水泥回轉窯密集管束熱板集熱器技術

張志忠，鄧棵天

水泥回轉窯密集管束熱板集熱器技術

Introduction to Intensive Pipe Bundle Type Pile Collecting Cement Rotary Kiln Heat Emission Technology

張志忠1，鄧棵天2

1 概述

水泥回轉窯在運行過程中，其筒體表皮溫度達300℃左右，大量輻射熱溢出，如何合理利用這部分余熱，是行業內的重要科研課題之一。十多年前，曾出現輻射集熱器這種裝置，懸空安裝于回轉窯窯體上方，用以收集窯體余熱，替代小型鍋爐作為熱源。但其型式大部分是簡易笨重、憑經驗安裝的鐵管架，效率低，較易造成窯體沉降，夏季又會造成筒體過熱，甚至影響工藝操作。雖經某些水泥廠使用，但效果并不算好。近年來，隨著國家和各級政府對節能減排的日益重視，環保部門已明令禁止使用6t以下小型燃煤鍋爐，6t以上又要求脫硫脫氮。這無形中加快了水泥企業節能減排的步伐，也是我們推出新型節能裝置的良好契機。為此，前天津水泥工業設計研究院有限公司與大連熵諾公司合作開發了一種新型余熱利用-熱板集熱器，它摒棄了原集熱器的上述缺陷，而以重量輕、效率高、對工藝生產無副作用為主要技術特點。

2 技術說明

2.1 單條窯設計參數（參考）

水泥窯筒體直徑D1：4.8mm

吸熱面公稱直徑D2：4.8+1.2=6mm

水泥窯筒體輻射面平均溫度T1：300℃

集熱器吸熱面平均溫度T2：70℃

單組熱板集熱器長度L：6000mm

窯體圓周包裹率η1：0.6

2.2 大平面之間輻射換熱計算公式

其中：Q為輻射換熱量，A為有效輻射換熱面積，T1為輻射面平均溫度；

T2為吸熱面平均溫度，為窯體表面放射率，為集熱器表面吸收率；

有效輻射換熱面積A=實際換熱面積A0×換熱面導熱效率η2；

換熱面導熱效率η2與換熱面壁厚以及換熱面翅片高度成反比。

從式（1）可以看出，在換熱面溫度恒定的情況下，輻射換熱量的大小與有效換熱面積及換熱面黑度成正比，也就是說增加輻射換熱量的有效方法是，增加有效換熱面積以及換熱面黑度，因此在回轉窯窯體有限空間如何有效布置換熱面以及增加換熱面黑度是增加輻射換熱量、降低設備投資的關鍵。

2.3 密集管束熱板集熱器

2.3.1 熱板集熱器簡介

熱板換熱元件，是經過特殊工藝成型的高效板式換熱元件，表面呈波形的板片，板片內具有獨立的流體通道，由于熱板板面的波形結構，板片內流體在流動過程中的流動方向和速度不斷地自動變化，在很低的流速下即可形成強烈的擾流，同時板片外表面的波形結構可有效提高熱輻射波吸收率，因此熱板傳熱元件作為輻射換熱元件具有很高的換熱效率。熱板半片結構示意圖見圖1。

圖1 熱板半片結構示意圖

2.3.2 熱板集熱器選型說明

根據熱板集熱器熱力計算結果匯總，熱板集熱器布置在水泥窯體1號2號3號支柱中間區域，其換熱面可制作成固定形式，窯體抱覆面沿窯體軸向長度為30m，沿窯體圓周方向長度為8m，整個熱板集熱器分為5組，單組熱板集熱器由18～20片熱板換熱單元組成，單體板片尺寸為6000mm×500mm×100mm，熱板換熱單元與框架結構均采用螺栓連接，有利于更換、安裝。

