水泥窑烟气净化及余热回收的应用技术

节能，环保是当今世界两大课题。随着我国经济持续高速发展，缺煤、缺电、缺油几乎同时出现。水泥工业是能耗大户，也是重要的环境污染源。在新经济时代到来的今天，我国水泥工业有了很大的发展机遇，同时也受到资源、能源与环境的挑战。为了使我国水泥工业更好地持续发展，应该努力使水泥工业成为资源型、节能型、环保型的绿色的可持续发展的水泥工业。

1  水泥窑含尘烟气的净化

1.1概述

新型干法窑的含尘烟气是由一级旋风预热器排出的，含尘烟气的特点表现在：烟气量大；烟气温度较高；粉尘浓度高（一般为40-80g/Nm³,个别超过100 g/Nm³）;粉尘颗粒细（粒径小于10μ者占90％-97％，小于2-3μ者占50％）；粉尘比电阻也高（达10-10Ω-cm）。过去国内外回转窑窑尾不论其规模大小一般采用电除尘器。而美国早在20世纪70年代中叶就有1/3的水泥回转窑窑尾采用袋除尘器，到20世纪80年代末已有90％采用袋除尘器。近年来，部分国家（如韩国等）把一些老化的水泥回转窑窑尾电除尘器改为袋除尘器（有的保留电除尘器外壳进行内部改造，有的直接用袋除尘器取代电除尘器）。国内20世纪70年代仅仅有少量水泥厂（如湖南辰溪、常州、徐州、通化等水泥窑）的窑尾先后采用了玻纤袋除尘器，但这些窑的处理风量最大仅为200000m³/h。20世纪80年代开始也在大型干法水泥回转窑上,窑尾采用了袋除尘器（处理风量大于300000 m³/h。）,例如北京﹑山西水泥厂（2000t/d），均使用良好。近年来,随着袋除尘器滤料材质的提高,清灰技术和结构性能的优化等技术进步,为大型袋除尘器的广泛的应用提供了技术保证。例如富阳(5000t/d)；东骏(4000t/d)；宁波富达﹑金首(分别为2500t/d)水泥厂等窑尾均采用了袋除尘器。

1.2袋除尘器的特点

由于袋除尘器与电除尘器相比有其独特的优点，使得它的应用前景十分广阔。新修订的《水泥工业大气污染物排放标准》（修订稿）规定：“新建、改建、扩建水泥生产线，采用新型干法水泥生产工艺，且窑尾一律采用布袋除尘器”。其主要特点：

⑴．对窑工况变化的适应能力及对环保要求的适应能力强

无论是电除尘器还是袋除尘器都有很高的收尘效果，只要设计正确，产品质量优良，维护操作合理均能保证达到国家规定的排放标准。相比较而言，由于设备结构及除尘机理的不同，当窑工况失稳，热工参数偏离原除尘器设计指标波动变化时，由于电除尘器的除尘极板面积一定，无法根随废气量或含尘浓度的变化而变化，此时，将导致除尘效率下降而使排放浓度增加。可袋除尘器就不存在这个问题，因其滤袋面积基本不受废气量或含尘浓度的影响。当废气量增大或含尘浓度增加时，只会使其过滤风速加大，阻力上升速度加快，此时只要调整滤袋清灰周期增加清灰次数即可满足除尘要求，除尘效率不致于下降。可见它的适应能力要强些。

随着人们对生存环境要求的不断提高，政府必然会根据国情及参考国际水平逐步提高环保标准。目前电除尘器要进一步降低出口浓度的技术只有靠增加沉极面积来提高除尘效率才能减小排放量，这势必增加设备体积和投资。而袋除尘器同样只需通过调整清灰频率就可满足要求。

