影响水泥窑余热发电量的因素.docx

中图分类号：TQ172.625.9文献标识码：B文章编号：1007-0389（2012）03-15-04影响水泥窑余热发电量的因素韩涛（思安新能源股份有限公司，陕西 西安 710075）摘 要：对已投运水泥窑余热电站发电量的统计表明，煤质和生料配料比均影响发电量的大小。按照煤燃烧相关理论，在生产条件不变或相同的前提下，生产系统的余热资源和所用煤种没有关系。通过深入分析，发现煤质和生料配比影响的是生产线 的热耗，而热耗才是影响余热发电出力的关键因素。热耗与吨熟料发电量正相关,热耗增加会导致余热电站发电量上升。 关键词：煤质；生料；热耗Factors of waste heat power generation capacityHan Tao(Suunpower Co.,Ltd., Xian, Shanxi, 710075)Abstract: The statistics of generating capacity of major waste heat power generation stations in cement plant showed that the quality of coal and raw material proportion were the important factors. According to the theory of coal burning, on premise of same production con dition, the amount of waste heat had nothing to do with the quality of coal. And further analysis showed that on which coal qulity and raw material proportion influenced was the heat consumption of the whole production line, and thats the key factor of power generating capacity. Heat consumption and power generating capactiy per ton clinker have positive correlation which means increasing of heat consumption can results in rise of power generating capacity.Key words：coal quality; raw material; heat consumption系数来计算确定的。显然煤质不同是不同生产线配风的最直观区别。因此，我们首先分析烟气流量与 煤质的关系。研究表明2，水泥窑最佳的过量空气系数为 1.1， 事实上大多数水泥窑的配风也是按照过量空气系数1.051.15 之间选取。因此可以断定，煤的理论燃烧 所需空气量也即煤理论燃烧烟气量直接决定着 水泥窑的废气量。关于煤的理论燃烧所需空气量（理论燃烧烟气 量）的计算方法，已有很多学者给出。汪永祥等人3 通过对 90 多种煤样的分析，得出一种简便的计算公 式：0前言在国家节能减排政策的引导下，国内大型水泥企业均已配套建设余热发电工程，并且获得了很好 的经济效益和社会环境收益。水泥窑纯低温余热发 电是完全利用水泥熟料生产线的废气，以不影响熟 料生产为基础和前提，本质上是遵循“废热定电”的 原理。大量的工程实践表明，同规模的水泥熟料生 产线，甚至同一个设计单位设计，主要设备选型也相 同，余热发电量却差别很大。现在业内普遍还是以 “吨熟料发电量”来评价余热发电工程的优劣，也有 个别单位提出了“吨煤耗发电量”的评价标准。很多 研究者研究了余热发电量的影响因素，然而大多局 限在发电热力系统、废气利用温度区间、设备选型等 方面，却很少关注到生料配比、燃料、系统热耗等对 余热发电的影响。