新型干法水泥熟料生產(chǎn)線四級和五級預(yù)熱器純低溫余熱發(fā)電分析

　　1 概述

　　近年來，國內(nèi)水泥工業(yè)的建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平都有較大的進(jìn)步，尤其是帶預(yù)分解窯的新型干法窯得到了快速發(fā)展，水泥熟料熱耗從帶四級預(yù)熱器的3768 kJ/kg.cl[1]降低到帶有五級預(yù)熱器的3011kJ/kg.cl。在熱耗下降的同時，仍然有大量的中低溫余熱沒有被充分利用，純低溫余熱發(fā)電技術(shù)可以合理利用水泥生產(chǎn)過程中排放的大量中、低溫余熱資源。目前在新型干法線純低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目中，有的在帶四級預(yù)熱器的干法窯上建設(shè)，噸熟料發(fā)電量達(dá)到33.07 kW.h/t.cl [2]；有的在帶五級預(yù)熱器的干法窯建設(shè)，噸熟料發(fā)電量28 kW.h/t.cl。帶四級預(yù)熱器的比帶五級預(yù)熱器的干法窯噸熟料純低溫余熱發(fā)電量多，因此，有人認(rèn)為應(yīng)建設(shè)帶四級預(yù)熱器的干法窯并配套純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，甚至提出把五級預(yù)熱器改為四級預(yù)熱器以提高噸熟料發(fā)電量。水泥廠純低溫余熱發(fā)電是為了單純增加發(fā)電量還是為了充分利用廢氣余熱？如何評價不同水泥廠純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)？又如何結(jié)合水泥煅燒技術(shù)和發(fā)電技術(shù)以提高能源利用率？……本文通過對帶四級預(yù)熱器和帶五級預(yù)熱器干法窯的純低溫余熱發(fā)電分析，提出了作者自己的觀點(diǎn)，供水泥廠純低溫余熱發(fā)電關(guān)注者參考。

　　2 帶四級預(yù)熱器和五級預(yù)熱器的新型干法水泥窯廢氣情況

　　對于純低溫余熱發(fā)電來說，相同產(chǎn)量的新型干法水泥生產(chǎn)線，不論是帶有四級預(yù)熱器還是帶有五級預(yù)熱器的水泥生產(chǎn)線，其窯頭篦冷機(jī)的廢氣量與廢氣溫度并無多大差別，其主要區(qū)別在于第一級預(yù)熱器出口廢氣溫度、廢氣量以及整個水泥生產(chǎn)線的耗煤量。根據(jù)國內(nèi)新型干法水泥生產(chǎn)的情況，窯尾煙氣量可達(dá)1.5-1.9 Nm3/kg.cl（煤粉燃燒后產(chǎn)生的理論煙氣量為0.8-1.2 Nm3/kg.cl、0.2-0.4 Nm3/kg.cl的漏風(fēng)、過剩空氣、鹽類分解、自由水蒸發(fā)、高嶺土脫水、空氣帶入含濕量等）[3]。四級預(yù)熱器窯由于少了一級預(yù)熱器，其漏風(fēng)量比五級預(yù)熱器窯有所減少，窯尾預(yù)熱器煙氣量也對應(yīng)減少。

　　在符合新型干法水泥生產(chǎn)工藝要求的條件下，綜合國內(nèi)不同水泥生產(chǎn)廠的情況，不失一般性，假定下列具體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

　　四級預(yù)熱器相關(guān)參數(shù)：按照5000t/d 水泥熟料生產(chǎn)線常規(guī)配置的設(shè)備，窯尾煙氣量為1.72 Nm3/kg.cl，則四級預(yù)熱器出口煙氣的流量為：Q4=358,300Nm3/h，溫度：T4=375℃，平均熱耗：3768 kJ/kg.cl，熟料燒成煤耗：129 kg/t.cl[1]

　　五級預(yù)熱器相關(guān)參數(shù)：同樣按照5000t/d 水泥熟料生產(chǎn)線常規(guī)配置的設(shè)備，窯尾煙氣量為1.75 Nm3/kg.cl，則五級預(yù)熱器出口煙氣的流量為：Q5=364,600Nm3/h，溫度：T5=350℃[4]，平均熱耗：3011 kJ/kg.cl，熟料燒成煤耗：103 kg/t.cl, 窯尾煙氣成分如表1：

表1　　 窯尾煙氣成分

　　煙氣成分　　CO2　　O2　　　N2　　　　H2O
　　%　　　　　30.4　　4.3　　58.3　　　　7.0

　　3 余熱發(fā)電量分析

　　3.1余熱發(fā)電量計算

　　由于烘干原料的需要，余熱發(fā)電利用后的窯尾預(yù)熱器煙氣的排放溫度假定為230℃。四級預(yù)熱器與五級預(yù)熱器干法水泥窯窯頭廢氣發(fā)電量基本相同，在此只比較窯尾預(yù)熱器余熱發(fā)電量。