⑵．袋除尘器能捕捉细微的粉尘

随着滤料产业的发展，新产品不断出现，它已经可以选择满足捕捉细微粉尘的滤料。这就使除尘效率大大提高。

⑶．袋除尘器运行维护简单可靠 

水泥窑运行过程中，在开窑或处理不正常窑况时：在燃料量增加，空气量不足或是燃料与空气量混合不均时；在窑温过低使燃料燃烧不完全时，往往有可能产生大量的CO可燃气体，以及过量的未燃尽煤粉进入除尘器内沉积。另外，大多数窑尾除尘器是负压操作，在设备及管道不严密处漏入空气。不论是电除尘器还是袋除尘器如果机内存在上述两种情况（即机内有可燃物质和助燃氧气），一旦遇上明火，都同样存在燃爆的可能。对电除尘器而言，因高压电场的放电火花将激发它的燃爆，其燃爆的可能性更大些，因此，窑尾必须装设CO及O2分析仪，以确保电除尘器的安全运行。而对袋除尘器因机内不具备产生明火的条件，相对电除尘器来说，其安全性要大些，对其控制要求就不需要如此严格，因此其操作运行相对简单。

 除尘器长期运行过程中，总不免会发生一些故障，对电除尘器来说，一旦出现突发性故障，影响整机过程时，就必需停机离检修。而大型袋除尘器都采用分室结构离线清灰当某一室发生故障可离线检修，对整机运行基本上没有影响，仅过滤风速略有增加而已。

⑷．袋除尘器可保证在非正常情况下的最小排放；

现有水泥窑大都采用电除尘器，因电除尘器自身的安全要求，有两种超标情况：

①点窑时煤燃烧不完全，CO超标，此时不向电除尘器供电引起粉尘浓度超标排放。不过，它的时间不长，超标排放量也不大，可以忽略。窑点火时窑温上升到一定，燃烧基本正常时才投料，电除尘器才投入运行。此段时间很短，而投料之前，只有烟尘，即使有一段时间超标，超标值很少（200～300mg/m³），排放总量也可忽略。

②生产过程中，由于操作不当造成CO超标，停止向电除尘器供电引起粉尘浓度超标排放。此时由于要对窑系统进行调整，不能停止运行，因此只能停止向电除尘器供电而引起粉尘浓度超标排放，此时粉尘浓度超标排放量就大了。

估算：窑尾粉尘浓度平均为60～80g/Nm³增湿塔及电除尘器壳体的沉降率分别为20％、50％则排入大气的粉尘浓度为60～80×（1﹣0.2）×（1﹣0.5）＝24.0～32 g/Nm³，国家规定的水泥窑排放标准为100 mg/Nm³，生产过程中由于操作不当造成CO超标，停止向电除尘器供电而引起粉尘浓度超标排放量为达标排放量的240～320倍，这是十分惊人的。而采用袋式除尘器就可避免此情况。

与电除尘器比较，袋除尘器有其独特的优点，更能适应当前和今后的环保要求。随着环保产业的发展、大型袋除尘器设计的不断优化、部件质量的提高，特别是滤料技术的发展，根据目前的制造水平，很多厂家已完全具备生产大型袋除尘器的装备和力量，来满足水泥工业及其它工业生产的要求。实际上许多工厂已生产了各种规格大型袋除尘器应用于水泥窑上，且运行情况十分良好。

2  水泥窑烟气的降温和余热回收

2.1烟气的降温

新型干法水泥窑从预热器排出的废气温度较高,一般在320-350℃,袋除尘器的滤料的耐温约250℃，因此需要降温，除工艺中利用其作为原料磨的烘干热源之外,一般降温方法还有几种：

①掺冷风：只要在管道系统中设置一个冷风蝶阀即可。缺点是冷风掺入后，废气量增大，风机电耗增加，浪费能源。

②增湿塔或管道喷水：喷水降温将使废气中的湿度加大，如控制不好会造成糊袋，既增加了电耗，又浪费热源。

③烟气冷却器：它是利用自然风或机械风强制冷却管内的废气。它的换热率低，,耗钢量大，同时机械冷却.还要消耗电能。例如规模1000t/d水泥窑烟气量210000m³/h，烟气温度350℃降到250℃设置强制烟气冷却器,金属重量约34t，配备的风机功率约5台11kW。

2.2烟气热量的回收

从水泥窑窑尾一级旋风预热器排出的含尘烟气温度（约320～350℃）经余热锅炉（或热交换器）后，将水加热至系统所需要的温度（根据不同的用途而定）。烟气温度降至250℃左右，最后含尘烟气进入袋除尘器净化，排入大气。如采用水泥窑窑头的热风，因其余风温度较低(约220-250℃), 经余热锅炉（或热交换器）后，可将余风温度降到120～150℃,这样袋除尘器就可选用一般的滤料，袋除尘器造价就可降低很多。

