水泥窑旁路放风技术及余热利用简介

包文忠，张磊，张福滨

1 引言

随着技术的发展和资源的日益紧缺，在水泥生产过程中使用一些碱、氯、硫含量较高的原材料生产优质熟料，不仅是社会发展对资源利用的要求，也是水泥技术和装备进步的体现。20世纪50年代出现了旋风预热器[1]，它利用窑尾废气余热在旋风筒内将悬浮态的生料预热，使入窑生料中碳酸钙的分解率达到了40%左右，大大降低了熟料的热耗，增加了单位产量。但由于美国原料中碱含量较高，挥发组分循环容易发生结皮和堵塞现象，导致这种窑型在美国投产后不得不陆续关闭，停止使用长达20年之久。20世纪70年代旋风预热器窑在欧洲发展为预分解窑，碳酸钙的分解率达到90%，熟料的热耗更低，但是窑内结圈或窑尾烟室、旋风筒锥体等部位结皮堵塞问题则更加严重。

现代水泥厂大多使用新型干法水泥生产方法。挥发成气态的碱、硫、氯与窑内气体一道进入预热器系统，由于生料充分悬浮于热气体中，当气体温度达到碱、硫、氯的熔点温度时，他们便冷凝在生料粉颗粒表面，随生料又重新回到窑内，在高温带再次挥发，挥发性组分就这样在窑与预热器之间经过多次挥发、冷凝，使得预热器、窑内生料的有害成分显著提高。从测试结果来看，一般入窑热生料中K2O含量是生料的2～4倍、Na2O为1.5～2倍、Cl-为20～30倍[2]，由此可以看出，挥发组分的循环累积相当严重。

为了解决此问题，一般会采用水泥窑旁路技术，其主要分为三类：

第一类是旁路窑灰，即将窑尾电收尘器收下的窑灰，将其作水泥混合材或其他添加料使用，减少挥发组分的循环，该技术比较简便，但效果不是很明显。

第二类是旁路热生料，即将预热器入窑的热生料部分旁路，从而减少挥发性组分的富集和循环，该技术的效果也是比较明显的，但旁路损失的热量难以利用。

第三类为旁路放风，即在窑尾与预热器之间增设旁路放风装置，减少挥发性组分的富集和循环，这是目前应用最广泛的技术，也是旁路效果最好的技术，本文后续将着重介绍。

近年来随着水泥窑余热发电技术的不断发展，在水泥窑上可以同时使用旁路放风和余热发电技术。旁路放风排出的高温烟气可以通过余热锅炉产生过热蒸汽接入现有余热发电系统，因此解决了以往旁路放风热损失较大的问题，经济效益提升明显。

2 旁路放风技术简介

2.1 旁路放风系统工艺流程

旁路放风系统常见工艺流程有4种形式：

（1）带旋风收尘器及旁路气体返回主气流的旁路系统，适用于有害成分含量不高时。旁路气体碱粉尘分离，经过收尘后的气体从C1筒的进风管道与主气流汇合后进入C1。

（2）带旋风收尘器及单独用于旁路气体电收尘器的旁路放风系统。旁路气体从抽气点抽出，掺入冷风后，先经旋风收尘器，再进入电收尘器收尘，经收尘后的气体通过排风机排出。

（3）直接由电收尘器收尘的旁路系统。旁路气体从抽气点抽出，掺入冷风后，经过增湿塔进入电收尘器收尘。

（4）直接由袋收尘器收尘的旁路系统。旁路气体从抽气点抽出，掺入冷风后，直接进入袋收尘器的旁路系统。

由于流程3和流程4比较简单，因此实际应用较多。以流程4为例，旁路放风系统的工艺流程如图1所示，系统主要由抽气装置、袋收尘装置、输送装置、排气装置、窑灰储存处理等装置组成。

图1 旁路放风系统工艺流程图

旁路放风设施一般设置在气流中粉尘浓度最小的部位，抽气点以窑尾烟室上部为宜[4]。放风量在25%以下时，抽气点的位置选在靠窑一侧的烟室上部（图2）。

取气点抽出的烟气温度约为1100℃[3]、压力-1kPa、气体含尘浓度约400g/m3（标），由于此时烟气温度过高，为便于下一步处理，一般在取气点设置急冷室，以冷风作为冷却介质，将抽取的约1100℃的热气体骤冷至450℃或更低。此时废气中的挥发性组分几乎全部冷凝为固态并附着于烟尘表面。抽出的废气进一步进入热交换器或继续与冷风混合进行冷却，最终降低到200℃左右进入袋收尘装置，净化后的废气通过烟囱排入大气。而窑灰经输送装置进入窑灰仓，最终用汽车运走处理或作为混合材与熟料混合。