本文通过深入分析煤热值、生料 配比和熟料热耗对余热烟气参数的影响，找出不同 生产线发电量不同的更深层次原因。QV = Q 16 00027 500 kJ/kg（1）3 470V 标况烟气量，m3/kg； 过量空气系数；Q 煤低位发热量，kJ/kg。 资料也已证明，这种简化的计算方法成功回避了煤的各种成分对烟气量的影响，和传统的按照化 学元素反推计算结果相比，其相对误差并不大。于 是，从这个公式中我们可以得出，煤的低位发热量越 大，单位理论烟气量就越大。煤热值越大，单位烟气量越大，那么整个生产线 的烟气总量随着煤的热值而如何变化呢？我们假设一条生产线的熟料产量 q 、热耗 r 、过量空气系数 均不变，采用低位热值为 Q 的煤时，烟气总量各为：1不同煤热值对发电量的影响水泥窑余热发电系统的热源是水泥熟料生产线的废热气，因此热废气参数是影响发电量的最直观 因素。首先分析煤热值对废气流量的影响，按照水 泥线配风设计理论1，水泥线的烧成用风量是按照 燃料完全燃烧所需的理论空气量，再乘以过量空气-15-2012 年第 3 期设计研究韩 涛：影响水泥窑余热发电量的因素rq Q rq等，因而也会对余热发电量有影响。按照生料配料V = Q 3 470 = 3 470（2）的方法和原理 ，常规的生料配比计算是以熟料的1由（2）式可得，在生产线热耗、产量等生产参数不变的前提下，系统的烟气量不变，和所用煤的热值没有 关系。这是一个非常重要的结论。必须指出，这种 方法分析中认为原料成分、配比、气候等其他参数亦 保持不变。李兆峰，孔祥如等人的研究4表明，单位烟气量 热值随着不同热值的燃煤变化不大，回转窑烟气量 和热耗有比例关系，不随燃煤热值变化，这在本质和 上述分析是一致的。即如果热耗有变化，烟气量必 然变化。其次分析煤热值对废气温度的影响。假定水泥 熟料产量不变，熟料配比不变，热耗不变、相关生产 条件（设备、环境因素等）均不变，在煤种变化时，煤 种热值显然决定着投煤量的多少，但进入整个系统 的总热量不变，那么理论上排出系统的总热量也不 变。热耗不变，则烟气量也不变，那么排烟焓和排烟 温度也就保持不变了。不难看出，上述分析中起关 键作用的就是热耗。如果热耗变了，烟气温度就会 变化。于是，煤种对烟气温度的变化影响也归结为 煤种对热耗的影响。在工程实践中，笔者发现燃煤热值高的水泥线， 余热发电量一般却相对较小。为此笔者曾经对许多 水泥生产线的余热电站进行热工标定，发现使用发 热量大的煤时，生产线废烟气流量、废气温度大多达 不到设计值。这说明，当煤种发生变化时，生产线的 工况也一定发生了改变，导致生产线热耗发生了变 化。很多水泥窑改烧无烟煤的经验也证明，煤种改 变会引起生产线工况的改变热耗的改变5-7。水泥生产是一个极其复杂的过程，各个环节的 影响因素也极其多，想从理论上计算煤热值与其热 耗的变化关系是不现实的。文献8还通过分析煤 的种类、成因等对生产线热耗的影响，指出煤的热值 并不是影响热耗的唯一依据，并且其分析过程中依 据的也只是实际生产参数。实际上，要分析煤种对 热耗的影响，目前只能从生产中煤种改变前后得到 一些实际操作数据，用来反推核算热耗的变化。只 不过要强调的是，如此分析并不影响得到这个有用 的结论：煤种的变化主要是影响了系统的热耗，进而 影响了系统的余热量（发电量）。目标率值为前提，充分结合原料、燃料、生产工艺系统、生产热耗等生产条件反算得出的。可以看出，影 响配比或者说配比所能反馈的生产条件就是燃料、 工艺系统、热耗。那么对于固定的一条水泥线，燃料 和工艺系统也已固定，配比所反馈的生产条件就是 热耗。于是，配比影响生产条件进而影响余热发电 的研究也转化成配比对热耗影响的研究。通常在生产条件一定的前提下，熟料率值又决 定着生料的配比，因而研究时可以以熟料的率值为 基 础 ，研 究 配 比 对 水 泥 生 产 线 和 余 热 发 电 量 的 影 响。于是研究的目标从分析生料配比转化为分析熟 料 率 值 。 常 用 的 熟 料 率 值 有 三 个 ：石 灰 饱 和 系 数 KH，硅酸率 SM 以及铝氧率 IM。