1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1.1 背景情况

自古以来，人类的生存和发展离不开能源这一重要因素，现如今它也是经济发展的原动力。随着中国经济飞快发展，中国的能源消费量与日俱增，如今更是成为世界上仅次于美国的能源消费大国，其中工业能源消费量占总消费量的70%以上^[1]。而中国能源与经济发展矛盾日益严重，国家针对这一现象也正利用能源政策大力推进废热资源利用，在减少污染物排放，发展循环经济的前提下，中国各行业对其生产过程的副产品充分利用刻不容缓^[2]。

随着我国工业的迅猛发展和人们对余热资源重视程度的加大，余热锅炉在工业生产中越来越受到关注，并得到广泛应用，尤其是建材水泥行业。由于余热锅炉在建材行业 生产中既是工艺流程中高温物流的冷却器，又是利用余热提供蒸汽的动力装置，这就对生产技术提出了更高的要求。近年来，随着生产技术的发展，余热锅炉趋向高参数化，现今余热锅炉已由单纯的工艺锅炉转变为生产高压蒸汽的动力锅炉，余热锅炉在整个装置中的地位也发生了重要的变化^[3]。

1.2 国内外研究现状

2012年以来，世界水泥消费数量稳步增长，很大程度上是中国推动的。随着中国房地产市场回暖和基建项目加快启动带动水泥市场弱势复苏，水泥产量保持低速增长，2016年全年水泥产量为24亿吨左右，同比增长2.6%。而近年来，我国成为水泥生产和消费大国，据数据统计，从2006年~2014年中国年水泥消费量一直位于榜首，如图1^[4]。目前新型干法水泥生产线发展迅速，其技术、设备、管理等方面也日渐成熟。新型干法生产线与其他窑型相比在热耗方面有显著的降低，但新型干法水泥生产对电能的消耗和依赖依然很大，而窑头熟料冷却机和窑尾预热器排出大量350℃左右废气，其热能大约为水泥熟料烧成系统热耗量的35%，将这些废气余热产生的蒸汽用于发电，不仅可以大大提高全厂的能源利用率，而且还降低了水泥生产单耗，减少大气污染物的排放，减少温室效应^[5]。

图

1

1.2.1 国内研究现状

我国水泥窑余热发电大致经历了中空窑高温余热发电、预热器及预分解窑带补燃炉中低温余热发电、预热器及预分解窑低温余热发电三个发展阶段。经过十几年的发展，我国的纯低温余热发电技术已较为娴熟^[6]。

纯低温余热发电是利用窑头、窑尾排放废气余热发电,无需消耗燃料。在预分解窑系统上加设纯中低温余热发电,能将水泥生产的综合热利用率从 60%左右提高到 90%以上,经济效益明显。纯中低温余热发电量现已达到 30~40kWh/t 熟料,使水泥生产线的自供电量达到 1/3 以上,经济效益是很可观的,窑头、窑尾废气通过余热锅炉温度进一步降低后排放,对环境的热污染程度 降低。而相对于燃煤电站,不用燃煤发出10000kWh 电,少排放近8t的CO2,这对减少温室效应, 保护生态环境,起着积极的促进作用。因此,在用新型干法生产线取代耗能高的立窑和湿法窑水泥生产方法的同时,在已投产运行和新建的新型干法窑生产线上,加设纯中低温余热发电装置, 充分利用余热发电,回收能源,成为我国水泥工业节能的一项重要措施^[7]。纯低温余热发电的技术工艺流程如图。此外我国余热发电技术还有烧结余热发电技术、转炉余热发电技术和玻璃余热发电技术

等。

图2：纯低温余热发电技术烟风系统

图3：纯低温余热发电技术汽水系统

1.2.2 国外研究现状

国际水泥工业余热发电技术最先进的是德国和日本，近十几年来由于德国和日本国内建筑业持续低迷，水泥需求不断下滑，德日两国1996年的本国水泥消费量分别由3550万吨和8400万吨，锐减为2006年的2600万吨和6000万吨，分别下降了27%和29%，并且仍呈现下降趋势^[8]。导致很多水泥厂纷纷关闭，技术人员大量流失。水泥工业处于一片萧条之中，大大阻碍了余热发电技术的发展进程。譬如日本，实际上完全就是在艰难维持着，十几年来基本没有任何进展。近年日本的经济形势虽稍显好转，但是他们推销给中国的水泥工业余热发电技术大部分仍停留在10年前的水平。在日本，水泥窑低温余热回收已应用得相当广泛，在国内则起步较晚，但发展迅速^[9]。

相反地，德国水泥界面对这种不景气的挑战，心态非常积极。首先是积极将进口水泥逐渐转变为出口水泥，这样维持了本国水泥年生产量基本不变的局面。同时积极推进”四零一负”的各项目技术措施和法规建设，取得了卓越成效。”四零一负”工艺及技 术包括：水泥企业对周围环境达到零污染，对外界电能零消耗，对废料、废渣、废水零排放，熟料生产对天然矿物燃料零消耗，以及消纳各种废物，为全社会废渣、废料的负增长做出贡献。即使在资金非常困难的情况下，1999年在巴伐利亚州（现拜恩州）海德堡水泥公司所属的Lengfurt水泥厂的一台日产3000吨的熟料蓖冷机上采用了以色列ORMAT公司的新装备技术^[10,11]。这是一套以有机工质戊烷汽轮机和导热油为热载体的余热锅炉组成的利用冷却机废气余热的发电系统，显然比我国当时乃至现有的水平高出一大块。而至于美国，水泥行业的余热发电在各国余热发电中均处于相对超前的水平^[12]。

