對水泥窯低溫余熱發(fā)電問題評述

　　我們認為單純采用“噸熟料發(fā)電量(kWh/t)”指標進行發(fā)電量和方案的對比是不科學、不準確的,不能全面反映方案的優(yōu)越性。因工藝流程、設備選型和配置不同時會產(chǎn)生不同的熱焓量。本文擬從工藝設計觀點出發(fā), 結合實際生產(chǎn)和設計中碰到的問題, 論述低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中熱能轉(zhuǎn)換為電能的各項影響因素, 以及熱耗與發(fā)電量的關系。

 

　　我們知道, 發(fā)電系統(tǒng)有單壓不補氣、多壓補氣及復合閃蒸技術方案, 但三種模式并無本質(zhì)區(qū)別,都是利用出預熱器320~380 ℃及出冷卻機350 ℃左右的廢氣組成低壓低溫、或中壓中低溫系統(tǒng), 噸熟料發(fā)電量在32~40 kWh/t 之間。本文僅以單壓不補氣系統(tǒng)為基準進行方案比較和分析論述, 供參考。

 

　　1 生料磨采用立磨, 入磨物料水分對余熱發(fā)電系統(tǒng)的影響

　　從目前一般宣傳資料看, 出SP 爐的氣體溫度標明在230~250 ℃之間。應當說, 出SP 爐的溫度,是與生料磨選型及原料平均水分有關的。只有當選用立磨、輥壓機終粉磨及筒輥磨(HORO 磨) 粉磨生料, 且入磨平均水分在4%~4.5%時, 出SP 爐的氣體溫度才能控制在230~250 ℃之間。

 

　　為提高烘干效率, 立磨要維持風環(huán)處有一定風速, 以滿足磨內(nèi)提升懸浮物料的要求; 同理, 輥壓機終粉磨中的V 型選粉機及筒輥磨也需要一定的風量。根據(jù)傳熱基本公式, 氣體傳給物料的熱量q ( 4.18 kJ/kg) 隨入磨物料水分[w(H2O)] 的增大而提高, 即q∝w(H2O)∝Vct。由于風量V 基本為一常數(shù)( 折成標況下約為1~1.3 m3/kg) , 因此入磨熱風溫度t 與原料水分w(H2O)成正向關系。

 

　　以立磨為例, 根據(jù)熱平衡計算可以求出水分不同時需要的熱風溫度t。

　　計算條件: 熟料臺時產(chǎn)量為5 500 t/d, 出預熱器廢氣量( 折成標況) 為1.5m3/kg; 立磨生料臺時產(chǎn)量450 t/h, 循環(huán)風量33%, 入磨風量( 折成標況) 1m3/kg。求得t 與w(H2O)的關系, 見表1 及圖1 所示。

　　由表1 及圖1 可見, 隨入磨物料水分增加, 立磨需要的熱風溫度愈高; 而能供給發(fā)電的熱量愈少。水分每增加1%, 如果要滿足立磨烘干水分所需的熱量, 則生產(chǎn)每kg 熟料供給SP 爐的發(fā)電熱量超過10 ×4.18 kJ, 那噸熟料的發(fā)電量就要降低3.0 kWh/t 以上。

　　

　　低溫余熱發(fā)電的原則是先滿足工藝生產(chǎn)的需要。南方雨季多, 黏土水分經(jīng)常>20%, 原料的平均綜合水分常超過5%, 對發(fā)電量影響很大。關于這一點, 在考慮余熱發(fā)電方案時, 一定不能忽略。

 

　　2 生料磨選用球磨時對熱源溫度的要求用立磨烘干原料, 因噴環(huán)需要一定風速( 70~90m/s) 才能把顆粒帶出, 因而需要大風量( 折成標況為1~1.3 m3/kg) 。而球磨( 包括中卸磨, 尾卸磨、風掃磨) 則需要高溫氣體, 其烘干風量約僅為立磨的一半, 如圖2 所示。

