水泥回轉窯筒體表面余熱回收供暖系統的設計

溫彩霞，張云峰，范宜斌，黃順源

1 工程概況

水泥熟料生產線的回轉窯筒體表面溫度非常高，一般情況下平均溫度＞300℃，靠近窯尾的一段表面溫度可達330℃～360℃。窯筒體表面熱量以輻射和對流的方式直接釋放到空氣中，產生能源浪費及環境熱污染。通過在回轉窯筒體表面加裝熱回收裝置，可以將回轉窯的這部分熱能回收再利用，該裝置的長期使用可帶來良好的經濟和環境效益。

本項目是對一條2 500t/d的水泥窯筒體表面輻射熱進行回收，回轉窯規格φ4m×60m。根據實際供暖需求設計的熱能回收裝置和供暖系統由四部分組成，即窯筒體取熱系統、熱量存儲和輸配系統、末端供暖系統以及控制系統。熱量回收及供暖系統原理如圖1所示。

2 供暖系統分析及負荷計算

此次設計的供暖范圍包括項目所在地1km外的某小學（含教學樓、食堂、門衛室及后勤辦公室）和當地村委會、衛生所、村活動中心，廠區內綜合辦公室和中控室。

2.1 供暖面積

本項目涉及到的供暖建筑物及供暖面積等見表1。

2.2 供暖負荷

綜合供暖熱量指標推薦值[1]、建筑物保溫情況以及實際需求，設計供暖端負荷如表2所示。

3 回轉窯輻射熱計算及換熱器（集熱器）設計

3.1 取熱量計算

可利用的輻射熱部分位于窯筒體25～41m之間，共計16m的范圍，取熱段表面溫度為320℃～360℃，安裝2個取熱換熱器（集熱器），安裝前后窯筒體情況如圖2、3所示。

由于供熱的學校位于廠區1km以外，管路熱損失按10%計算，同時考慮10%余量，則總的取熱量單個換熱器的集熱量為184.4÷2=92.2kW。

圖1 取熱和供熱系統原理圖

表1 供暖建筑及面積

表2 供暖建筑面積及設計負荷

圖2 安裝取熱器前窯筒體圖

3.2 換熱器（集熱器）設計

本項目換熱器采用和窯筒體平行的弧形集熱器，集熱器罩在回轉窯筒體上部吸收筒體表面的輻射熱量，受熱介質為循環水。

換熱器的換熱管采用G20鍋爐鋼管，外徑為φ 48mm，壁厚4mm，沿窯筒體長度方向蛇形排布。集熱管位于換熱器的兩端，根據集熱量及出水溫度、流動阻力等設計取熱換熱器的流程。

窯筒體上換熱器的設計溫差為20℃，供、回水設計為70℃/50℃，則冷卻水流量為7.93m3/h。換熱器的內部分為3個流程，兩個換熱器每個流程的流量為為：

圖3 安裝取熱器后窯筒體圖

因窯筒體一側水平直徑方向上裝有筒體掃描儀，所以換熱器按180°半包圍面設計，旋轉15°安裝。在半圓范圍內，考慮焊接支管轉彎半徑等因素，共可排列63根換熱管。集熱器進、出水集管位于換熱器兩側，管徑DN65，集熱器分3個流程。

集熱器嚴格按照壓力容器相關標準加工制作，并經過嚴格的打壓試驗，以保證在使用過程中不出現泄漏，換熱器（集熱器）設計見圖4。

3.3 輻射換熱量計算

窯筒體以輻射和對流的方式將熱量傳遞給集熱換熱器表面，通過導熱方式傳到管道內壁，再以對流換熱方式將熱量傳遞給循環冷卻水。

單個換熱器（集熱器）長度為5m，被換熱器覆蓋的窯筒體表面積為27.9m2。換熱管外敷設巖棉板，近似絕熱表面。

窯筒體表面的輻射熱通過外保溫壁面的假想平面K-K才能到達外保溫壁面處，K-K平面可作為輻射面。因為管長比管距s大很多，近似符合在一個方向上無限延伸的條件，所以可以把窯筒體和換熱器之間的輻射換熱方式簡化為圖5所示的模型。圖中e為管子中心距絕熱表面的距離。表面AD、AMB以及BCD構成了3個非凹表面組成的封閉系統。角系數的簡化模型如圖6所示[2]。

