,部分缓解生产用电紧张的形势,提高企业的竞争能力,另一方面可减少燃料消耗,节约能源,减少对环境的空气污染和温室效应。

2  前提条件和项目实施的意义
  一条5000t/d水泥熟料生产线为Φ4.8×74m回转窑,窑筒体长度为74m,表面平均温度为250至350℃,生产中筒体辐射热量直接排到大气中,不仅浪费能源,也对周围环境造成影响。为积极响应国家节能减排政策,创建节能型、环保型企业,解决此问题有重要意义。
  随着我国人口的不断增长和经济的快速发展,资源相对不足的矛盾将日益突出。寻找新的资源或可再生资源,以及合理的综合利用现存的宝贵资源,将是我国今后确保经济可持续发展的关键所在。开展资源综合利用,是我国长期的重大经济技术政策,也是我国国民经济和社会发展中一项长远的战略方针。积极响应国家节能减排政策,创建节能型、环保型企业,并通过余热回收利用降低生产成本,提高企业效益已成为当务之急。
  利用窑体辐射热置换成热水用于发电\供暖\洗浴,经济效益方面分析,约1.51年便可回收全部投资;环境效益方面分析,按大型火电厂发电效率为0.383kg标准煤/kWh计算,年节约标准煤1783t,每年减少CO2排放量4009t。

  同时项目的建设是企业节能降耗、降本增效、增强企业竞争力的需要。现在水泥行业虽然进行了余热发电改造,大幅度降低了能源消耗,但生产实际中仍有大量的高、中、低温废气余热不能被充分利用,造成大量的能源浪费。对这部分富余的废气余热的回收利用,可以为企业创造较大的经济效益,降低产品成本,提高产品的竞争能力,而且还可缓解因供电不足影响生产的矛盾,符合国家关于节能和资源综合利用政策。


3  热平衡的计算
3.1集热罩可利用的热量
窑体外表面温度按290℃计算,换热器管外平均换热温度按100℃计算,回转窑胴体和换热管束两表面发射率均按0.75计算。则有效发射率约为:
C12=Cb/(1/ε1+1/ε2-1)=5.67/(1/0.75+1/0.75-1)

=3.4 w/㎡.K4

式中:C12—相当辐射系数

ε—材料发射率

Cb --黑体辐射系数 (为常数5.67w/㎡.K4

根据辐射换热计算公式,单位面积辐射换热量为:

Q′=C12×{(T1/100)4-(T2/100)4

=3.4×{(273+290)/100}4-{(273+100)/100}4

=2759W=9932kj/h

式中:Q′—单位面积辐射换热量 (W)

T1—回转窑胴体表面温度(℃)

T2—换热管束表面温度(℃)

根据现场实际布置位置,回转窑集热罩有效利用长度约为32米,分四段布置,单条5000t/d水泥熟料生产线有效利用辐射面积约为251㎡,即回转窑胴体表面换热量约为:

Q=Q′×F=9932×251=2492932kj/h

式中:F—辐射面积 (㎡)

3.2厂区余热拟利用点(需要热量)

3.2.1  余热发电给水加热需要的热量

    现有一座9MW余热发电,设计给水温度42℃,现拟利用集热罩把给水温度提高5℃。给水量为47t/h,给水压力2.2Mpa。

温度(

压力(Mpa)

流量(t/h)

焓值(Kj/Kg)

42

2.2

47

177

47

2.2

47

198.6

共需要热量:(198.6-177)×1000×47=1015200Kj/h。余热发电给水需要的热量为全年连续性。

3.2.2 中控楼及职工住宅楼采暖需要的热量

    职工住宅楼合计4层,估计面积2000m2。中控楼为现有建筑,采暖面积按2500m2。合计共需要采暖面积4500 m2,采暖为季节性需要热量,每年合计4个月。采暖面积热负荷估算指标按50W/ m2,合计810000 Kj/h。采暖用水采用二次换热,供回水温度按60℃/50℃。

    预留中控楼中央空调制冷,采用热水型单效溴化锂吸收式制冷机,供热水温度95℃,空调面积冷负荷估算指标按110W/ m2,合计990000Kj/h,与采暖用热不同季节使用。

3.2.3 职工洗浴

    本厂职工共135人,设计20个淋浴器,小时需要40℃热水量6t/h按自来水全年平均温度15℃计算。

洗浴需要的焓值

温度(

压力(Mpa)

流量(t/h)

焓值(Kj/Kg)

15

0.2

6

63.1

40

0.2

6

167

共需要热量:(167-63.1)×1000×6=623400Kj/h。余热发电洗浴需要的热量为全年连续性。

3.3 需要热量与集热罩收集热量平衡比较

    综上分析,集热罩可以回收的热量2492932kj/h,拟消耗的热量1015200Kj/h+810000 Kj/h+623400Kj/h=2448600Kj/h。富裕量作为回转窑温度波动时的修正。