　　如果原料中f- SiO2 高、易磨性差, 不適于采用立磨, 必須采用球磨時, 原料磨系統(tǒng)的運行應通入溫度>300℃的高溫風; 但為了配合發(fā)電系統(tǒng), 往往只能通入低于250 ℃的氣體, 這樣勢必會影響生料磨系統(tǒng)的生產(chǎn)運行, 具體分析如下。

 

　　( 1) 會使烘干能力下降。如寧國水泥廠Φ5m×(10.4+3.5) m 中卸原料磨, 原設計入磨氣體溫度350 ℃, 加SP 爐后為增加發(fā)電量, 將入磨氣體溫度降至250 ℃, 結果造成磨內(nèi)傳熱速率降低,烘干能力下降。特別到雨季時, 入磨平均水分>5%, 則需要出SP 爐氣體旁路放風, 以提高入磨氣體溫度。

 

　　( 2) 會引起粉磨系統(tǒng)電耗增大。20 世紀70 年代引進的預熱器多為四級( 如冀東、寧國、珠江、柳州) , 出C1 筒氣體溫度高達380～400℃。根據(jù)熱平衡計算, 寧國廠入磨氣體溫度350 ℃, 原料水分由5%烘干到0.5%時, 每kg生料需烘干熱量57×4.18 kJ ( 相當于每kg 熟料需102×4.18 kJ) 。根據(jù)熱量計算公式q=Qct計算, 寧國水泥廠Φ5m×(10.4+3.5) m 中卸生料磨所需烘干風量( 折成標況) 為0.45 m3/kg; 按原設計漏風量38% 計算, 排風機風量為270 000 m3/h, 風壓5 500 Pa , 電機有效功率為550 kW, 單位生料功率消耗為550/300=1.83 kWh/t ( 磨臺時產(chǎn)量按300t/h 計算) 。保持相同熱量, 如入磨氣體溫度由350 ℃降到250 ℃時, 需要將烘干風量由0.45m3/kg上升至0.63 m3/kg, 排風量增至362 000 m3/h, 風量增大1.36 倍; 因原設備規(guī)格未變, 風量增大,風速增大, 阻力增大1.362=1.86 倍, 這使排風機功率增大到1.86×550= 1 000 kW, 單位生料功率消耗也由1.83 kWh/t 提高到1 000/300=3.33 kWh/t,相當于單位熟料電耗由3 kWh/t 增大到5.5 kWh/t。

　　

　　綜合上述計算分析, 可推斷出以下結論:

　　2 500 t/d 熟料生產(chǎn)線采用Φ4.6m×(9.5+3.5) m的中卸磨( 產(chǎn)量為185 t/h) , 或5 000 t/d 熟料生產(chǎn)線采用Φ5.6m×(11+4.4) m 的中卸磨( 產(chǎn)量為400t/h) 時, 如果為發(fā)電采用<250 ℃的低溫烘干廢氣,則會對生料系統(tǒng)造成工藝操作不利、能力下降、電耗增大等不利狀況。若長期使用低溫廢氣, 則在設計中須將全部氣路附屬設備, 包括組合式選粉機、袋式收塵器、熱風管道直徑、控制閥門規(guī)格增大,土建廠房加大, 這在技術上和經(jīng)濟上均不合理, 也違背了低溫余熱發(fā)電應遵循的基本原則。即: 不改變水泥生產(chǎn)的工藝流程和設備, 不增加原有生產(chǎn)的熱耗和電耗。

 