日产1000t/d熟料水泥窑可回收13.1×106kJ/h 左右,相当于标准煤446kg/h (10.7t/d,3317 t/y)。实物煤（以20935 kJ/h计），则节省626 kg/h（15 t/d, 4650t/y）。若以煤价500元/吨计则每年回收232.5万元。如果采用强制烟气冷却器则多消耗电能55kw/h (1320kW/d 409200kW/y)，以0.5元/kW.h计,则每年电费多开支20.5万元。它们分别设置的热能回收装置与强制烟气冷却器，其初投资差别不大，但是设置了热能回收装置，不但节能，而且能给企业带来较大的经济效益。因此，我们认为凡是热力设备有余热排出之处均建议设置余热回收装置，它具有十分重要的意义，其创造的經济价值也是很可观的。

根据热源情况及用户需要，可产生不同温度的热水或不同压力的蒸气。它的应用范围很广，例如供应工厂的洗澡热水或饮用开水；可解决企业大面积的夏季集中空调和冬季采暖；还可以实现低温余热发电等。下面主要谈谈低温余热发电系统的技术和回收水泥窑的余热应用于中央空调系统的技术。

3水泥窑余热的应用技术

3.1 纯低温余热发电系统的应用技术

纯低温余热发电是一项新的技术。它是完全利用余热,无外加热源的发电系统,(水泥企业目前还有一种是外加一台补燃锅炉的发电系统,它的发电量大，经济效益好，但是它的投资额大，且获得上级批准的难度较大。

国外水泥窑余热发电均为纯低温余热发电系统，1995年日本川琦公司向海螺宁国水泥厂无偿提供了一套装配在4000t/d水泥熟料生产线的纯低温余热发电系统。主要包括窑头锅炉，窑尾锅炉及混压进汽纯凝式汽轮机和发电机，装机功率6480kW。1996年11月正式动工，1998年2月一次并网发电成功，其实际发电量达7000kW左右，吨熟料发电能力42kW/t。扣除发电系统自用电8％，实际供电量达6440kW左右，发电成本当年核算仅0.02元/kWh。技术是相当先进的。但是，如果我们从国外购买一套装置，其价格非常昂贵，一般难以承受。

我院自行开发了这项技术，1998年为江西万年青水泥股份有限公司2000t/d熟料3#窑生产线，设计了一套纯低温余热发电系统,这是我国第一套成功实现全国产设备的纯低温余热发电系统。该系统采用国产3000kW低参数汽轮发电机组，余热锅炉分别设置在窑尾（称为SP炉）和窑头（称为AQC炉）。SP炉废气温度一般300～400℃，含尘浓度高（60～80g/Nm³）；AQC炉废气温度一般200-250℃，含尘浓度较低（10-20 g/Nm³）。产生的主要蒸气压力1.27MPa，蒸气温度320℃。该系统于1999年初一次投入使用，并发电成功，运行良好，实际发电量一般在2400 kW，最高达2800 kW，吨熟料发电能力约30kW/t。由于余热锅炉本体受热面（特别是蒸发段和过热段）偏小，使余热锅炉热利用不够充分，导致发电量偏低，总的来说系统是成功的。该系统的成功运行以及目前存在的问题，为我们今后设计纯低温余热发电系统积累了宝贵的经验。纯低温余热发电的特点是系统简单、便于管理、投资小(见表1)，但它的发电量较小（发电能力约30kW/t）。