圖4 換熱器

圖5 窯筒體和換熱管的簡化模型

窯筒體表面A1對換熱管表面AMB的角系數按式（1）計算，將d=48mm，s=112mm帶入計算，得到角系數的值。

根據輻射換熱的基本原理，兩個表面之間的輻射換熱為表面1到表面2的有效輻射與表面2到表面1的有效輻射之差，見式（2）。

圖6 換熱管角系數簡化模型

式中：

C0——黑體輻射系數，5.67W/（m2·K4）

ε1——回轉窯筒體表面的黑度

ε2——換熱管表面的黑度

T1——回轉窯筒體表面溫度，K

T2——換熱管的表面溫度，K

A1——取熱器覆蓋部分回轉窯的表面積，m2

A2——取熱器輻射面表面積，m2

常用物體的表面黑度見表3[2]，回轉窯筒體由鋼板焊接而成，表面黑度ε1取值0.8；換熱管材質為鋼管，因表面生銹程度不同，其黑度值有較大的變化。為提高實際換熱器的吸熱量，換熱器焊接完成后表面刷涂高溫防銹漆，能在原有基礎上進一步提高換熱器表面的輻射率。換熱器表面取不同的ε2值，集熱量會有所不同，將不同的ε2值帶入輻射換熱公式（2），分別計算得到換熱器的輻射換熱量見表4。

表3 常用材料的表面黑度

按表4計算，在窯筒體表面黑度ε1=0.8的情況下，5m長的取熱換熱器的換熱量基本在80～91kW之間，在表面溫度平均340℃條件下，基本可滿足本項目前述范圍的采暖負荷需求。

本項目中，窯筒體表面和換熱器之間也存在對流換熱，因為幾乎是封閉空間，該值可作為取熱富余量，所以在此不做計算分析。

4 熱量存儲及輸配系統設計

4.1 水箱及水泵系統

本項目設計有冷、熱兩個水箱，體積均為18m3，水箱采用雙面不銹鋼板的聚氨酯發泡保溫板制作，保溫厚度為50mm。冷水箱冷水通過取熱水泵加壓送入換熱器中吸收熱量，被加熱后回流到熱水箱中，熱水箱的熱水通過供熱水泵經末端散熱器散熱后回流到冷水箱，冷熱水箱通過管道聯通。

供暖系統分兩路，一路為較遠處的學校和村委會，一路為廠區內的辦公室和中控室。學校距離儲熱水箱的管道總長度約1 500m，主管路采用預制保溫管沿路邊敷設，采用無補償直埋敷設方式，末端近建筑物處設分支管并設檢修井。廠區內的供暖管網采用熱鍍鋅管加外保溫架空敷設，室內部分采用PPR熱水管道。兩路供熱具體設計參數見表5。

4.2 末端散熱器設計

末端散熱器采用柱式鋼制散熱器。根據建筑物實際情況，均采用窗下安裝，進、出水采用異側下進下出的接管方式。不同功能間散熱器配置見表6，表6中散熱器柱數已考慮各種修正系數。

5 控制系統設計

為保證系統在設計參數內安全運行，本項目設計了集中控制系統?？刂葡到y包含管路水箱上溫度測量和顯示、取熱量放熱量計算實時顯示、取熱溫度自動控制、補水自動控制、防止窯筒體表面溫度過高的緊急補冷水放熱水控制以及各種故障報警功能。通過集中控制系統，可以顯示和記錄系統運行參數，為進一步優化設計提供參考，為系統可視化、安全化運行提供保障。

表4 不同ε2條件下，輻射換熱器集熱量

表5 供暖系統設計參數

項目教室保健室實驗室門衛食堂中控室辦公室面積，m2 56 28 84 30 158 260 20材質鋼制鋼制鋼制鋼制鋼制鋼制鋼制中心距，mm 600 600 600 600 600 600 600進、出水方式下進下出下進下出下進下出下進下出下進下出下進下出下進下出柱數64 32 96 30 168 108 24

6 經濟效益分析

本項目從設計到施工完成只用了2個月時間，不僅滿足了項目進度和學校供暖需求，而且創造了在不停窯的情況下，完成取熱器安裝的先例。供暖期間，整個取熱和供熱系統的實際運行數據基本在設計參數范圍內，供暖期學校教室內的溫度和廠區辦公室溫度保持在20℃左右，完全達到了預期效果。原學校教室和辦公室采用電空調采暖，按空調制熱平均效率2、平均電費0.6元/kWh計算，則每年可節省采暖費用約15萬元。在非供暖期間，回收熱量可用于廠區低溫發電機組的鍋爐給水預熱。

采用該套余熱回收裝置后，可全年從窯筒體取熱，按窯實際年運轉300d計算，每年可回收熱量190kW×24h×300d=1 368 000kWh，相當于標準煤1 368 000/（7 000/860）=168 059kg，具有非常顯著的社會和經濟效益。