　　3 增濕塔位置對發(fā)電流程的影響

　　根據(jù)多年設計經(jīng)驗及熱平衡計算, 采用立磨或輥壓機原料終粉磨, 當原料水分不太高( 生料立磨<10%, 終粉磨<6%時) , 增濕塔應放在高溫風機之前( 也稱“在線布置”) , 即磨機與增濕塔串聯(lián)。其原因是出C1 級筒氣體由330℃(五級)～380℃ ( 四級) 的氣體降到250 ℃以下, 通過噴水降溫很容易實現(xiàn)。采用此方案時, 要考慮SP 爐和增濕塔的位置, 最好是將兩者并聯(lián)。因并聯(lián)方案布置, 既能滿足低溫氣體的烘干要求; 當試生產(chǎn)SP 爐未投運,或SP 爐在檢修時, 又可從SP 爐靈活切換到增濕塔線路運行; 但給管道、閥門布置及回灰處理帶來不便, 需要在設計中改進。當采用球磨( 中卸、尾卸、風掃磨) 或采用立磨原料水分偏高時( >10%) , 增濕塔可放在高溫風機后與磨機并聯(lián)運行,這種流程稱作離線布置。該流程優(yōu)點是磨機可直接通入300～350 ℃的高溫氣體, 滿足球磨和立磨烘干原料的溫度要求。

 

　　4 預熱器級數(shù)不同對發(fā)電量和熱耗的影響

　　20 世紀70 年代引進的預熱器多為四級預熱器, 由于燒成熟料熱耗高( 800×4.18 kJ/kg) , 廢氣溫度較高( 400～420 ℃) , 因此在80 年代以后世界各公司都推出了五級預熱器, 其出C1 筒氣體溫度降至320～330 ℃。幾乎同時, 丹麥史密斯、德國伯力鳩斯和洪堡公司, 在國際上就推出了六級預熱器。六級預熱器適用于原料水分不高、能源較緊張的地區(qū), 使出C1 筒氣體溫度降至280 ℃,由此熟料熱耗降到了700×4.18 kJ/kg 以下。

 

　　近年來, 隨著低溫余熱發(fā)電興起, 減少級數(shù)增加發(fā)電量還是增加級數(shù)降低熱耗又成為大家討論的話題。有的提出利用二級至一級筒入口450～600 ℃廢氣設置蒸汽過熱器, 使SP 爐獨立產(chǎn)生主蒸汽以提高余熱發(fā)電能力; 同時在冷卻機熱端設置ASH蒸汽過熱器, 單獨抽取400～600 ℃的熱氣, 用于調(diào)整汽輪機進汽溫度; 有的甚至提出利用三次風高溫氣體( 900℃) 來發(fā)電。顯然, 這些措施均將破壞原來的工藝流程, 給設計、設備制造和操作帶來麻煩。

 

　　下面筆者將對四級、五級、六級預熱器做詳細地的節(jié)能計算, 提出熱耗和發(fā)電量之間存在的關系并加以論證。

　　4.1 設定條件

　　(1) 生產(chǎn)線規(guī)模為5 500 t/d 熟料, 熟料熱耗為720～730×4.18kJ/kg ;

　　(2) 熱力系統(tǒng)采用單壓系統(tǒng), 因該系統(tǒng)結構簡單, 設備數(shù)量少, 便于方案對比;

　　(3) 熱效率ζ取0.23～0.24, 其計算公式為:

　　(4) 出SP 爐氣體溫度: 230～250 ℃, 進SP 爐氣體溫度隨級數(shù)而變;

　　(5) 出AQC 爐氣體溫度100 ℃, 進AQC 爐氣體溫度300～350℃。

　　式( 1) 中發(fā)電量的計算, 這里以表2 中5500t/d、五級預熱器為例。計算過程如下:

　　式中,飽和蒸汽熱焓: 查干飽和蒸汽表, 壓力1.27 MPa 時, 蒸汽的熱焓量為666 ×4.18 kJ/kg。則熱效率為:

　　4.2 預熱器級數(shù)與SP 爐及AQC 爐的可發(fā)電量

　　同為5 500 t/d 熟料生產(chǎn)線, 預熱器級數(shù)不同,其SP 爐和AQC 爐的可發(fā)電量相差較大( 見表2) 。

　　因為, 不同的廢氣溫度, 其余熱鍋爐的效率和汽輪機的耗汽量是不同的。

 

