石灰窑出窑废气余热利用主要有几种途径
侯敬军 梁亚学
[摘 要]套筒石灰窑废气温度可达180℃—200℃，热量自然散失，采用板式换热片对废气下降管管道表面余热的回收利用，解决了洗澡水的加热问题，冬季采暖循环水的初步加热，有效降低蒸汽使用，达到了节能降耗的目的。
中图分类号：X781.5；TQ177.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）30-0130-02
1、前言
目前，套筒石灰窑在我国为主流冶金石灰生产用设备，在大多数钢铁企业均用煤气为燃料，具有节能环保的优点。套筒石灰窑在石灰煅烧过程中产生大量高温度废气，目前国内绝大多数生产厂，将废气除尘后直接排空，烟气中的热量没有进行收集利用，造成能源损失。对套筒石灰窑废气中的余热进行回收利用，能够更好的发挥套筒石灰窑节能减排的优势，创造更多的社会经济价值[1]。
我公司地处河北承德西部，一年四季职工需要热水洗浴，冬季需要进行采暖。现有意大利弗卡斯套筒石灰窑2座，其规格为：500吨/日，套筒窑下降管的烟气温度为180℃—200℃，烟气热量自然散失，没有余热回收装置，结合洗浴与采暖能量的需要探索对该部分的热量进行回收利用，使能源利用更加高效。
2、套筒石灰窑烟气余热利用方案设计
通过对烟气余热回收，热量用在两部分，一部分用于洗浴水设计要求：全年每天24h供应150人洗澡水，按每人45kg/人次计算，热水供应温度42℃的技术要求，共需要热水6750kg/天，考虑到其它用水以及输送过程热损失等因素，设计用水量为8100kg/d。
采暖水设计要求：办公室与厂房采暖，采暖面积6000m2，采暖热负荷为140kw/m2。
2.1 原有方案
2.1.1、原系统由蒸汽分汽缸及其管路、洗浴用加热水箱、洗浴用上水水泵、浴室水箱、自动软水机组、采暖水箱、采暖循环水泵、采暖补水水泵、板式换热器等部分组成。原洗浴设计为：洗浴加热水箱加入自来水，由蒸汽分汽缸接出一根DN32管道伸入洗浴加熱水箱中，通过工人启闭管道上的阀门来控制蒸汽的通断，用蒸汽直接加热洗浴用水，到达温度后，用泵输送至浴室水箱，由浴室水箱依靠重力分配到浴室各花洒进行洗浴。原有采暖系统设计为：由自来水经过自动软水机组将水进行软化，变成软水进入采暖补水水箱，通过采暖补水水泵将水箱中的软水打入采暖管道中，通过采暖循环泵的驱动，使管道中的水在管道中进行循环，实现闭式循环。自蒸汽分汽缸引入板式换热气蒸汽，蒸汽自板式换热器由上向下通过，水自下向上通过板式换热器，与水实现对流换热，蒸汽换热后冷凝水直接流入采暖补水水箱，补充管道水量循环损失。该系统设有温度、压力检测元件，可以设定循环水水温，通过自动温控阀控制蒸汽通入量控制暖气温度，通过管道压力设定，可以自动启停采暖补水水泵，实现自动补水。该系统利用板式换热器与蒸汽换热，实现暖气采暖，通过自动控制元件，实现自动控制。
2.1.2、原系统优点
原系统采用蒸汽作为热源，无污染；采暖系统采用管道闭式循环，有效的降低了热量损失，提高了管道泵的工作效率；采暖系统采用板式换热器进行换热，提高了换热效率；采用自动控制，减轻工人劳动强度。
2.1.3、原系统缺点
原系统洗浴系统采用蒸汽直接通入洗浴水箱水中，进行洗浴用水加热，由于蒸汽采用外购工业蒸汽，存在一些化学物质，对人体健康有害。蒸汽自承钢通过管道引入，管线较长，损耗高，费用增加。
2.2 改进方案设计