国产纯低温余热发电系统的一般配置及投资估算         表1

国产纯低温余热发电热力系统（见图1）

图1   纯低温余热发电热力系统

3.2应用于中央空调的技术

3.2.1概述

时代发展到今天，空调已成为人们工作、生活必不可少的需求。空调行业也成了我国改革开放以来发展最快、对国家和人民生活影响最大的行业之一。可是，它也受到电力的制约，我国电力需求近几年出现了历史上罕见的持续高速增长，供需矛盾突出。其中空调用电占有很大的比重。2004年空调用电占全国耗电的20％左右，而且由于空调用电时间集中，加重了高峰用电负荷。2003年夏季空调用电占尖峰负荷的40％～50％，20多个省市出现拉闸限电，严重影响了­居民生活和企业生产。因此，节能就具有重要意义。节能是我国经济和社会发展的一项长期也是当前一项极为迫切的任务。我国早在九十年代中期，就提出了“坚持开发与节约并举”的能源工业发展方针。目前集中空调大都采用压缩制冷,它先消耗的电能大，今天推荐的一种利用水泥窑的余热采用吸收式的制冷空调方案，它的用电量也很少（系统用电量大约是电制冷系统的36.8％）。这样一来，既为企业生产和职工创造了良好的工作﹑生活环境，又非常节省能源。

3.2.2基本原理

压缩制冷是电能的转换过程，压缩机将蒸发器内所产生的低压低温的制冷剂气体（如氟利昂）气体吸入气缸内，经压缩后成为压力温度较高的气体被排入冷凝器冷凝成液体，再经调压阀节流降压进入蒸发器，此时低压制冷剂液体汽化吸收蒸发器内水的热量而降温，这就是我们所需要的空调冷冻水。压缩过程需要消耗较大电能。

吸收式制冷是靠消耗热能来作为补偿的，而这种热能主要是低位热能，例如0.5～0.7表压的蒸汽，或60℃以上的热水。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剂，其中水才是真正的制冷剂，利用水在高真空下低沸点汽化，吸收热量达到制冷目的。（这是一项很成熟的技术，已有标准产品供应市场，且早已得到广泛的应用。）

3.2.3空调系统

假设一台制冷量1160kW 的吸收式制冷机，冷水量200m³/h，冷却水量389m³/h，热水量25.6m³/h，热水进口温度120℃，需要水泥窑提供的热量约1286×104kJ/h（可从窑尾或窑头的余热中获取），能解决建筑面积约6000-7000m²的空调需求（可根据工厂的实际情况进行设计）。

空调系统工艺流程  (见图2)

图2    空调系统工艺流程

夏季：130℃的高温水进入吸收式制冷机，将制冷水从温度12℃降至7℃，7℃的制冷水再送到空调用户使用（如风机盘管），吸收室内热量后室内温度降低（约27℃），制冷水温度升高（约12℃），回到吸收式制冷机，如此循环。

冬季：130℃的高温水经水-水热交换器将空调热回水（约50℃）加热至60℃左右，60℃的热水再送到空调用户使用（如风机盘管），加热室内温度。室温提高后（约21℃）空调水温度降低（约50℃），回到水-水热交换器将空调热回水加热至60℃，亦如此循环。

3.2.4  空调系统比较

常见的中央空调系统由制冷机（电制冷机或吸收式制冷机）、循环泵、末端装置（例如风机盘管，新风机组）等组成，（见空调系统工艺流程图）。以制冷量418.7×104kJ/h为例，对吸收式制冷空调与一般电制冷空调主要性能指标作一比较(列表2.)，就可看出吸收式制冷的显著的优点。

中央空调系统主要性能指标比较                  表 2

3.2.5  结论                                        

⑴可见，吸收式制冷可以降低能耗，节约用电。（主机用电量只有电制冷2.8％，系统用电量也只有电制冷的36.8％,比电制冷节省了65％）。这也大大地降低了运行费用；

⑵该项技术是一项成熟的技术，安装完毕可一次投入运行，且操作简单稳定，故障率低，已得到广泛应用。我们可提供成套优质服务（包括：设计、供货、安装、调试）；

⑶吸收式制冷属环保型，而电制冷的制冷剂大都是氟利昂，对大气臭氧层有破坏作用及产生温室效应，造成气候的变异。

总之, 如企业客户资金紧缺搞不成低温余热发电,同时又有空调需求时,利用水泥窑余热设置吸收式制冷方案不能不说是一个最佳方案。它节能 (特别是对当前电力供应十分紧张的情况下更显优势)，一次性投资不大(不到300万元)，运行费用不高,技术成熟。我们可以说，水泥企业设置节能型中央空调系统为水泥窑余热回收的应用扩展了一个新的领域。