　　4.3 由冷卻熱平衡計算入AQC 爐的風量篦冷機的熱風入AQC 鍋爐, 用于發(fā)電的熱量大小決定于抽取熱風風量的大小及氣體溫度的高低。而熱風量大小及氣體溫度的高低又受以下因素影響。

 

　　(1) 煤磨位置。煤磨可放在窯頭( 從篦冷機抽取烘干熱風) , 也可放在窯尾( 抽取預熱器廢氣作烘干熱源) , 顯然前者會使窯頭AQC 爐的發(fā)電量降低;

 

　　(2) 冷卻機鼓風量大小和二、三次風的風量和風溫, 也影響AQC 爐的發(fā)電量。

　　根據(jù)冷卻機熱平衡可以求出入AQC 爐的熱風量和氣體溫度的關系。設定條件如下:

　　熟料熱耗720×4.18 kJ/kg; 熟料入冷卻機溫度1 400 ℃, 出冷卻機熟料溫度90 ℃; 排風機氣體溫度120℃。

　　根據(jù)資料統(tǒng)計, 出冷卻機氣體濕度2.5%左右,要求入電收塵廢氣露點溫度應>25℃。按圖3 粉塵比電阻( Ωcm) 與氣體溫度t ( ℃) 關系, 熟料粉塵比電阻在<120 ℃和>200 ℃時都較小, 故取120 ℃作為計算排風機的廢氣溫度。

　　(3) 如煤磨放在窯頭, 按選用球磨方案計算,煤從原煤水分10%烘干到水分為1%, 需熱風( 折成標況) 約0.12m3/kg; 選用立磨時, 需熱風( 折成標況) 約0.25～0.3m3/kg。

 

　　按以上條件, 煤磨放在窯頭和放在窯尾時,入AQC 爐風溫不同, 其入爐風量和排風量計算結果列于表3, 據(jù)此繪制入AQC 爐氣體溫度與風量的關系, 見圖4。

　　由表3 數(shù)據(jù)做分析比較。所謂“ ”, 是指能量利用中轉(zhuǎn)換成有效功的那部分能量, 其計算公式為

　　式中: q ———單位熟料值, ×4.18kJ/kg;

　　Q 熱量——— 單位熟料熱值, ×4.18kJ/kg;

　　T0———環(huán)境溫度℃;

　　T1———熱氣體溫度℃;

　　試計算: 300℃, 350℃, 400℃ 值見表4。

　　由表4 可以看出: 盡管供AQC 爐熱量相近似, 但含量高溫潛能大于低溫, 所以熱風抽取點盡量靠近高溫區(qū)。

 

　　(4) 另外, 考慮到預熱器級數(shù)增多后, 管道阻力增大, 高溫風機電耗增大。管道阻力六級按6 500 Pa、五級5 500 Pa、四級4 500 Pa 計算, 每級引起電耗差值約10%。即高溫風機的電耗是五級比四級的高約10%, 六級比五級的又高約10%。

　　綜合計算不同級數(shù)預熱器的發(fā)電量對比見表5。

　　(5) 綜合分析。綜合比較表3 至表5 的結果,可以得出以下結論:

　　第一, 四級比五級、五級比六級雖然增加了發(fā)電量約3 kWh/t, 但同時增加了耗煤量, 其比值遠遠超過了國家公布的火電標準煤耗。這說明預熱器級數(shù)減少, 減少了高溫風機電耗; 但綜合能源利用率來看, 采用六級預熱器要比采用五級、四級仍具有一定的經(jīng)濟效益。也就是說多發(fā)1 kWh 電, 四級比五級窯系統(tǒng)將多消耗3 kg 煤, 五級比六級要多耗1.5 kg 煤。因此, 用減少預熱器級數(shù)來增加發(fā)電量, 是浪費能源的不可取的辦法。

 

