水泥窑余热发电能力计算及水泥窑纯低温评价方法

水泥窑余热发电能力计算及水泥窑纯低温评价方法水泥窑余热发电能力计算及水泥窑纯低温评价方法 一 目前在开发 应用水泥窑纯低温余热发电技术及装备过程当中 有许多新的情况产生 例如 从装机容量上 同样是 5000t d 级的 水泥窑 水泥生产条件 废气参数条件也类似 但装机容量确有 6 0MW 7 5MW 9 0MW 等多种 从蒸汽参数上 有 0 69 1 27MPa 280 340 1 57 2 47MPa 325 400 等多种 从实际发电能力 上 有的宣称 2500t d 窑装机已达 6000KW 或发电功率已超过 4000KW 有的宣称 5500t d 窑发电已达 9300KW 等 从宣传上 一些 设计 承建单位为说明自己有先进的水泥窑纯低温余热发电技术从 而有很高的发电量 采用不报熟料热耗 利用三次风或其它水泥生 产用的高温气体来发电 在发电机功率表上做手脚 低报熟料实际 产量等不正当手段进行宣传 由于上述新情况的产生 同时也由于为了规范水泥窑纯低温余 热发电技术及装备的研究 开发 工程设计 工程建设工作 目前 制定科学的水泥窑纯低温余热发电技术评价方法是十分必要的 二 目前水泥行业已经推广应用的几种纯低温余热发电技术 目前水泥行业已经推广应用的几种纯低温余热发电技术 以蒸 汽参数来分 基本上有两类 一类为 0 69 1 27MPa 280 340 的低压低温系统 一类为 1 57 2 47MPa 325 400 的次中压中温 系统 对于 0 69 1 27MPa 280 340 的低压低温系统 其热力系统构 成有如下三种模式 技术要点 利用水泥窑窑尾预热器排出的 350 以下废气设置 一台窑尾预热器余热锅炉 简称 SP 锅炉 利用水泥窑窑头熟料冷 却机排出的 400 以下废气设置一台熟料冷却机废气余热锅炉 简 称 AQC 炉 两台锅炉设置一台蒸汽轮机 发电系统主蒸汽参数为 0 69 1 27MPa 280 340 上述三种技术没有本质的区别 共同的特点 都是利用在水泥 窑头熟料冷却机中部增设抽废气口或直接利用冷却机尾部废气出口 的 400 以下废气及窑尾预热器排出的 300 350 的废气余热 最 重要的特点是采用 0 69 1 27MPa 280 340 低压低温主蒸汽 区 别仅在于 窑头熟料冷却机在生产 0 69 1 27MPa 280 340 低压 低温蒸汽的同时或同时再生产 0 1 0 5MPa 饱和 160 低压低温 蒸汽 或同时再生产 85 200 的热水 汽轮机采用补汽式或不补 汽式汽轮机 复合闪蒸补汽式适用于汽轮机房与冷却机距离较远的 情况而多压补汽式适用于汽轮机房与冷却机距离较近的情况 对于 1 57 2 47MPa 325 400 的次中压中温系统 其热力 系统构成有如下两种模式 其一 冷却机多级取热纯余热发电技术 见图 4 技术要点 利用水泥窑窑尾预热器排出的 350 以下废气设置 一台窑尾预热器余热锅炉 简称 SP 锅炉 或同时利用窑尾 C2 级预 热器内筒设置过热器 利用熟料冷却机排出的 400 以下废气设置 一台熟料冷却机废气余热锅炉 简称 AQC 炉 或者通过改变窑头 熟料冷却机废气排放方式 利用熟料冷却机排出的部分 360 以下 废气设置一台 AQC 余热锅炉 利用熟料冷却机排出的部分 500 以 下废气设置一台熟料冷却机废气余热过热器 简称 ASH 过热器 将 AQC 炉排出的废气部分或全部返回冷却机 窑头熟料冷却机冷却 风采用循环风方式 利用两台锅炉或者增设的余热过热器设置补汽 式蒸汽轮机 发电系统主蒸汽参数为 1 57 3 43MPa 340 435 补汽参数为 0 0 15MPa 饱和 160 三 研究 开发 应用纯低温余热发电技术应注意的几个原则 性问题 3 1 研究 开发 