2.3.3 熱板集熱器特點

（1）熱板集熱器設計充分考慮了有限空間換熱面換熱效率問題，設計有效擴展面的換熱效率均為98%。

（2）熱板集熱器表面波形尺寸及形狀的設計經過嚴格的計算機模擬計算，有利于最大程度增強流體擾動和板片表面熱輻射波吸收率，提高換熱系數。

（3）熱板集熱器板片緊貼窯體表面，可最大程度吸收窯體的輻射余熱。

（4）熱板集熱器板片輻射換熱面噴涂納米稀土紅外吸波涂料，可有效增加集熱器的輻射換熱系數，增強集熱器的換熱能力。

（5）對于氣溫比較寒冷的地區和沒有軟化水的企業，熱板集熱器內可充注高溫防凍導熱介質，有效防止熱板集熱器高溫結垢和低溫凍結，保證集熱器長期穩定運行。

（6）熱板集熱器每個換熱單元獨立安裝，因此當換熱面局部受到損壞時可單獨更換。

（7）熱板集熱器采用纖維和鍍鋅鐵皮的保溫方式，外形美觀，重量輕。

2.3.4 熱板集熱器熱工結算

有效輻射換熱面積A=實際換熱面積A0×換熱面導熱效率η2；

換熱面導熱效率η2與換熱面壁厚以及換熱面翅片高度成反比；

熱板集熱器換熱面成板式結構，相當于換熱面翅片高度為0，另外熱板集熱器換熱面壁厚為2.5mm，對傳熱影響很小，因此熱板集熱器換熱面導熱效率η2可近似取值為1。

熱板集熱器有效輻射換熱面積A=實際換熱面積A0×換熱面導熱效率η2=3.14×D2×L×η1×η2=3.14×6×6×0.6×1=68m2

輻射面平均溫度T1=300℃

吸熱面平均溫度T2=70℃

窯體表面放射率β1=0.94，集熱器表面吸收率β2=0.98

單組熱板集熱器有效換熱量Q1數值如下：

單條窯熱板集熱器熱力計算結果匯總見表1。

表1單條窯熱板集熱器熱力計算結果匯總

3 應用實例

2010年應內蒙古阿榮旗水泥廠要求，我們設計了水泥回轉窯熱板集熱器替代小型鍋爐房作為洗浴熱源。

圖2 回轉窯上部安裝的熱板集熱器

該廠地處嚴寒地區，室外采暖計算溫度為-25℃，日平均溫度≤5℃的天數為195d。我們在該廠回轉窯上部設計安裝了熱板集熱器（見圖2）。該熱板集熱器的主要設計思路與河南、山東、河北等地水泥廠不盡相同，其選用材料有較詳細計算，不是憑經驗安裝；制造工藝精致，特選一種無縫鋼管；為增加換熱，特選稀土涂料增加設備黑度。集熱器的外層保護板使用1.00mm的彩鋼板，保溫材料使用玻璃棉加增強鋁箔。換熱瓦整體重量輕，不超過29t，不會造成窯墩沉降。該廠集熱器已使用近兩年，運行良好，在內蒙東部酷寒的氣候下，節能效果明顯。

一套標準5000t/d水泥窯筒體，輻射廢熱有效利用1.8MW左右，最大可至4.2MW（目前第一期0.4MW稍后擴充至1.4MW）。

小型鍋爐生產1.4MW熱能需要消耗煤炭0.7～1.0t/h，同時向大氣中排放近10000m3/h高硫、硝及CO2廢氣，水泥窯筒體輻射余熱利用可以減輕煤炭的消耗并減少高硫、硝及CO2廢氣排放。

標準5000t/d水泥廠一年運行300d，如每天洗浴時間為4h，一年需要300×4×0.7=840t標準煤，以每噸標煤均價600元計，年節約50萬元。

北方每年冬季采暖期120d，鍋爐每天運轉16h，即120×16×1.0=1920t標準煤，以每噸標煤均價600元計，年節約115萬元。

以此計算，每年約減少二氧化硫排量23t，氮氧化物21t，二氧化碳7200t。

隨著國內外工程項目對環保審批的日益嚴格，越來越多的項目會淘汰中小型鍋爐，而冬季采暖與全年洗浴又是水泥企業不可或缺的，不難看出水泥窯筒體余熱利用前景廣闊。特別是在全球經濟持續低迷的當下，各企業都需要節能挖潛，開源節流，這也正是開發此產品的意義所在。

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呂 光