其实现如今国内余热发电技术原理和技术方案基本同国外相仿，但是能源利用效率国外还是略高于国内水平。再加上我国第二代水泥窑纯低温余热发电技术与国际先进水平相比，还是有差距的，仅相当于本世纪新型干法水泥窑的技术水平^[13]。

1.3 余热回收技术

1.3.1现有余热回收技术

我国工业余热温度广、能量载体的形式多样，又因为所处的环境和工艺流程的不同及场地的固有条件的限制，生产生活的需求，设备形式丰富多样，比如空气预热器、窑炉蓄热室、余热锅炉及低温汽轮机等。根据余热资源在利用过程中的能量转换或传递特点，将我国目前工业余热利用技术分为热交换技术、热功转换技术以及余热制冷制热技术。而针对建材水泥行业，我国目前使用最多的就是低温余热发电技术，对水泥窑在熟料煅烧过程中窑头窑尾排放的余热废气进行回收。其中，窑头采用AQC炉，国内外大都为立式；窑尾采用SP锅炉（立式）或PH锅炉（卧式）。

1.3.2磨损问题：

水泥窑窑头余热锅炉炉型布置大都是立式窑头AQC余热锅炉，由于窑头AQC余热锅炉烟气成分、工艺走向与其他的不同，所以损坏模式也与其他的不同。

窑头AQC余热锅炉的烟气主要为热空气，空气含尘量较小，但由于粉尘主要是熟料粉尘，粉尘颗粒比较硬，对受热面的磨损比较严重，解决窑头余热锅炉磨损问题已经成为余热利用的主要难点。要想解决磨损问题，首先要采用合理的受热面结构与合适的烟气流速，其次受热面的弯头及其他易磨损的结构应采取特殊结构^[14,15]。

1.3.3高露点烟气的腐蚀、结垢和堵灰问题：

对于高露点烟气，为了防止结露引起腐蚀、结垢、堵灰等问题，通常采取措施使锅炉受热面的金属壁温在任何操作条件下都高于露点温度^[16]。具体措施如下：

（1）选择的锅炉汽水侧的工作压力，应使其对应的炉水饱和温度高于烟气露点度。

（2）对炉水进行预热，避免出现低温区，避免低于饱和温度的炉水与受热面接触。

（3）加强保温，防止锅炉在低负荷和停炉时结露^[17,18]。

1.3.4换热管的积灰问题：

烟气余热换热器由于工作温度低，烟气中SO2、SO3、HF及HCL 成分会与表面的凝结水混合并粘附在低温受热面表面，不仅影响传热管传热效率，严重时还会造成烟气通道堵塞，增加烟气流动阻力，影响锅炉安全运行。为保证烟气余热换热器不发生堵塞，应保持传热管的积灰为干灰状态。一般采取的措施为：

（1）换热器选取合适的结构形式，采取合理管型，在结构设计上可减轻换热器积灰；

（2）根据灰的沾污性、特点，选取合适的烟气流速和清灰技术；

（3）优化换热器管的横向节距和纵向节距，改善换热器管壁积灰；

（4）选取可靠成熟的清灰装置，包括：蒸汽吹灰、压缩空气吹灰和脉冲吹灰^[19,20]。

1.4 发展方向

对于现阶段余热发电系统中，对于余热利用效率不是很高的问题，我们仍需要更深入优化解决：（1）、从热工参数对与余热系统影响方面考虑，对系统关键环节进行优化，以达到提高热效率的目的，例如：节点温度、蒸汽压力以及进口烟气温度等方面；（2）对高效除尘加大研究力度，对旋风分离器除尘技术通过使用实验的方法或者数值模拟的方法进行优化，最大限度的减少余热锅炉内的粉尘量；（3）优化余热锅炉结构，对余热锅炉的受热面进行优化布置，通过实验方法对受热面的阻力特性与传热特性进行研究，强化传热性能；（4）研究粉尘沉积、颗粒与污染等因素，降低粉尘对锅炉内壁的磨损情况^[21,22]。除了进一步对相关技术进行深入研究，攻克材料性能、封装工艺等技术难关外，对换热设备及换热工质进行改进，也是今后一个重要的研究方向^[23,24]。

1.5结论

随着节能减排观念的不断深入，余热锅炉已经是水泥行业节能的一个重要举措。本文对水泥窑窑头余热锅炉技术进行了介绍，阐述了余热锅炉可能会出现的问题，并给技术难点给出了解决方法。在进行烟气余热利用的时候，既要考虑余热回收量，又要解决余热利用装置的低温腐蚀、磨损和积灰等问题，针对不同的情形给出不同的解决方法，可以”因地制宜”合理设计烟气余热利用方式^[25,26]。只有不断地磨合，不断地探索，不断地发现问题，不断地解决问题，我们的技术才会不断地精进，我们国家在余热回收技术方面才会赶上甚至超越世界先进水平^[27]。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

余热锅炉和一般工业锅炉在结构形式上具有共同之处，但也有不同之处。余热锅炉的炉型根据行业的不同，它的结构设计不同。在设计水泥窑窑头余热锅炉时要根据水泥行业产生烟气的行业特点，特别是根据余热烟气的特性，设计出具有防止或缓解腐蚀、结渣、积灰、磨损等特性的余热锅炉型式。

拟采用的研究手段（途径）：

（1）查阅相关文献资料，撰写文献综述