水泥窑工艺操作对余热发电效率的影响

魏振洋，赵锋

水泥窑系统风、煤、料等工艺操作对余热发电系统发电效率有很大影响，为有效提升余热发电负荷率，降低水泥生产成本，提高企业经济效益，本文现就此问题与各位同仁进行探讨。

1 水泥窑用风对余热发电的影响

水泥熟料煅烧所用风分别为一次风、二次风和三次风，一次风来源于一次风机和煤粉输送用风，主要作用是将煤粉吹送入窑内，形成良好的火焰形状，一次风入窑前温度与环境温度相同；二、三次风均来源于篦冷机冷却熟料后的热风，温度约800℃～1 250℃。一、二、三次风的风量之和构成了窑系统及余热发电所需的风量，其配置受熟料烧成系统风、煤、料的影响。三种风的风量配比变化，会影响进入窑头AQC和窑尾SP锅炉的风量，进而影响余热发电系统的发电负荷。

2 水泥窑与余热发电协同操作的要点及调整实例

2.1 协同操作要点

（1）合理控制熟料结粒状态，提高系统风温。

熟料结粒过大，会降低窑头余热发电锅炉废气温度，影响余热发电效率。通过调整火焰温度和长度等，控制好熟料结粒状态，有利于提高余热风温。

（2）合理控制窑头风、煤配比，提高余热发电系统的风量。

风煤配合比过大，在用风量过大的工况下，窑头加大给煤量会提高燃烧温度。用煤量不变时，窑头用风量过大会造成火焰形状变长，燃烧温度下降。用风量不变时，给煤量过大会降低火焰温度。在操作中，应密切关注系统过剩空气系数或烟气含氧量、CO含量，合理配置风、煤、料三者比例，在满足窑系统煅烧用风的情况下，尽可能多地将热风送入余热发电系统。

（3）合理控制二次风（入窑风）和三次风配合比，保证系统发电能力及安全运行。

在总风量一定的情况下，入窑风量、入分解炉风量、入窑头锅炉风量相互制约。入分解炉风量过大，影响窑头燃烧及温度，并直接与窑头锅炉竞争风量，共同对余热发电造成影响。二、三次风比例通过三次风阀进行调节，在一定工况下，余热发电风量比例升高，可以降低分解炉的燃烧温度。同样，在温度相同的情况下，二次风（窑风）比例升高也可降低分解炉燃烧温度。通过风量及热平衡计算可知，当二、三次风用量较大时，进入AQC锅炉的废气温度及风量明显下降，从而对AQC锅炉取热造成较大影响（从260℃窑头锅炉解列温度到400℃左右的高温），进而影响余热发电系统的发电能力和安全运行。对于窑尾锅炉来讲，窑系统根据投料量大小、C1出口O2含量和出口温度确定窑尾风量大小，操作调整空间不大，暂不作讨论。

2.2 水泥窑与余热发电用风匹配调整实例

某公司未调整二、三次风比例前，熟料煤耗120kg/t，熟料28d抗压强度56.3MPa，分解炉温度920℃，分解率95%，窑尾拉风偏大，一级预热器出口废气温度345℃，出口负压7 500Pa；受窑内通风影响，窑内还原气氛加重，出现黄心料；窑内用风与AQC锅炉出现“争风”现象，入窑二次风温下降；为保证出窑熟料合格，加大了窑头喂煤量，进而引发了一系列协同操作问题。针对上述问题，采取了以下调整措施：

3.全面性原则。综合素质测评要全面反映习近平总书记提出的要求，能够从多个方面、多个层次和多个角度深入刻画学生的综合素质状态。全面性要求详细刻画学生的德育、体育和专业能力，指标并不是越多越好，而是要客观描述学生综合素质的静态和动态特征。

（1）控制窑尾预热器出口的温度及压力，将出预热器气体温度控制在330℃，出口压强控制在6 300kPa，避免窑尾拉风过大，分解率控制在90%～94%。

（2）改变窑头、窑尾用煤比例，窑尾煤的比例由原来的64%降为60%，窑头煤的比例由原来的36%增加到40%。

（3）调整三次风阀，三次风阀开度由35%调整至30%，分解炉温度控制在880℃～900℃，合理分配二、三次风的用量，加大篦冷机风量，以满足窑系统及余热发电用风要求。

通过对窑内用风与余热发电用风进行匹配操作，稳定了热工制度，解决了余热发电系统用风与窑内用风“争风”问题，改善了窑内气氛，熟料28d抗压强度达到57.53MPa，煤耗降低至115kg/t，余热发电平均负荷由4 500kW/h提高到6 400kW/h。

3 窑头锅炉废气温度的影响因素及优化调整措施

3.1 窑头锅炉废气温度的影响因素

（1）窑头用燃料比例过大及熟料结粒对窑头锅炉废气温度的影响

进入窑头余热发电锅炉的热风，是篦冷机通过鼓风机鼓入的冷空气与熟料进行热交换后产生的热风。一般出窑熟料的温度比较稳定，理论上窑头用燃料比例和余热发电没有关联，而实际上窑头取热对余热发电系统的影响比窑尾取热对余热发电系统的影响大得多，是影响窑头锅炉风温及发电负荷的主要因素。在熟料成分不变的条件下，结粒偏大的熟料大多在窑头燃料占比份额较大或温度过高情况下形成。因此，在烧成总热耗不变的情况下，窑头燃料比例升高，二次风温偏低，不利于余热发电能力的提高。