应用水泥窑纯低温余热发电技术应遵循的基 本原则 水泥窑纯低温余热发电技术是以节能降耗从而降低水泥生产成 本为目的 它的内涵是 将水泥生产过程中产生的并且水泥生产过 程本身已不能再利用的余热回收从而转化为电能的技术 因此 研 究 开发 应用水泥窑纯低温余热发电技术应遵循的基本原则 不 影响水泥生产 不增加水泥熟料热耗及电耗 不改变水泥生产用原 燃料的烘干热源 不改变水泥生产的工艺流程及设备 3 2 对水泥生产影响的控制 水泥窑配套建设余热电站 原则 上要求不影响水泥生产 但由于在一条完整的熟料生产线窑头 窑 尾各串接相应的余热锅炉 因此 余热电站对水泥生产不产生任何 影响是不可能的 根据已投产的余热电站实际生产运行情况 对于 遵循上述原则配套建设的余热电站 投入运行后对水泥生产的影响 主要集中在如下几个方面 1 窑尾高温风机 在窑尾 SP 锅炉漏风控制 结构设计 受 热面配置 清灰设计 除灰设计 废气管道设计合适的条件下 电 站投入运行后 窑尾高温风机负荷将有所降低 这种影响是正面的 2 增湿塔 将随着电站的投入或解出调整喷水量 直至停止 或全开喷水 3 生料磨及煤磨 随着电站的投入或解出 烘干废气温度将 产生较大幅度的变化 需要根据烘干废气温度的变化调整烘干废气 量或磨的运行方式 4 窑尾电收尘 如果窑尾采用电收尘 电站投入运行后对其 收尘效果总是有影响的 只是由于地区不同 配料不同 燃料不同 或其它条件不同 对收尘效果的影响程度不同 但当窑尾采用袋收 尘时 电站投入运行对提高收尘效果是有显著作用的 5 水泥窑头电收尘器 电站投入运行后 窑头电收尘器工作 温度大为降低 粉尘负荷也相应降低 6 窑系统操作 由于窑系统增加了两台余热锅炉 而余热锅 炉废气不但取自还要送回水泥窑系统 因此势必需要增加窑系统窑 头 窑尾 废气处理 生料粉磨 煤制备系统的操作环节 对水泥窑生产造成的上述几方面的影响 综合起来为两个方面 一是增加了水泥窑生产的操作环节 例如 随着电站的投入 运行 和解出 水泥窑需调整窑尾高温风机 增湿塔喷水 生料磨及煤磨 窑头排风机等系统的运行参数 二是如果窑尾采用电收尘 电站投 入运行后对其收尘效果总是有或大或小的影响 对水泥窑生产造成的影响应当而且必须控制在上述范围以内 在目前水泥熟料烧成工艺技术及设备 纯低温余热发电热力循环系 统配置技术及设备条件下 为了提高发电量而采用抽取三次风或窑 头罩等高温风 生料或燃料烘干改用燃烧燃料而将原来用于烘干的 废气用于发电等措施都是不可取的 采用这些措施 表面上增加了 发电量 实际不但不会有助于水泥生产综合能耗的降低 反而由于 熟料热耗的增加会使水泥生产综合能耗增加 当水泥厂建设余热电 站不是以节能为主要目的 在一公斤标准煤的价格与一度电的购电 价格之比小于 0 7 的条件下 采用这些措施可以增加水泥生产综合 效益 3 3 准确的余热发电技术发电能力指标 目前对于余热发电技术发电能力指标 大家往往只注意每吨熟 料发电量 而很少注意相关因素对发电量的影响 这是目前产生许 多新情况的主要原因 对于水泥窑纯余热发电 影响吨熟料发电量 的因素很多 如 熟料热耗 涉及窑头 窑尾废气温度等 熟料 形成热 涉及生料配料成份 原料 燃料烘干所需要的废气温度 废气量 涉及可用于发电的余热量 电站热力系统构成方式及蒸 汽参数 涉及发电系统循环效率 熟料实际产量和规模 涉及锅 炉 汽轮机等设备效率 废热取热方式 涉及对窑生产及熟料热 耗的影响 等等 由于影响余热发电能力的上述因素 加之这些因素在实际生产中 的复杂性 仅采用吨熟料余热发电量来评价纯低温余热发电技术是 不科学 不完整 不准确的 不能全面代表纯低温余热发电技术水 平 因此 根据目前的情况 研究 确定水泥窑纯低温余热发电技 术的评价方法既是必要的 条件也是成熟的而且也是急需的 四 