　　第二, 預熱器級數(shù)減少, 熱耗增加, 所需要的二、三次風量也相應增大, 而不是二、三次風量無多大差別, 因而供給AQC 爐的風量和熱量也相應減少。與SP 爐不同的是, 預熱器級數(shù)減少, AQC爐的發(fā)電量也減少而不像SP 爐級數(shù)減少發(fā)電量增加, 但綜合SP 爐及AQC 爐發(fā)電量, 還是遵循級數(shù)減少熱耗高, 發(fā)電量增加規(guī)律。

 

　　第三, 對同種預熱器級數(shù), 入AQC 爐的熱量受氣體溫度與風量的影響。以圖4 中五級預熱器為例, 隨抽風點溫度的增高, 供給AQC 爐的風量相應減少,進入AQC 爐的熱量也相應減少。如300 ℃時,qAQC 爐=92×4.18 kJ/kg, 400 ℃時, qAQC 爐=79×4.18kJ/kg, 減少14%。因此, 抽風點溫度愈高, 發(fā)電量愈大是一種誤解。

 

　　第四, 當AQC 爐停止操作時, 除掉二、三次風剩余風全部由排風機排出, 此時排風機風量及溫度見表6。

　　從表6 可知, 五級、六級的排風溫度處于比電阻曲線較小的區(qū)域, 而四級的排風溫度處于比電阻曲線不利的區(qū)域。

 

　　第五, 煤磨放在窯尾還是窯頭, 有不同的爭論和觀點。德國許多公司認為, 從安全考慮, 放在窯尾, 烘干廢氣的含氧量( 體積分數(shù)) 只有3%～5%,比窯頭抽取烘干廢氣中的低得多。另從余熱發(fā)電出發(fā), 放在窯尾對窯頭AQC 爐發(fā)電也有利。如果煤磨放在窯頭且采用球磨, 則所需烘干廢氣量( 標況) 約0.12～0.15m3/kg ; 若煤磨用立磨, 則所需烘干廢氣量( 標況) 約0.25～0.3m3/kg。顯然, 這將減少入AQC 爐的熱量, 約降低發(fā)電量3.5 kWh/t,即約平均減少20%的發(fā)電量。

 

　　第六, 采用低溫余熱發(fā)電方案后, 窯尾高溫風機及冷卻機排風機風壓要各增加阻力1000Pa。

 

　　5 結論

　　(1) 規(guī)模相同, 預熱器級數(shù)相同的干法窯外分解水泥窯, 因采用生料磨形式不同, 原料水分各異, 所需要熱源溫度有很大差別。生料制成所需熱源溫度愈高, 噸熟料發(fā)電量愈少。因此, 單從噸熟料發(fā)電量指標比較方案的優(yōu)劣, 是不能完整、不全面的。對立磨、輥壓機終粉磨方案, 需要大風量( 標況風量1～1.3m3/kg) , 一般5%水分需要250 ℃的烘干熱風; 相同水分如采用中卸磨, 則所需標況風量降為0.65m3/kg, 但風溫要求>300 ℃, 如強制用250 ℃氣體, 則會影響磨機產(chǎn)量且增加磨機系統(tǒng)電耗45%。

 

　　(2) 預熱器級數(shù)愈少, 廢氣量愈多, 氣體溫度愈高, SP 爐及AQC 爐總的發(fā)電量愈多, 燒成熱耗愈大。但從綜合能源利用率角度出發(fā), 采用立磨或終粉磨且當原料水分<6%時, 六級預熱器要比五級、四級預熱器節(jié)能顯著。那種用減少級數(shù)來增加發(fā)電量或改變原有設備及工藝流程的方法, 是違背余熱發(fā)電基本原則的。

 

　　(3) 煤磨位置宜放在窯尾, 特別當生料磨采用球磨時, 可利用烘干生料磨多余的廢氣。另煤磨放在窯尾更有利于窯頭冷卻機抽風口開洞, 減少氣流干擾。

 

　　(4) 熱量相同時, 高溫氣體值大于低溫氣體的, 因此, AQC 爐抽風處要盡量靠近高溫區(qū)。

 

 

　　參考文獻

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