大型干法水泥生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電熱量利用分析

　　近年來，國內(nèi)水泥工業(yè)的建設規(guī)模和技術(shù)水平都有較大的進步，現(xiàn)代新型干法水泥生產(chǎn)線的綜合能耗已有了較大幅度的降低，但由于生產(chǎn)規(guī)模的擴大，燒成系統(tǒng)仍有大量的低溫廢氣余熱被排放，得不到充分利用。 另一方面，水泥生產(chǎn)時又要消耗大量的電能，而當前國內(nèi)電力供應緊張，電價持續(xù)上漲，已嚴重制約了水泥工業(yè)的發(fā)展。同時結(jié)合國家實施的節(jié)能、環(huán)保等一系列的政策措施，就使得低溫廢氣余熱發(fā)電技術(shù)的研究、開發(fā)、推廣應用尤為必要。被排放的低溫廢氣余熱如果用于發(fā)電，余熱的有效利用率究竟有多少，以噸熟料發(fā)電能力來評價為何會出現(xiàn)差異？被排放的低溫廢氣余熱最大發(fā)電能力到底有多大？……這是每位業(yè)主都非常關(guān)心的問題。因此，本文將通過一些有針對性的定量計算，來分析余熱的有效利用率及余熱發(fā)電效率。
1　有效發(fā)電功率的計算
　　鍋爐有效利用的熱量用于產(chǎn)生蒸汽并驅(qū)動汽輪機發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生電能。一定熱量下產(chǎn)生電能的多少，取決于熱力發(fā)電系統(tǒng)的效率。
　　蒸汽動力裝置的理想循環(huán)就是朗肯循環(huán)，其動力設備如圖1。根據(jù)焓熵圖以及水蒸氣性質(zhì)表計算得到朗肯循環(huán)的各點狀態(tài)參數(shù)，計算方法如圖2。朗肯循環(huán)的T-s圖見圖3。
　　點1：P1=1.7MPa、T1=330℃
　　h1=3 100.70kJ/kg、s1=6.970 1kJ/(kg·K)。
　　點2：P2=0.008MPa、T2=41.53℃
　　h2=2 180.78kJ/kg、s2=6.970 1kJ/(kg·K)。
　　點3：P3=0.008MPa、T3=41.53℃
　　h3=173.87kJ/kg、s3=0.592 5kJ/(kg·K)。
　　點4：P4=1.7MPa、T4=41.59℃
　　h4=175.57kJ/kg、s4=0.592 5kJ/(kg·K)。
　　點2act：P2act=0.008MPa、h2act=2 373.7kJ/kg
　　s2act=7.55kJ/(kg·K)。
　　忽略不計水泵功，循環(huán)熱效率η的近似計算公式為：
　　η===31.43%
1.1　鍋爐效率ηgi
　　余熱鍋爐吸收的熱量，考慮2%的鍋爐排污率等熱損失，其余全變成蒸汽去發(fā)電，則此處可認為鍋爐效率ηgi=98%。
1.2　管道效率ηgd
　　一般情況下若不計工質(zhì)損失為99%，考慮到水泥廠純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)相距較遠，主蒸氣有壓降、溫降，此處取ηgd=98%
1.3　循環(huán)熱效率ηt
　　因朗肯循環(huán)的1點狀態(tài)參數(shù)，溫度影響較大，廢氣溫度在350℃左右，決定了朗肯循環(huán)的1點蒸汽溫度＜330℃，而蒸汽壓力（無論是1.3MPa或2.0MPa）h1變化不大。取ηt=31.43%
1.4　汽輪機的絕對內(nèi)效率ηoi
　　一般情況下為75%～85%，水泥廠用低溫汽輪機取ηoi=80%
1.5　汽輪機的機械效率ηj
　　一般情況下為96%～99%，此處取ηj=98%
1.6　發(fā)電機效率ηd
　　與冷卻方式有關(guān)，對于中小容量的空氣冷卻機組其效率在97%～98%，一般取ηd=98%
1.7　總效率η
　　將以上各項效率考慮以后，則大型干法水泥生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的總效率為：
　　η=ηgi×ηgd×ηt×ηoi×ηj×ηd
　　=0.98×0.98×0.314 3×0.8×0.98×0.98=23.19%