水泥窑纯低温余热发电技术的评价方法初探 尽管影响余热发电能力的因素较多也比较复杂 但水泥熟料煅 烧过程及纯低温余热发电必定都是热工过程 因此 研究 确定出 全面 科学 准确的纯低温余热发电技术评价方法是可能的 本文 提出的评价方法是初步的 仅供同行讨论 参考 其由如下二部分 构成 第一部分 实用部分 即 每公斤熟料热耗 吨熟料余热发电量 目前水泥行业已经习惯用吨熟料余热发电量来做为衡量余热发 电技术水平的指标 因此 评价方法中保留这个指标是必要的 但 由于吨熟料余热发电量没有考虑熟料热耗 熟料形成热 原燃料烘 干所需废气温度及废气量等因素对发电量的影响 因此 为了考虑 影响余热发电量的主要因素即熟料热耗对余热发电能力的影响 应 改为采用 每公斤熟料热耗 吨熟料余热发电量 仍简称 吨熟料 余热发电量 这一指标来评价 尽管如此 由于这个指标仍然没有 考虑熟料形成热 原燃料烘干所需废气温度及废气量对发电能力的 影响 对于这个指标 1 在建设余热电站之前比较 确定余热电站技术方案时 在熟 料产量 熟料热耗 用于发电的废气参数 废气温度 废气量 含尘 浓度等 下同 用于原燃料烘干的废气参数条件都相同的条件下 采用 吨熟料余热发电量 来对不同的余热电站技术方案进行评价 是准确 可靠的 2 对于已投产的余热电站 采用 吨熟料余热发电量 来对余 热电站及水泥窑自身进行综合考核同样也是准确 可靠的 3 对于已投产的不同水泥窑间的余热电站进行比较 当熟料产 量 熟料热耗 用于发电的废气参数 用于原燃料烘干的废气参数 等生产条件大体相同的条件下 采用 吨熟料余热发电量 进行比 较是相对准确 可靠的 当上述生产条件差别较大 如 一条窑的熟 料热耗是 750 4 1868kj kg 而另一条窑为 780 4 1868kj kg 或 一条窑的生料烘干废气温度为 200 而另一条窑为 230 时 采用 吨熟料余热发电量 进行比较则是不准确 不可靠的 对于熟料热耗对发电能力的影响 根据研究及实际生产情况 一般来讲 当熟料热耗增加或减少 7 8Kcal Kg 时 吨熟料余热发 电量也响应增加或减少 1kwh 以上 也就是说 余热电站每多发 1kwh 电 窑系统将多消耗 1 1 12Kg 标准煤的燃料 这种结果 间 接说明了采用提高熟料热耗增加发电量的办法是浪费能源的不可取 的办法 第二部分 理论部分 即混合热效率 简称热效率 如前所述 水泥窑纯低温余热发电技术的内涵是将水泥生产过 程中产生的并且水泥生产过程本身已不能再利用的余热回收从而转 化为电能 因此 采用理论上的 混合热效率 既不是绝对热效率 也不是相对热效率 来对不同的纯低温余热发电技术的热量转换效果 进行评价是科学 准确 可靠的 可以消除熟料热耗 熟料形成热 原燃料烘干所需废气参数 电站热力系统构成方式及蒸汽参数 熟 料实际产量和规模 废热取热方式等因素的影响 1 定义 水泥窑纯低温余热系统热效率是指可用于发电的水泥 窑总余热量转化为电能的比例 其数学表达式为 热效率 发电功率 D 860 4 1868 可用于发电的总余热量 Qi 2 物理意义 发电功率 D 即是余热发电系统输出功率 单位为 kw 可用于发电的总余热量 Qi 由以下几部分组成 即 Qi QSP QAQC Qtt Qgt QSP 为可用于发电的窑尾废气余热 其计算方法为 Qsp Vzs Tjs Ctjs Ths Cths Vys Cths Ths 135 1 42 式中 Qsp 为可用于发电的窑尾总废气热量 KJ h Vzs 窑尾预热器排出的总废气量 Nm3 h Tjs 窑尾预热器排出的废气平均温度 Ctjs 对应于 Tjs 的窑尾废气比热 KJ Nm3 Ths 物料烘干所需要的废气平均温度 Cths 对于应 Ths 的窑尾废气比热 KJ Nm3 Vys 