从原系统的缺点入手，需要解决两个主要问题，一个是洗浴用水采用蒸汽直接加热，存在有害物质，需要将热源与洗浴用水分离。二是蒸汽管线过长，输送过程中损失大，外购蒸汽费用高，需要尽量少用蒸汽，改用其它热源。套筒石灰窑在石灰煅烧过程中产生大量高温度废气，热量未进行回收，恰好利用回收这部分热量，作为洗浴与采暖用水的加热源，有效的减少蒸汽的使用，达到节能降耗的（图1）
2.2.1、烟气余热回收设计
将烟气热量回收采用板式换热器进行换热，将板式换热器紧贴在废气下降管管壁上，换热器与管道之间增加导热胶泥，以提高换热效率。为了节省投资，尽可能的利用原有系统，将采暖补水水箱改为洗浴用余热、采暖用余热、采暖循环共用水箱，既节约成本，又可以提高介质温度，从而提高水温，保留洗浴、采暖用蒸汽换热部分，作为备用、补充使用。利用软化水作为热量传递载体，采用水泵进行驱动（系统如图1），将通过水泵M1或M2将余热水箱内的软水输送到下降管洗浴用余热板片内进行换热，通过水泵M3或M4将余热水箱内的软水输送到下降管采暖用余热板片内进行换热，实现余热水箱内软水升温加热，解决了洗澡、采暖热量来源问题，有效的节省了蒸汽的用量。将洗浴系统蒸汽热源停用，水箱中加入铜管盘管，改为铜管换热，将洗浴水箱增大为3m×3m×2.5m，保证换热充分，换热用循环水在铜管内部流动，有效的将洗澡水与循环水分隔，避免有害物资进入洗澡水中，解决蒸汽加热有害物质进入水中的问题[2]。
2.2.2、洗浴用余热回收流程
如系统图1示，图中水泵M1与M2为洗浴用余热循环水泵，采用功率3KW，流量为4.5m3/h，扬程为50米的水泵，一备一用，将软化水由余热回收水箱输送到两座窑的板式换热片，利用管道温度对水进行加热，换热后由管道返回，自洗澡加热水箱的盘管内部流过，铜管盘管盘在洗澡水箱冷水内部，铜管导热性能较好，能够快速实现铜
管内外介质热量的交换，实现洗澡水的加热，经过盘管换热后的软水流回余热回收水箱，由于采暖、洗浴余热共用一个水箱。冬季时采暖余热板片多，回收热量多，余热水箱水温高，再将热水通过余热板片加热，到达盘管内的水温较高，达到使用要求；夏季气温较高，单独使用洗浴余热即可满足水温要求；春秋两季，采暖系统未投用或停用时，可以通过采暖余热板片切换，实现余热水箱水温加热，达到水温要求。在通过原有系统的洗浴用上水泵输送到浴室水箱使用。endprint
2.2.3、采暖系统余热回收流程
如系统图1示，图中水泵M3与M4为采暖用余热循环水泵，采用功率15KW，流量为50m3/h，扬程为50米的水泵，一备一用。将软化水由余热回收水箱输送到两座窑的板式换热片，换热后靠重力返回余热回收水箱，将烟气中的热量传递到余热水箱内循环水中。在采暖原有管道循环水泵进水处，增加隔断阀门，自余热水箱增加采暖进水管道与采暖回水管道，将原采暖系统的闭式管道循环系统改为开式系统，由水泵直接将余热水箱中的热水输送到暖气系统中，达到采暖的目的。停用采暖补水水泵，直接向水箱内补水，保留原有蒸汽板式换热器与自动控制系统，如果余热系统热量不足，可以直接启动蒸汽加热系统，提高供暖温度，保证采暖要求。
2.3 結构设计
2.3.1、换热板片整体布置
套筒窑废气由废气风机自窑顶抽出，经由废气下降管到达废气风机，废气下降管温度自上向下逐步降低，考虑到夏季不需要进行采暖，只需要进行洗浴热水供应，将废气下降管余热分成洗浴用余热与采暖用余热两段进行回收，在每座废气下降管最上端温度最高处安装洗浴用换热片，采暖用换热片自洗浴用预热板片下部进行安装，利用高温区数量少的换热片来满足洗浴用热量，利用低温区数量多的板片满足采暖温度的需要。在洗浴与采暖板片的顶部设置排气孔，及时排除循环过程中产生的蒸汽，防止压力升高，损坏换热器片，造成事故。