4  回转窑余热利用流程

回转窑余热利用流程

四台集热罩并联布置,设计给水温度70℃,出水温度95℃,设置一台高温管道循环泵,补水采用高温水箱补水,单台集热罩进出水均设置电动阀,在循环母管的95℃高温端设置三台换热器,一台用于洗浴,一次水参数95℃/70℃,二次水参数15℃/40℃,二次水流量6t/h。一台用于采暖,一次水参数95℃/70℃,二次水参数50℃/60℃,二次水流量20t/h。一台用于加热锅炉给水,一次水参数95℃/70℃,二次水参数42℃/47℃,二次水流量47t/h。采暖设置循环水泵、软水水装置、补水泵、过滤器、热水箱等。


5  集热罩的结构设计及系统设计要点

集热器主要构造为单层回环锅炉钢管制作,钢管用φ45×3mm,内部流通介质为循环水,集热器共分四段(8000型)呈弧形分别覆盖于三条轮带间隔的两段部分。这样回转窑胴体散出的热量大部分通过集热器收集,将其中循环管内的循环水加热,循环水分别通过集热器的进水口和出水口流入和流出。

循环水采用循环水泵驱动,集热器装置尺寸,根据回转窑及周边建筑物等安装因素确定,所需材料外购并经加工制作完成。本系统严格按照压力容器相关标准加工制作,并须经过严格的打压试验,并作出使用评估,以保证在使用过程中不致出现泄漏故障影响生产。主要包括设备、非标件的制作与安装,管道的安装及防腐、保温,及与前期生活供水管道的合茬以及并联系统的试验、调试工作。

集热罩结构要合理,以便于热交换的顺利进行,同时要考虑换热器的安装与维护方便。集热罩的采热面采用弧形结构较为合理,这样可使集热罩的不同区域与筒体表面充分接近,有利于热辐射换热的顺利进行。同时应考虑避让回转窑上各装置和设施。

集热罩的设计要保证出水温度要控制在一定的温度范围内,同时要保证回转窑窑体的日常工作与维护不受影响。为了保证换热效果,与回转窑筒体表面距离不能太远。同时考虑出水温度要控制在一定范围内,可选择改变集热罩采热表面与回转窑筒体表面距离与控制泵的流量相结合来实现。在集热罩底部设置高低位置调节装置,便于调节换热表面与回转窑筒体表面的距离。各换热罩进水口处均设有以温度为信号的电动调节阀,以控制集热罩内进水量,间接控制换热管和回转窑筒体表面温度。根据加热循环冷凝水的水量和温度,各集热罩可通过安装于各集热罩间的串并联调整阀门,实现各换热罩串联和并联的切换。

换热管束在圆形换热罩内通过管板蛇形排列,在换热罩内无焊缝连接。管束所有焊缝全部集中于换热罩两端外侧,在两换热罩连接处设置可拆卸的连接过渡罩,便于维修、检修。

在设计集热罩安装位置时要窑体的熟料烧成段,其次考虑分解带与放热反应带。 管道铺设走向可根据现场具体情况而定,管道架空铺设,管道应考虑保温、防腐及保护层安装,在系统处设置放水阀等检修装置。


6  回转窑余热利用技术工程案例图片

回转窑余热利用技术工程案例


7  经济效益和社会效益

7.1 余热发电发电量给水提高5℃,理论可以提供热量1015200Kj/h,理论提供282KW,实际平均提高180KW。全年7000h,合计增加发电量1260000 KW。电费扣除其它后,按0.5元/ KW.h,全年节约电费63万元。

7.2 采暖按市区采暖收费计算

   4500×0.16×120=8.64万元

7.3 职工洗浴

   全年节约燃煤量240吨,约合计15万元。

合计全年节约总费用86.64万元

7.4 重要的是,减少二氧化碳的排放,社会效益显著。


工程投资费用(含设计、制作、安装、调试)

不含中控楼采暖及新建澡堂

设备、材料

数量

总价

锅炉钢管(集热罩钢管)

14

15.4万元

外护板

13.5

13.5万元

钢结构(集热罩支撑用)

16

16万元

进、回水管路及附属设备

主给水、循环泵等

31万元

保温保护(集热罩及管路)

 

13

二次热站(洗浴、采暖、主给水)

3

26

电控仪器

1

16万元

合计

 

130.9万元

全年节省费用

 

86.64万元

投资回收期

 

1.51

增加办公楼采暖

4500 ㎡

36万元

增加澡堂

 

总结

通过以上大量的分析,在水泥生产线中,对回转窑余热进行利用是企业节能减排增效的一种很好的手段。


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