这三个系数的高低 直接导致水泥的生产工况不同以及热耗、余热等不 同。一般来讲，KH 值较大时，煅烧要求温度高，热耗 也会越大9。文献10通过对两条水泥线的测试，得 到 了 如 表 1 所 示 的 结 果 。 表 1 中 #1 窑 KH 增 加 了0.02，单位熟料热耗增加了 8.44.18 kJ/kg；#2 线 KH 增加了 0.039，单位熟料热耗增加了 30.04.18 kJ/kg， 这种变化与初始分析是一致的。表 1熟料率值变化与热耗变化项目#1 回砖窑#2 回转窑KH 合同要求值实测熟料 KH 值 实测熟料 SM 值计算熟料热耗值 r/(4.18 kJkg-1)实测熟料热耗 r0（/ 4.18 kJkg-1） 熟料热耗增加值r/(4.18 kJkg-1)0.890.010.9102.154709.29717.698.40.890.010.9292.190709.24739.2430.0生产实际中，硅酸率 SM 过大时，熟料液相量减少,铝氧率 IM 过大时,液相黏度增大,都会影响熟料 的烧成,但这些因素只要没有太多超出合理范围,对 熟料热耗的影响也不会太大。事实上，生料配比对生产线热耗的影响仅仅依 据这三个参数来分析是不够的。傅圣勇等人就指出 不同的原料体系配料均对生产线的热耗有影响13。 通过对沉积岩体系、岩浆岩体系、变质岩体系、混合 体系等的研究，表明泛用黏土的传统工艺热耗是最 高的。现在很多水泥生产企业用页岩、砂岩等代替 黏土，就是为了降低生产热耗。2熟料率值（生料配比）对余热发电量的影响3生产线热耗对余热发电量的影响水泥生料配比决定着水泥生产线的生产状况从以上分析可以看出，煤种、生料配比等因素，-16-2012 年第 3 期设计研究韩 涛：影响水泥窑余热发电量的因素实际上均是通过影响生产线热耗进而影响生产线余热量即影响发电量的。那么，热耗的变化究竟对生 产线的余热量产生什么影响呢？对于一条水泥窑， 其 余 热 资 源 最 直 观 的 体 现 是 窑 头、窑 尾 废 气 的 参 数。因此，我们可将热耗对余热影响的研究具体到 热耗对余热烟气流量和余热烟气温度影响的研究。3.1热耗对烟气流量的影响 相关研究表明4，热耗和系统的烟气量是正相关的，可按公式（3）计算。Qy 标况下预热器出口烟气流量，m3/h； y 预热器出口烟气标况密度，kg/m3；Cy 预热器出口烟气定压比热，kJ/(kg)。相应的，对于窑头篦冷机有：1 000qrxt =（ ）5a24Qa a Ca其中：ta 窑头烟气温度变化，；x 窑头废气热所占的热耗的比例，缺少数据时可按 12%计算；Qa 标况窑头烟气流量，m3/h；a 窑头烟气标况密度，kg/m3；Ca 窑头烟气定压比热，kJ/(kg)。 显然，实际计算时，热耗必然同时影响着烟气量和烟气温度，因而需要综合考虑熟料热耗的影响结 果。将式（3）与式（4）和式（5）联立求解，即可得余热 变化结果。必须指出，上述计算并未考虑窑的预热 器表面散热、筒体表面散热、篦冷机散热、系统漏风、 进出物料显热、一次空气显热等等随热耗的变化。( - 1)r r V = Vh +910+ 860（3）其中，V 系统烟气量，m3/kg；Vh 煅烧生料溢出烟气量，m3/kg； 过量空气系数；r 烧成热耗，kJ/(kg)。这表明热耗 r 的大小直接决定着烟气量 V 的大小。过高的热耗必将导致更大的系统鼓风，以及 余热废气量的增加。同时这也说明，由于生产原料、 燃料等非设备因素导致生产线热耗发生变化时，系 统的鼓风必须进行调整；如果此时系统鼓风由于设 备选型固定而难以调整，那么生产线的产量或者质 量将不可避免会发生变化。通过这些结论可以看 出，同样规模生产线，烟气流量并不是完全一样的， 在设计管道及换热时，必须要对热耗综合考虑。3.2热耗对烟气温度的影响 热耗决定着窑系统的废气量，那么热耗对废气温度的影响如何呢？对此我们不妨这样分析：针对 具体的水泥生产线，燃料所释放的热量，除了被生产 利用，剩下的主要是以窑筒体散热、预热器散热、废 气显热、系统漏风、进出料显热带走。