（2）熟料粒度对窑头锅炉废气温度的影响

在窑产量正常、用风量匹配的情况下，窑头余热发电锅炉的发电量主要取决于篦冷机的冷却效果。篦冷机冷却效果受熟料结粒粒径的影响，对流传热与传热面积成正比，熟料传热面积和粒径成反比，传热能力和粒径成反比。在冷却过程中，熟料还存在从熟料颗粒中心向颗粒表面传导传热的过程，而熟料热传导系数很低，粒径大造成传导传热速率降低。在上述因素影响下，冷却过程中，粗大颗粒熟料的温度场分布很快进入并维持在“黑皮红心”状态，直至进入破碎机。有资料显示，粒径＞100mm的熟料颗粒在任何篦式冷却机篦床上冷却＜20min，均未达到设计要求的被冷却温度；冷却30min时，粒径20～30mm熟料颗粒平均温度40℃，＞100mm的熟料颗粒平均温度为320℃，＞150mm的熟料颗粒平均温度790℃，＞250mm的熟料颗粒平均温度980℃。由以上分析可见，熟料粒度对篦冷机冷却效果和余热发电窑头锅炉废气温度的影响。

（3）篦冷机对窑头锅炉废气温度的影响

篦冷机是烧成系统的主要设备之一，其主要任务是冷却熟料和回收热能，为窑系统二、三次风提供热交换场所，对高温区段出窑熟料（1 350℃左右）进行骤冷，以阻止二次游离氧化钙的生成，改善熟料性能和提高易磨性。出篦冷机的熟料温度要求为65℃＋环境温度。

在推动式篦冷机中，熟料在篦床上的冷却过程可划分为高、中、低温三个区段。高温区主要实现对出窑熟料的骤冷并提高入窑和入分解炉的二、三次风风温；中温区为热回收区；低温区实现对熟料的进一步冷却，降低出篦冷机的熟料温度。熟料在从回转窑进入篦冷机的过程中，细颗粒熟料由于体积较小呈现自由落体运动状态，粗颗粒物料呈抛物线运动状态，并落在与细颗粒物料相反的区域。由于物料颗粒的离析，篦冷机篦床与窑旋向一致侧为粗颗粒物料，另一侧为细颗粒物料。在相同风量的作用下，出现两种情况：一是当粗颗粒物料区域风量达到热交换平衡和冷却效果的情况下，细颗粒物料区域风量明显不足，细颗粒物料得不到足够的冷却，热交换不完全；二是当细颗粒物料区域风量达到热交换平衡和冷却效果的情况下，粗颗粒物料区域冷却风量过剩，部分冷风掺入，锅炉取风口温度降低。

3.2 优化调整措施

余热发电AQC锅炉只能使用温度高于200℃～250℃热风，＞200℃时，传热能力和温度成正比，＜200℃时，热风向锅炉传热能力快速下降。在相同冷却效果情况下，篦冷机中后部配风比例不同，AQC锅炉进风温度不同，发电量也因此不同；在风温低时，应减少篦冷机后部进风量，必要时减少窑头排风机负压，可以收到较好的结果。

（1）第三代篦冷机的优化操作

在第三代篦冷机的分段式篦床操作中，可适当加快一段篦床篦速，适当后延红料区；在二段采用较厚料层操作，延长熟料在中温段停留时间，使一部分熟料延至中温区进行冷却，提高AQC锅炉的进风温度和风量。由于篦床运行速度加快，高温区红料后延，应优化篦冷机配风，加大高温区和中温区冷却风机转速，保证熟料的冷却效果及中温段换热效果。低温区风机转速可视情况进行调整。

（2）第四代篦冷机的优化操作

由于第四代篦冷机篦床以整体推动方式运行，在稳定二次风温的基础上，调整篦冷机篦床的运行速度，保持高温段风机在不吹透熟料层的原则下尽量高速运行；中温段用风的调整，应尽量提高AQC锅炉取风段风温，以使AQC锅炉获得最优的热回收效率；低温段可根据总体冷却效果调整风机。当AQC锅炉温度较低时，可打开窑头旁路阀，排出部分低温段风量，提高AQC锅炉进口废气温度。

3.3 优化调整实例

某公司一条4 200t/d水泥熟料生产线，配套一台窑头锅炉，设计蒸汽额定蒸发量17t/h，进口烟气温度390℃；一台窑尾锅炉，设计蒸汽额定蒸发量17.7t/h，入口废气温度320℃；配套7.5MW凝汽式汽轮发电机组，设计发电能力6 000kW/h。篦冷机型号为TCFC404750，风机配置见表1。篦冷机用风调整前后情况见表2。

表1 篦冷机风机配置表

表2 篦冷机风机调整前后参数比较

窑系统风机参数调整前，高温区风量占总风量的27.4%（F1、F2）、中温区占比43.6%（F3、F4、F5）、低温区占比28%（F6、F7）左右。篦冷机高温区、中温区风量偏小，不利于热交换和余热发电系统的热回收。高温风机拉风偏大，篦冷机后几台风机用风较大，高温区和中温区风机未达到高负荷，使得入AQC锅炉整体风温过低，入窑头锅炉热风温度偏低。窑头锅炉风温平均320℃～330℃，负压-（450～550Pa），窑头排风机转速580r/min左右，高温风机转速825r/min左右，窑尾锅炉进口负压-5 900Pa，发电负荷4 900～5 000kW/h。

窑系统风机参数调整后，窑头锅炉风温平均350℃～360℃，负压-（750～850Pa），窑头排风机转速650r/min左右，高温风机转速800r/min左右，窑尾锅炉进口负压-5 300Pa，发电负荷5 200～5 400kW/h。

4 结语

水泥窑与余热发电协调操作时，回转窑的操作既要考虑窑系统煅烧及热工制度稳定，又要考虑在保证窑系统用风的情况下，尽可能多地向余热发电锅炉输送热风。这需要不断地摸索调整优化，以达到窑系统熟料生产参数最优，余热发电系统生产参数最优的目的。