图2 旁路放风点位置示意图

2.2 旁路放风系统相关计算

（1）旁路放风料耗

假设窑尾热气体中粉尘含量占入窑热生料量的比例不变，一般为10%～12%。因此旁路放风料耗为不放风时的料耗与放风损失物料量之和。根据假设，旁路放风损失物料量为：

式中：

gh——旁路放风损失物料量，kg/kg熟料

L——生料烧失量

Φ——入窑生料分解率

Phm——窑尾烟气粉尘量占入窑热生料物料量的比例

通过式（1）可以得到旁路放风损失的物料量与旁路放风量之间成正比关系。

（2）旁路放风热耗

假设条件与旁路放风量计算时相同，根据热平衡原理，放风损失热为：

式中：

Hbs——放风损失热，kJ/kg熟料

Cg——放风气体温度在tg时的比热，kJ/m3（标）·℃

tg——放风气体温度，℃

Chm——放风粉尘温度在thm时的比热，kJ/kg·℃

thm——放风粉尘温度，℃

由式（2）可以估算出旁路每放出1%的风，水泥窑热耗增加约为9.6kJ/kg熟料。

（3）旁路放风量

假设采用旁路放风后，入窑生料分解率、窑头用煤量与之前一样，放风损失的热量由放风气体的焓值与放风气体中粉尘的焓值组成，并由分解炉补充。

根据燃烧计算可得旁路放风量Vbs为:

式中：

α——窑尾空气过剩系数

Qnet,ad——煤粉热值，kJ/kg

Qs——未放风时系统的热耗，kJ/kg熟料

f——未放风时窑头燃料比例

Vb——旁路放风比例

Φ——入窑生料分解率

通过上述公式可以看出，旁路放风料耗和旁路放风热耗都与旁路放风量成线性正比关系[5]，虽然旁路放风在原料有害组分超标的情况下能够稳定系统操作和提高熟料质量，但是旁路放风量并不是越多越好，应结合水泥厂的实际情况综合考虑，既要生产出质量好的产品，又要尽量降低料耗和热耗。

（4）K2O、Na2O、SO3、Cl-的旁路放风效果

挥发性组分的旁路放风效果主要受原料含量、挥发率、吸收率、热耗等因素的影响，其中以挥发率因素影响最大。一般进行旁路放风系统设计时，需要通过试验确定挥发性组分的挥发率，据此确定旁路放风量。

一般条件下，K2O、Na2O、SO3、Cl-的旁路放风效果如图3所示。

由图3可以看出，Cl-的旁路放风效果最好，K2O、SO3效果比较接近，而Na2O的效果最差。因此当生料中Cl-含量较高时，采用旁路放风是比较好的解决办法。但是当生料中Na2O超出标准很高时，旁路放风可能并不能解决问题，此时可以考虑更改生料配料成分或更换生料[6]。

因此在水泥生产过程中应注重原料的选用。国外部分公司对生料中氯、硫、碱的允许含量见表1，超过规定标准应考虑采取旁路放风措施。

在我国北方地区原料一般含碱量较高，而在南方地区，燃煤含硫量较高，采用旁路放风技术可以降低熟料中的碱含量及对燃料含硫的要求。另外，某些水泥厂为了生产低碱水泥，即使挥发性组分对窑的操作未造成麻烦，也必须采取旁路放风措施以减少窑内碱的含量。

2.3 加入旁路放风系统带来的影响

现有水泥厂加入旁路放风系统后，应考虑如下几个问题：

（1）由于旁路放风会产生一定的热量损失，窑尾分解炉需增加相应的燃煤量，对水泥熟料生产来讲，增加煤耗相应地提高了成本。

（2）增加旁路放风系统后需增加分解炉喂煤系统的能力，有可能需更换或调整分解炉燃烧器、煤粉计量、送粉管路及一次鼓风装置。

（3）加入旁路放风系统后如果工厂生产低碱水泥，则旁路放风系统的降尘不能混入生料入窑而需设置一套旁路放风灰处理装置。如果工厂不准备生产低碱水泥，则旁路放风系统的降尘可直接混入生料入窑。

上述三点问题从技术、运行、维护、管理等角度来看都是可以解决的，但要考虑加入旁路放风系统所带来的经济效益是否可以抵消其所带来的成本增加（如额外投资、人工成本、煤耗增加等），因此项目的经济性是水泥厂需要重点考虑的问题。

3 旁路放风余热发电技术

从旁路放风技术来看，排出高温烟气的热量浪费十分可惜，如果利用现有余热发电技术将排出的高温烟气用于发电，在保证水泥窑正常生产以及获得低碱水泥的同时，还有可能取得一定的经济效益。

图3 旁路放风效果随风量变化图

表1 国外部分公司对生料有害成分含量规定

对于旁路放风余热发电系统，其技术要求及工作条件与现有水泥窑高温余热发电系统完全相同，因此不存在技术障碍和技术难点。下面以某生产能力为5000t/d的水泥厂为例[7]，分析其旁路放风余热发电系统自身的经济性。该水泥厂余热发电系统流程如图4所示。