扣除物料烘干所需窑尾废气量后剩余的窑尾废气量 Nm3 h 135 扣除物料烘干所需窑尾废气量后剩余的窑尾废气进入电收 尘器允许的最低温度 135 1 42 对应于 135 的窑尾废气比热 1 42KJ Nm3 QAQC 为可用于发电的窑头废气余热 其计算方法为 QAQC VZA TjA CtjA 式中 QAQC 可用于发电的窑头总废气余热量 KJ h VZA 电站不投入运行时 或电站投产前 冷却机总排入 大气的废气量 Nm3 h TjA 电站不投入运行时 或电站投产前 冷却机总排入 大气的废气平均温度 CtjA 对应于 TjA 的冷却机排入大气废气比热 KJ Nm3 Qtt 为用于发电的窑胴体废热热量 单位为 KJ h 对于窑胴体废热热量 目前有部分水泥厂进行了部分回收 但 未用于发电 其它绝大部分水泥厂都未回收 当将窑胴体废热热量 回收并用于发电时 计算发电系统热效率应按实际回收的窑胴体废 热热量计算 Qqt 为用于发电的其它热量 单位为 KJ h 对于不同的余热发电技术或不同的水泥厂 其用于发电的热量 除前述废热热量外 有可能还利用其它热量 如 为了多发电 利 用窑的部分二次风或三次风 这样势必增加熟料热耗 因此应将熟 料增加的热耗或抽取的用于发电的二次风 三次风热量计入发电用 热量 为了多发电 改变物料烘干方式 将原本用于烘干的废气全部 用于发电而改变物料烘干热源 即或者改用燃烧燃料的方法烘干物 料 或者用其它方法烘干物料 但无论采用何种方式 应将物料烘 干所用的热量计入发电用热量 水泥生产线因配套建设余热电站所增加的其它能源消耗 换算 为热量后均应计入发电用热量 3 应用举例 例一 一条熟料产量为 5500t d 的水泥窑 热耗小于 3140KJ kg 生料烘干采用窑尾废气 废气参数为 353600Nm3 h 210 煤烘干采用冷却机废气 废气参数为 30000Nm3 h 290 窑尾预热器排出的废气参数 353600Nm3 h 330 窑头冷却机扣 除煤烘干所需废气后排入大气的废气参数 310000Nm3 h 290 仅利用窑头 窑尾废气余热配套余热电站 当电站分别采用 2 29Mpa 380 0 98Mpa 310 主蒸汽参数 时 热效率计算结果如下 主蒸汽参数 0 98MPa 310 2 29MPa 380 窑尾废气余热 预热器排出的废气参数 353600Nm3 h 330 353600Nm3 h 330 生料烘干所需废气参数 353600Nm3 h 210 353600Nm3 h 210 用于发电的窑尾废气热量 Qsp 6504 36 104KJ h 6504 36 104KJ h 窑头废气余热 冷却机排入大气废气参数 310000Nm3 h 290 310000Nm3 h 290 用于发电的窑头废气热量 QAQC 11837 57 104KJ h 11837 57 104KJ h 用于发电的总废热量 18341 93 104KJ h 18341 93 104KJ h 熟料热耗 3140KJ kg 3140KJ kg 发电机功率 D 7800KW 8880KW 热效率 15 3 17 42 吨熟料发电量 3140KJ kg 34KWh 3140KJ kg 38 7KWh 例二 一条熟料产量为 5500t d 的水泥窑 热耗小于 3140KJ kg 生料烘干采用窑尾废气 废气参数为 272000Nm3 h 270 煤烘干采用冷却机废气 废气参数为 30000Nm3 h 290 窑尾预热器排出的废气参数 353600Nm3 h 330 窑头冷却机扣 除煤烘干所需废气后排入大气的废气参数 310000Nm3 h 290 利用窑头 窑尾废气余热配套余热电站 当电站分别采用 2 29Mpa 380 0 98Mpa 310 主蒸汽参数 时 热效率计算结果如下 主蒸汽参数 0 98MPa 