申巧蕊，曾计生，袁俊，刘存超，姚秀丽

在水泥预分解生产工艺中，即便是目前最先进的技术，也会有35%左右的热量以废气的形式直接排放至大气中，这对于高能耗的水泥生产来说，无疑是一种浪费[1]。若将这一部分热能回用于水泥生产，可有效降低水泥熟料综合电耗，在降低企业生产成本的同时，也可减少CO2等废气的排放[2]。

本文以10 000t/d熟料生产线为例，通过热平衡分析对比，将篦冷机烟囱外排烟气再循环用于提高余热发电能力，以提高能源利用效率。

1 篦冷机余热再循环利用工艺

篦冷机是水泥生产工艺中的主要冷却设备，对水泥熟料的质量和热回收效率有着重要影响[2]。由高压鼓风机鼓入的冷空气，通过篦冷机的篦床与高温熟料进行热交换，热交换后的中、高温部分风作为二、三次风回到窑系统用作燃料助燃空气，部分还可用于余热发电和物料烘干等，低温部分作为余风收尘后排放。

篦冷机出口废气的利用受熟料生产影响较大，因此合理确定余热取风位置至关重要。结合工程实践经验，在保证水泥生产用风不受影响的情况下，取风位置选在中温区。同时，采用余风再循环技术，将余热发电和篦冷机尾部出口的低温废气引回到篦冷机中温段，以进一步提高冷却机中部出口排风温度，从而提高余热锅炉入口气体温度，进一步提高发电量。余热再循环利用工艺如图1所示。

图1 余热再循环利用工艺示意图

2 热平衡计算对比分析

2.1 烟气未循环利用时的热平衡

以10 000t/d熟料生产线为例，篦冷机入口熟料温度为1 450℃。冷却熟料后的热风，高温部分进入窑头和三次风管，中温部分入余热锅炉进行发电，发电后的废气和篦冷机尾部出口废气收尘后混合，部分废气通过4台冷却风机引回到篦冷机中段，其他废气经烟囱排入大气。

根据风平衡和热平衡计算，未采用烟气热循环时，每kg.cl需2.0m3（标）的冷却风，其余热利用热平衡简图如图2所示。

图2 余热利用热平衡简图

项目当地环境温度为47℃，以每kg.cl计，热损失以3kcal/kg.cl计，热平衡计算结果如下：

（1）收入项

一次风带入热：

熟料带入热：

收入总热量QS：

（2）支出项

二次风带走热：

三次风带走热：（标）·℃）=167.1kcal/kg.cl=699.5kJ/kg.cl

余热发电带走热：

排出烟气带走热：

冷却熟料带走热：

热损失：

支出总热量：

在此设计工况下，系统输入热量与支出热量达到平衡，余热发电带走热QZ3为199.6kJ/kg.cl（47.7kcal/kg.cl），余热发电效率按25%估算，10 000t/d熟料生产线中，窑头余热发电量贡献约13.9kW·h/t.cl。

2.2 烟气循环利用时的热平衡

采用余热再循环利用后，根据理论计算，在尽量不影响熟料冷却效果和不影响篦冷机正常操作情况下，考虑系统整体设计能力，在原工况基础上，参照经验系数，入篦冷机的冷却风取2.05m3（标）/kg.cl，循环风取0.789m3（标）/kg.cl，采用余热再循环利用热平衡简图见图3。

图3 余热再循环利用热平衡简图

余热再循环利用热平衡计算结果如下：

（1）收入项

一次风带入热：

余热循环风带入热：

熟料带入热：

收入总热量：

（2）支出项

二次风带走热：

三次风带走热：

余热发电带走热：

排出烟气带走热：

冷却熟料带走热：

热损失：

支出总热量：

由收支热平衡，可得：

由收支风平衡，可得：

结合式（1）、式（2）计算，可得：

余热发电带走热量QZ3=155.8V1=63.8kcal/kg.cl=267.1kJ/kg.cl，余热发电效率按25%估算，10 000t/d熟料生产线中，窑头余热发电量约为18.5kW·h/t.cl。

根据热平衡计算结果进行对比分析可知，二次风、三次风需占用篦冷机总体热平衡的70%左右，此为正常生产保证值。篦冷机中段采用循环热风后，余热发电效率按25%估算，发电量由原来的13.9kW·h/t.cl提高至18.5kW·h/t.cl,提高约30%以上，有效降低了生产运营成本。

3 结语

采用篦冷机出口废气余热再循环利用技术，以10 000t/d熟料生产线为例，窑头余热理论发电量可提高约30%以上，可有效降低能源消耗，提高能源利用率，推动水泥行业余热发电技术进步，对节能减排工作具有积极意义。