与传统水泥窑余热发电系统不同的是，该项目在窑尾增加了一台旁路放风余热锅炉，旁路放风余热锅炉布置在急冷室后，锅炉进风管道取自急冷室出口。旁路放风余热锅炉产生的过热蒸汽与其他蒸汽混合后一起进入汽轮发电机进行做功发电。

此5000t/d水泥生产线旁路放风废气参数为13500m3（标）/h-1150℃，经过急冷室补入大量冷空气后温度降至400℃，此时旁路放风烟气参数变为44500m3（标）/h-400℃。由于锅炉出口烟气要送回旁路放风系统收尘器，因此余热锅炉排烟温度不能太低，按照200℃考虑。综上所述，根据废气参数设计出旁路放风余热锅炉产汽量为4.80t/h-1.35MPa-375℃。

余热发电系统自用电率约为7%，采用窑尾旁路放风后电站供电功率增加为（9400-8200）kW×93%=1116kW，按电站年运行7200h计，年多供电803.5万kWh，年收入增加803.5×E万元（E为水泥厂外购电电价，元/kWh）。

余热电站不含财务费用及折旧的供电总成本一般不超过0.07元/kWh。采用窑尾旁路放风时电站年总成本增加（9400-8200）kW×7200h×0.07元/kWh+0.86t/h×7200h×C元/t=（60.48+0.6192×C）万元（C为煤的到厂价，元/t，热值取22572kJ/kg）。

在此情况下，采用窑尾旁路放风时电站总投资增加约为500万元。

因此仅增加旁路放风余热发电部分的投资回收期为500/[803.5×E-（60.48+0.6192×C）]，通过上式可以看出，当地的电价和煤价共同决定了旁路放风余热发电系统的经济性。

假设水泥厂当地煤价为450元/t，电价为0.6元/kWh，可以通过计算得到旁路放风余热发电系统投资回收期约为3.5年，是可以接受的。但不排除某些水泥厂当地煤价高、电价低，使得投资回收期很长，甚至收益为负的情况，这时就需要综合考虑旁路放风系统所带来的生产工艺保证以及优质低碱水泥所带来的额外收益，综合计算后才能确定旁路放风系统是否具有可行性。

4 总结

旁路放风技术在国外已经得到广泛应用，特别是近二十年，欧美原料情况变化和持续增长的替代燃料(如垃圾衍生燃料)或原料的利用，使碱、氯、硫的带入量增加，对水泥生产工艺造成破坏性影响，采用旁路放风技术能够很好地解决这一问题。在国内，一般通过选取合适的原料，避免采用该技术，因此国内的研究和实践并不多。但随着我国海外市场的发展，在当地原料中碱、氯含量较高，或者燃烧当地硫含量较高的煤时，旁路放风技术的使用就不可避免。

通过本文对旁路放风技术的论述和分析，可以总结得到如下要点：

（1）旁路放风技术拓宽了水泥生产原料的适应性，为使用高碱、氯、硫原料提供了可能，另外水泥厂还可以生产优质低碱水泥，使产品具有更好的市场竞争力。

（2）旁路放风对于防止系统结皮和堵塞具有比较明显的作用，但旁路放风会损失部分热量，增加系统热耗，因此旁路放风量并不是越多越好，应结合水泥厂的实际情况综合考虑。

（3）旁路放风系统与余热发电系统相结合，较之单独的旁路放风系统可能会取得更好的经济效益。

（4）如今旁路放风技术已经十分成熟，实施过程不存在大的问题，但要考虑增加旁路放风系统所带来的经济效益是否可以抵消其所带来的成本增加（如额外投资、人工成本、煤耗增加等），因此对于一个水泥厂来说是否真的需要旁路放风系统，应该综合考虑，重点分析其经济性后再做出结论。

[1]杨红波.新型干法水泥生产中旁路放风系统的DCS控制[D].武汉：武汉理工大学，2008.

[2]和春梅.预分解窑旁路放风[J].中国水泥,2006,（8）：52～55.

[3]张大康.国外某水泥工厂的旁路放风装置[J].水泥技术,2006，（4）：56～59.

[4]张程,彭一凡,胡恒阳.旁路放风系统的工艺设计[J].新世纪水泥导报,2007,（6）：5～8.

[5]贺景样.旁路放风数学模型与计算程序[J].水泥技术,1998，（3）：21～24.

[6]彭学平,胡芝娟,胡恒阳.水泥窑旁路放风的设计及其效果[J].水泥技术,2001,（6）：8～12.

[7]中材节能股份有限公司.莫桑比克马普托水泥厂自备电站初步设计文件[G].■