按照理想状态 考虑，同等规模和工艺、不同水泥厂的生产线的窑筒 体壁面温度、设备外表面积、保温效果、系统漏风、进 出料温度等因素都可以认为非常接近，即筒体散热、 预热器表面散热、系统漏风、进出料显热等损失基本 接近，那么热耗的影响就体现在废气显热和生产用 热的分配比例上。参考相关资料6，14，预热器出口废 气显热占总热量的 23%，篦冷机余风显热占总热量 的 12%，并且这个比例在不同水泥线上变化不大，可 作为相关计算的经验数值。于是对于一条产量为 q的生产线，对应预热器出口标况烟气流量 Qy ，单位 热耗变化引起的烟气温度可按（4）式计算。45 000 t/d 生产线计算举例4.1窑尾烟气参数及计算Q = 350 000y烟 气 流 量m3/h，标 况 烟 气 密 度 = 1.483 kg/m3，定压比热 C = 1.1 kJ/kg，烧成逸出 yy 量和过量空气系数不变， = 1.1。按式（3）计算单位熟料热耗每增加 r = 1 kJ/kg 时，烟气流量增加：= ( - 1)r +r 5 000 1 000Q910860245 000 1 000y= (1.1 - 1) 11+ 860 91024= 265.14 m3/h烟气温度将上升：1 000qrxt =24(Q + Q ) Cyyy y y1 000 5 000 1 23%=24 (350 000 + 265.14) 1.483 1.1= 0.083 8 其中余热量增加：1 000qrx=H24y= 1 000 5 000 1 23%24= 47916.67 kJ/h1000qrx4.2窑头烟气参数及计算由于熟料产量不变，假设熟料冷却效果不变，那 么窑头配风量不会变化，故而烟气流量不变，标况烟 气流量 Qa = 260 000 m3/h，标况烟气密度 a = 1.273t =（4）24Q Cyy y y其中：q 熟料日产量，t/d；x 预热器出口废气热所 占 的 热 耗 的 比 例 ，缺 少 数 据 时 可 按 23% 计 算 ；-17-2012 年第 3 期设计研究韩 涛：影响水泥窑余热发电量的因素kg/m3，定压比热 Cy = 1.05 kJ/(kg)，烧成逸出量和过量空气系数不变，= 1.1。单位熟料热耗每增加1 kJ/kg 时，烟气温度将上升：在笔者所参与建设的十余个水泥窑余热发电项目中，均遇到了生产线的生产工况变化导致余热发 电量变化的情况。结合本文的研究，我们就可以更 全面的分析余热发电量变化的原因。利用这些，也 可更加科学合理地对生产线的余热电站做出性能考 核与评价。1 000qrxta = 24Q Ca a a= 1 000 5 000 1 12% 24 260 000 1.273 1.05= 0.071 9 参考文献其中余热量增加：1 刘志江.新型干法水泥技术M.北京:中国建材工业出版社,2005.2 刘方,杨丽,宋正旭,等. 过量空气系数及喂煤量对回转窑温 度分布影响J.轻金属,2010(1) : 20-24.3 汪永祥,王德彬.采用煤低位发热量计算烟气量方法的探 讨J.吉林电力,2008(10):11-14.4 李兆峰,孔祥如.回转窑热耗与空气量和废气量关系的分 析J.山东建材 1995(4):25-26.5 唐占甫.从水泥工艺上提高余热发电量的探讨J.水泥工 程,2011(3):78-80.6 张保生.新型干法水泥回转窑中低品位燃料燃烧特性和窑 内燃烧过程研究D.浙江大学,2007.7 季尚行.无烟煤作预分解窑燃料的生产实践及系统技术特 点J.新世纪水泥导报,1998(3):1-3.8 傅圣勇,秦至钢.烧成热耗的变因与优化(上)J.研究与探 索,2008(1):5-7.9 张兆玉,吴旭何,周勇敏.率值对阿利特_硫铝酸盐水泥生料 易烧性的影响J.水泥,2010(7):19-21.10 马祖生.熟料饱和比变化对熟料热耗的影响J.水泥工程,2008(06):35.11 内蒙古蒙西水泥股份有限公司 5 000 t/d 水泥熟料生产线 窑系统热平衡测试报告能环评测字第 200807 号