　　若汽輪機的絕對內(nèi)效率取ηoi=75%，則系統(tǒng)的總效率為21.74%。
　　綜合分析大型干法水泥生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的總效率為：21%~23%。
2　廢氣余熱利用分析
　　由于各個水泥生產(chǎn)線的規(guī)模、工藝流程、原燃料特性、氣象條件等原始資料不盡相同，廢氣排放量、廢氣成分和溫度也有所差異。為了方便分析計算，使余熱利用情況以數(shù)量化的形式展現(xiàn)，下面以5 000t/d熟料生產(chǎn)線為例，對水泥窯廢氣熱量進行定量分析計算。其它規(guī)模生產(chǎn)線的分析可大致依此類推比較。
2.1　窯尾預熱器和窯頭熟料冷卻機廢氣排放的熱量
2.1.1　窯尾預熱器廢氣排放的熱量
　　目前國內(nèi)水泥生產(chǎn)線的燃料有采用煙煤的，也有采用無煙煤的，煤質(zhì)不同，燃燒后產(chǎn)生的煙氣量也有所差異，高揮發(fā)分的煤和質(zhì)量較次的煤其煙氣產(chǎn)生量較多。另外受預熱器系統(tǒng)換熱效率和分離效率的影響，不同的工藝配置將使出預熱器系統(tǒng)的廢氣溫度有所不同。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和查閱資料，我們了解到目前國內(nèi)新型干法水泥生產(chǎn)線單位熟料窯尾預熱器排出廢氣量約為1.34~1.63Nm3/kg熟料，那么對于5 000t/d熟料生產(chǎn)線，其出窯尾預熱器的廢氣量約為28~34萬Nm3/h，溫度約320~350℃。熱量計算時所采用的比熱值取決于廢氣各成分的含量，經(jīng)過對一些生產(chǎn)線的取值計算比較，比熱值差異不太多。具體熱量計算取值如下：
　　窯尾預熱器排出的廢氣：32萬Nm3/h，溫度330℃，比熱1.51kJ/Nm3·℃。
　　窯尾預熱器排出的廢氣熱量：159.5×106kJ/h。
　　其中，用于烘干原料水分(5%水分)的熱量：45.5×106kJ/h。
　　扣除烘干原料熱量后，窯尾排放的廢氣熱量：114×106kJ/h。
2.1.2　窯頭熟料冷卻機廢氣排放的熱量
　　目前多數(shù)生產(chǎn)線配置的第三代充氣梁篦冷機熱回收效率可達72%~75%，單位熟料冷卻風量降至1.9~2.2Nm3/kg熟料，余風排放量也相應降低。由于不同生產(chǎn)線的工藝配置和原燃料特性的不同，窯用二次風和分解爐用三次風也有所不同，加之煤磨在窯頭或窯尾的配置不同，均對余風排放量有所影響，但其大致范圍在1.34~1.48Nm3/kg熟料，那么對于5 000t/d熟料生產(chǎn)線，其余風排放量約為28~31萬Nm3/h，溫度約200~250℃。冷卻機排出氣體主要是空氣，所以比熱可按自由空氣的比熱取值。熱量計算時取值如下：
　　窯頭熟料冷卻機排出的廢氣：30萬Nm3/h，溫度250℃，比熱1.3kJ/Nm3·℃
　　窯頭熟料冷卻機排出的廢氣熱量：97.5×106kJ/h
2.1.3　窯頭窯尾總排放的廢氣熱量
　　經(jīng)過上述計算可知，窯頭窯尾實際排放的廢氣總熱量為211.5×106kJ/h，折合單位熟料總排放的廢氣熱量為1 015.2kJ/kg熟料。
　　現(xiàn)代新型干法水泥熟料生產(chǎn)線燒成熱耗~3 010kJ/kg熟料，那么窯頭窯尾總排放的廢氣熱量占水泥熟料燒成熱耗的百分比為33.7%。
2.2　余熱鍋爐有效利用熱量
2.2.1　窯尾SP爐有效利用熱量
　　由于窯尾出SP爐的廢氣要用于烘干原料，因此，要根據(jù)原料水分含量，通過原料磨系統(tǒng)的熱平衡計算，確定出SP爐的廢氣溫度。根據(jù)當前國內(nèi)多數(shù)5 000t/d生產(chǎn)線的工藝配置情況，當煤磨在窯頭、原料磨采用立磨時，確定出SP爐的廢氣溫度按230℃計。如果煤磨在窯尾，或原料磨采用管磨時，還須結(jié)合原料磨和煤磨系統(tǒng)的熱平衡計算，另行確定出SP爐的廢氣溫度，此處為簡化計算，不再一一列出。確定了進出SP爐的廢氣量、廢氣溫度、漏風量、廢氣含塵濃度等參數(shù)后，即可根據(jù)鍋爐熱平衡計算，求得SP爐有效利用的廢氣熱量。計算取值和結(jié)果見表1。
...... 摘處《中國水泥》 2005年 05月號