　　四級預(yù)熱器：根據(jù)煙氣溫度、煙氣成分以及擬排放的煙氣溫度計算出煙氣焓：375℃煙氣焓為H375、230℃煙氣焓為H230 。

　　則375℃的廢煙氣通過SP余熱鍋爐排放出230℃煙氣,可以利用的煙氣熱量為：ΔH4= Q4 (H375-H230)＝8205×104 kJ/h

　　由于四級預(yù)熱器排煙溫度高于五級預(yù)熱器，根據(jù)純低溫余熱發(fā)電熱量利用效率的計算，不難計算出SP余熱鍋爐吸收的熱量轉(zhuǎn)換為電能的效率約為η4=23％[5]，則窯尾廢氣可利用余熱純低溫發(fā)電量為：P4=ΔH4η4/3600＝5242 kw

　　五級預(yù)熱器：根據(jù)煙氣溫度與煙氣成分以及擬排放的煙氣溫度計算出煙氣焓：350℃煙氣焓H350和230℃煙氣焓H230 。則可以利用的煙氣熱量為：ΔH5= Q5 (H350-H230) ＝6880×104 kJ/h

　　根據(jù)純低溫余熱發(fā)電熱量利用效率的計算，不難計算出SP余熱鍋爐吸收的熱量轉(zhuǎn)換為電能的效率約為η5=21％[5]，則窯尾廢氣可利用余熱純低溫發(fā)電量為： P5=ΔH5η5/3600＝4013 kw

　　3.2 四級預(yù)熱器和五級預(yù)熱器的煤耗

　　根據(jù)四級預(yù)熱器熱耗3768 kJ/kg.cl 折算成煤耗 b4=129 kg標(biāo)煤/t.cl。即：b4×5000/24＝26875kg標(biāo)準(zhǔn)煤/h

　　根據(jù)五級預(yù)熱器熱耗為3011 kJ/kg.cl 折算成煤耗 b5=103 kg標(biāo)煤/t.cl。即：b5×5000/24＝21458kg標(biāo)準(zhǔn)煤/h

計算出的具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 四級預(yù)熱器和五級預(yù)熱器余熱發(fā)電量對比

項(xiàng)目　煙氣量　SP進(jìn)口溫度　SP出口溫度　可利用熱量　鍋爐吸熱轉(zhuǎn)換為電能的效率　估算發(fā)電量
單位　萬Nm3　　℃　　　　℃　　　　　104kJ/h　　%　　　　　　　　　　　　kw
四級預(yù)熱器　35.83；　375?。弧?30??；　8205　??；23　　　　　　　　??；　5242
五級預(yù)熱器　36.46；　350?。弧?30　；6880　　　；21　　　　　　　　?。弧?013

　　3.3 結(jié)果分析

　　從計算結(jié)果及表3中可以看出：

　　四級預(yù)熱器比五級預(yù)熱器每小時多耗煤：26875-21458＝5416.7kg標(biāo)準(zhǔn)煤/h

　　每小時四級預(yù)熱器與五級預(yù)熱器純低溫余熱發(fā)電差值：P4－P5＝1229 kwh。

　　表3四級預(yù)熱器和五級預(yù)熱器余熱發(fā)電能量利用對比

項(xiàng)目／可利用熱量／熱量利用率／估計發(fā)電量／燒成煤耗／生產(chǎn)線每小時耗標(biāo)準(zhǔn)煤／多耗煤與多耗電之比國家公布的火電標(biāo)準(zhǔn)煤耗
單位／　104kJ/　h／　%／　 kw／　kg/t.cl／　kg／　　　　g標(biāo)準(zhǔn)煤/kwh?。標(biāo)準(zhǔn)煤/kw
四級預(yù)熱器；　8205；　23；　5242；　129；　26875；　　　　4407；　356
五級預(yù)熱器；　6880；　21；　4013；　103；　21458；
差值；　　　?。弧。?；　1229；　　26；　5417；

　　帶四級預(yù)熱器與帶五級預(yù)熱器的新型干法窯相比，其多耗煤與多發(fā)電之比為：5417/1229=4407g標(biāo)準(zhǔn)煤/kwh ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國家公布的火電標(biāo)準(zhǔn)煤耗：356g標(biāo)準(zhǔn)煤/kwh 。

　　由此可以看出，四級預(yù)熱器窯雖然增加了發(fā)電量，但同時也增加了煤耗，增加煤耗量與增加發(fā)電量之比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國家公布的火電標(biāo)準(zhǔn)煤耗表明，四級預(yù)熱器窯的能源利用效率比五級預(yù)熱器窯低。五級預(yù)熱器窯投資雖然有所增加，發(fā)電量減少；但煤耗量的減少更為明顯，其運(yùn)行時的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益明顯大于四級預(yù)熱器窯。

　　不同的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)、熱力參數(shù)的熱力系統(tǒng)，SP余熱鍋爐吸收的熱量轉(zhuǎn)換為電能的效率可能多少有些差別，一般來說，排放的廢氣溫度越高，SP鍋爐產(chǎn)生的蒸汽溫度越高，轉(zhuǎn)換為電能的效率也越高，但對應(yīng)水泥窯熱耗也大幅增加，本文所選效率數(shù)值不失一般性，即使某項(xiàng)目效率數(shù)值與此有差異，但只要是和本文同樣的可比條件，所得結(jié)論仍然相同。

　　4 結(jié)論

　　1 水泥窯純低溫余熱發(fā)電應(yīng)重點(diǎn)考查其能量利用效率而不是噸熟料發(fā)電量。

　　2五級預(yù)熱器窯在純低溫余熱發(fā)電方面比四級預(yù)熱器窯更能提高能源利用率、降低能耗。