2.3.2、换热片结构
换热板片采用20g材质3mm钢板，经过压制成为半圆形结构，板片分为内外两部分，中间采用10mm圆钢制作水流通道，使水流呈现“S”与烟气呈逆向流动换热，增加换热时间，板片中间圆弧分割处采用50*50*5角钢制作安装边框，采用螺栓将两个半圆形换热半片紧紧的固定在烟气下降管外壁进行换热。
2.3.3、洗浴用换热板片布置
由于洗浴用水需要一年四季不停供应，采暖用水只需冬季使用，在对下降管热量回收时，洗浴用板片放置在下降管最上端，采用4块板片/窑，共计8块，采用串联方式进行布置（图2），循环水一次通过每个换热片，再流回水箱，由于换热片较少，这样可以增加循环水与高温的下降管管壁的换热时间，提高洗浴水箱铜管内巡回水的温度，增加焓值，提高洗浴用水的换热速度。
2.3.4、采暖用换热片布置
采暖用板片在采暖板片的下部依次进行布置，按照24块板片/窑，共计48块，采用两块对称并联布置，自下而上每组12块串联布置（图3）。所有换热板片的水流方向自下而上，烟气方向自上而下，进行热量逆向交换。如系统图1所示，考虑到初冬、深冬、冬末气温差别较大，将板片每4片再次分为1组，上水管自下面第一组换热片接入，回水管道每组之间连通管增加旁通管道与阀门，与回水管连接。当温度低的时候，将旁通阀门自下向上全部关闭，循环水通过全部换热器片，换热面积增大，回收热量随之增加，当气温升高的时候，自上自下依次打开阀门，循环不通过阀门上面的换热片直接自回水管流回水箱，减少热量的回水，降低水温。当采暖换热片全部通用，仍然达不到采暖要求，开启原系统蒸汽、板式换热器系统，便可以满足采暖要求。
3、系统热力效果
3.1 原始设计参数
烟道筒体数量：2套
平均烟气流量：40000m3/h/套
烟道筒体外直径D1：1416mm
烟道筒体平均温度T1：170℃
烟道筒体可利用长度L：20000mm/套
3.2 洗浴余热板片实际热力效果汇总（2套）（表1）：
3.3 采暖余热板片实际热力效果汇总（2套）（表2）：
4、经济效益与不足
4.1 经济效益
通过对两座窑的余热系统的回收，洗浴系统全年不再使用蒸汽，由承钢输送的蒸汽路途较远，蒸汽管道损失较大，承德地区工业采暖时间一般为10月中下旬到次年的4月上中旬，采暖时间为180天左右，利用采暖系统后，蒸汽使用时间缩短为90天左右。综合考虑洗浴与采暖的余热回收，保守计算可以节省120℃蒸汽3000吨，节省费用约40万元。
4.2 存在不足
4.2.1、洗浴余热板片上、回管采用DN25mm管道，选择偏细，存在管道堵塞与回水不畅的现象，造成排气孔漏水，需要定期清理管道。
4.2.2、采暖余热板片12片一组进行串联，下部板片压力较高，会出现开裂、漏水现象，需要定期进行板片更换。
5、总结
针对套筒石灰窑废气下降管余热回收利用，克服了蒸汽中有害物质伤害与使用量较大的问题，降低了废气温度，提高套筒窑废气布袋除尘器滤袋使用寿命，收到明显经济效益，节能环保。
参考文献
[1] 时小宝.石灰回转窑余热发电ORC装置有机工质选择.华北水利水电大学学报（自然科学版）.2014，35（5）：72-77.
[2] 张玉华.空气、煤气双预热技术在气烧石灰窑的应用.山东冶金.2003，25（4）：67-69.endprint