310 2 29MPa 380 窑尾废气余热 预热器排出的废气参数 353600Nm3 h 330 353600Nm3 h 330 生料烘干所需废气参数 272000Nm3 h 270 272000Nm3 h 270 扣除生料烘干所需窑尾废气量后剩余的窑尾废气参数 81600Nm3 h 270 81600Nm3 h 270 用于发电的窑尾废气热量 Qsp 5085 27 104KJ h 5085 27 104KJ h 窑头废气余热 冷却机排入大气废气参数 310000Nm3 h 290 310000Nm3 h 290 用于发电的窑头废气热量 QAQC 11837 57 104KJ h 11837 57 104KJ h 用于发电的总废热量 16922 84 104KJ h 16922 84 104KJ h 熟料总热耗 3140KJ kg 3140KJ kg 发电机功率 D 7000KW 8040KW 热效率 14 9 17 1 吨熟料发电量 3140KJ kg 30 5KWh 3140KJ kg 35 1KWh 例三 一条熟料产量为 5500t d 的水泥窑 生料烘干采用窑尾 废气 废气参数为 353600Nm3 h 210 煤烘干采用冷却机废气 废气参数为 30000Nm3 h 290 窑尾预热器排出的废气参数 353600Nm3 h 330 窑头冷却机扣除煤烘干所需废气后排入大气 的废气参数 310000Nm3 h 290 利用窑头 窑尾废气余热同时 抽取窑三次风 35000Nm3 h 900 配套余热电站 因抽取三次风熟 料热耗由 3140KJ kg 升至 3360KJ kg 当电站分别采用 2 29Mpa 380 0 98Mpa 310 主蒸汽参数 时 热效率计算结果如下 主蒸汽参数 0 98MPa 310 2 29MPa 380 窑尾废气余热 预热器排出的废气参数 353600Nm3 h 330 353600Nm3 h 330 生料烘干所需废气参数 353600Nm3 h 210 353600Nm3 h 210 用于发电的窑尾废气热量 Qsp 6504 36 104KJ h 6504 36 104KJ h 窑头废气余热 冷却机排入大气废气参数 310000Nm3 h 290 310000Nm3 h 290 用于发电的窑头废气热量 QAQC 11837 57 104KJ h 11837 57 104KJ h 抽取的三次风热量 抽取的三次风参数 35000Nm3 h 900 35000Nm3 h 900 用于发电的三次风热量 5063 04 104KJ h 5063 04 104KJ h 因抽取三次风增加熟料热耗 220KJ kg 220KJ kg 用于发电的总废热量 23404 97 104KJ h 23404 97 104KJ h 熟料总热耗 3360KJ kg 3360KJ kg 发电机功率 D 9175KW 10455KW 热效率 14 11 16 08 吨熟料发电量 3360KJ kg 40KWh 3360KJ kg 45 6KWh 五 评价方法的应用 5 1 评价方法应用分析 从评价方法的构成 热效率的物理意义及所举三个实例计算结 果来看 1 对于同一条水泥窑 发电用热热源相同 当发电热力循环 系统采用不同的主蒸汽参数时 参数越高热效率越高 相应地吨熟 料余热发电量也越高 这说明 根据热源温度的不同 实现热量根 据其温度进行梯级利用的原理对提高余热发电能力的重要性 2 对于同一条水泥窑 发电用热热源不相同但主蒸汽参数相同 时 热源温度越高 吨熟料余热发电量也越高 但电站热效率越低 这说明 利用水泥窑生产本身可以回用的高温热量来提高水泥窑的 发电量 虽然发电量可以提高 但节能效果确降低 因此是不能提 倡的 3 对于同一条水泥窑 发电用热热源相同但物料