新型干法水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)四級(jí)和五級(jí)預(yù)熱器純低溫余熱發(fā)電分析

  1 概述

  近年來(lái),國(guó)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(jí)預(yù)熱器的3768 kJ/kg.cl[1]降低到帶有五級(jí)預(yù)熱器的3011kJ/kg.cl。在熱耗下降的同時(shí),仍然有大量的中低溫余熱沒(méi)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(guò)程中排放的大量中、低溫余熱資源。目前在新型干法線(xiàn)純低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目中,有的在帶四級(jí)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(jí)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(jí)預(yù)熱器的比帶五級(jí)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(jí)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(jí)預(yù)熱器改為四級(jí)預(yù)熱器以提高噸熟料發(fā)電量。水泥廠(chǎng)純低溫余熱發(fā)電是為了單純?cè)黾影l(fā)電量還是為了充分利用廢氣余熱?如何評(píng)價(jià)不同水泥廠(chǎng)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(guò)對(duì)帶四級(jí)預(yù)熱器和帶五級(jí)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(guān)點(diǎn),供水泥廠(chǎng)純低溫余熱發(fā)電關(guān)注者參考。

  2 帶四級(jí)預(yù)熱器和五級(jí)預(yù)熱器的新型干法水泥窯廢氣情況

  對(duì)于純低溫余熱發(fā)電來(lái)說(shuō),相同產(chǎn)量的新型干法水泥生產(chǎn)線(xiàn),不論是帶有四級(jí)預(yù)熱器還是帶有五級(jí)預(yù)熱器的水泥生產(chǎn)線(xiàn),其窯頭篦冷機(jī)的廢氣量與廢氣溫度并無(wú)多大差別,其主要區(qū)別在于第一級(jí)預(yù)熱器出口廢氣溫度、廢氣量以及整個(gè)水泥生產(chǎn)線(xiàn)的耗煤量。根據(jù)國(guó)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(guò)??諝狻Ⅺ}類(lèi)分解、自由水蒸發(fā)、高嶺土脫水、空氣帶入含濕量等)[3]。四級(jí)預(yù)熱器窯由于少了一級(jí)預(yù)熱器,其漏風(fēng)量比五級(jí)預(yù)熱器窯有所減少,窯尾預(yù)熱器煙氣量也對(duì)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(guó)內(nèi)不同水泥生產(chǎn)廠(chǎng)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(jí)預(yù)熱器相關(guān)參數(shù):按照5000t/d 水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)常規(guī)配置的設(shè)備,窯尾煙氣量為1.72 Nm3/kg.cl,則四級(jí)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(jí)預(yù)熱器相關(guān)參數(shù):同樣按照5000t/d 水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)常規(guī)配置的設(shè)備,窯尾煙氣量為1.75 Nm3/kg.cl,則五級(jí)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(jì)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(jí)預(yù)熱器與五級(jí)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(jí)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(jì)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(guò)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(jí)預(yù)熱器排煙溫度高于五級(jí)預(yù)熱器,根據(jù)純低溫余熱發(fā)電熱量利用效率的計(jì)算,不難計(jì)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(jí)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(jì)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(jì)算,不難計(jì)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(jí)預(yù)熱器和五級(jí)預(yù)熱器的煤耗

  根據(jù)四級(jí)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(jí)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(jì)算出的具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 四級(jí)預(yù)熱器和五級(jí)預(yù)熱器余熱發(fā)電量對(duì)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(wàn)Nm3  ℃    ℃     104kJ/h  %            kw
四級(jí)預(yù)熱器 35.83; 375?。弧?30??; 8205  ;23         ; 5242
五級(jí)預(yù)熱器 36.46; 350??; 230??;6880  ??;21        ??; 4013

  3.3 結(jié)果分析

  從計(jì)算結(jié)果及表3中可以看出:

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

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

  表3四級(jí)預(yù)熱器和五級(jí)預(yù)熱器余熱發(fā)電能量利用對(duì)比

項(xiàng)目/可利用熱量/熱量利用率/估計(jì)發(fā)電量/燒成煤耗/生產(chǎn)線(xiàn)每小時(shí)耗標(biāo)準(zhǔn)煤/多耗煤與多耗電之比國(guó)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(jí)預(yù)熱器; 8205; 23; 5242; 129; 26875;    4407; 356
五級(jí)預(yù)熱器; 6880; 21; 4013; 103; 21458;
差值;    --; --; 1229;  26; 5417;

  帶四級(jí)預(yù)熱器與帶五級(jí)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(guó)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(jí)預(yù)熱器窯雖然增加了發(fā)電量,但同時(shí)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(guó)家公布的火電標(biāo)準(zhǔn)煤耗表明,四級(jí)預(yù)熱器窯的能源利用效率比五級(jí)預(yù)熱器窯低。五級(jí)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(shí)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益明顯大于四級(jí)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(lái)說(shuō),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(duì)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(jí)預(yù)熱器窯在純低溫余熱發(fā)電方面比四級(jí)預(yù)熱器窯更能提高能源利用率、降低能耗。

  3 不能為了單純?cè)黾影l(fā)電量而減少預(yù)熱器級(jí)數(shù),把五級(jí)預(yù)熱器窯改為四級(jí)預(yù)熱器窯更是得不償失,應(yīng)把水泥煅燒技術(shù)與純低溫余熱發(fā)電技術(shù)結(jié)合起來(lái),降低水泥窯能耗,減少排煙損失,提高能源利用率。


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