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大型干法水泥生产线纯低温余热发电热量利用分析
http://www.31nmcl.com 2015-02-28 16:15:40

  近年来,国内水泥工业的建设规模和技术水平都有较大的进步,现代新型干法水泥生产线的综合能耗已有了较大幅度的降低,但由于生产规模的扩大,烧成系统仍有大量的低温废气余热被排放,得不到充分利用。 另一方面,水泥生产时又要消耗大量的电能,而当前国内电力供应紧张,电价持续上涨,已严重制约了水泥工业的发展。同时结合国家实施的节能、环保等一系列的政策措施,就使得低温废气余热发电技术的研究、开发、推广应用尤为必要。被排放的低温废气余热如果用于发电,余热的有效利用率究竟有多少,以吨熟料发电能力来评价为何会出现差异?被排放的低温废气余热最大发电能力到底有多大?……这是每位业主都非常关心的问题。因此,本文将通过一些有针对性的定量计算,来分析余热的有效利用率及余热发电效率。
1 有效发电功率的计算
  锅炉有效利用的热量用于产生蒸汽并驱动汽轮机发电系统产生电能。一定热量下产生电能的多少,取决于热力发电系统的效率。
  蒸汽动力装置的理想循环就是朗肯循环,其动力设备如图1。根据焓熵图以及水蒸气性质表计算得到朗肯循环的各点状态参数,计算方法如图2。朗肯循环的T-s图见图3。
  点1:P1=1.7MPa、T1=330℃
  h1=3 100.70kJ/kg、s1=6.970 1kJ/(kg·K)。
  点2:P2=0.008MPa、T2=41.53℃
  h2=2 180.78kJ/kg、s2=6.970 1kJ/(kg·K)。
  点3:P3=0.008MPa、T3=41.53℃
  h3=173.87kJ/kg、s3=0.592 5kJ/(kg·K)。
  点4:P4=1.7MPa、T4=41.59℃
  h4=175.57kJ/kg、s4=0.592 5kJ/(kg·K)。
  点2act:P2act=0.008MPa、h2act=2 373.7kJ/kg
  s2act=7.55kJ/(kg·K)。
  忽略不计水泵功,循环热效率η的近似计算公式为:
  η===31.43%
1.1 锅炉效率ηgi
  余热锅炉吸收的热量,考虑2%的锅炉排污率等热损失,其余全变成蒸汽去发电,则此处可认为锅炉效率ηgi=98%。
1.2 管道效率ηgd
  一般情况下若不计工质损失为99%,考虑到水泥厂纯低温余热发电系统相距较远,主蒸气有压降、温降,此处取ηgd=98%
1.3 循环热效率ηt
  因朗肯循环的1点状态参数,温度影响较大,废气温度在350℃左右,决定了朗肯循环的1点蒸汽温度<330℃,而蒸汽压力(无论是1.3MPa或2.0MPa)h1变化不大。取ηt=31.43%
1.4 汽轮机的绝对内效率ηoi
  一般情况下为75%~85%,水泥厂用低温汽轮机取ηoi=80%
1.5 汽轮机的机械效率ηj
  一般情况下为96%~99%,此处取ηj=98%
1.6 发电机效率ηd
  与冷却方式有关,对于中小容量的空气冷却机组其效率在97%~98%,一般取ηd=98%
1.7 总效率η
  将以上各项效率考虑以后,则大型干法水泥生产线纯低温余热发电系统的总效率为:
  η=ηgi×ηgd×ηt×ηoi×ηj×ηd
  =0.98×0.98×0.314 3×0.8×0.98×0.98=23.19%
  若汽轮机的绝对内效率取ηoi=75%,则系统的总效率为21.74%。
  综合分析大型干法水泥生产线纯低温余热发电系统的总效率为:21%~23%。
2 废气余热利用分析
  由于各个水泥生产线的规模、工艺流程、原燃料特性、气象条件等原始资料不尽相同,废气排放量、废气成分和温度也有所差异。为了方便分析计算,使余热利用情况以数量化的形式展现,下面以5 000t/d熟料生产线为例,对水泥窑废气热量进行定量分析计算。其它规模生产线的分析可大致依此类推比较。
2.1 窑尾预热器和窑头熟料冷却机废气排放的热量
2.1.1 窑尾预热器废气排放的热量
  目前国内水泥生产线的燃料有采用烟煤的,也有采用无烟煤的,煤质不同,燃烧后产生的烟气量也有所差异,高挥发分的煤和质量较次的煤其烟气产生量较多。另外受预热器系统换热效率和分离效率的影响,不同的工艺配置将使出预热器系统的废气温度有所不同。经过现场调研和查阅资料,我们了解到目前国内新型干法水泥生产线单位熟料窑尾预热器排出废气量约为1.34~1.63Nm3/kg熟料,那么对于5 000t/d熟料生产线,其出窑尾预热器的废气量约为28~34万Nm3/h,温度约320~350℃。热量计算时所采用的比热值取决于废气各成分的含量,经过对一些生产线的取值计算比较,比热值差异不太多。具体热量计算取值如下:
  窑尾预热器排出的废气:32万Nm3/h,温度330℃,比热1.51kJ/Nm3·℃。
  窑尾预热器排出的废气热量:159.5×106kJ/h。
  其中,用于烘干原料水分(5%水分)的热量:45.5×106kJ/h。
  扣除烘干原料热量后,窑尾排放的废气热量:114×106kJ/h。
2.1.2 窑头熟料冷却机废气排放的热量
  目前多数生产线配置的第三代充气梁篦冷机热回收效率可达72%~75%,单位熟料冷却风量降至1.9~2.2Nm3/kg熟料,余风排放量也相应降低。由于不同生产线的工艺配置和原燃料特性的不同,窑用二次风和分解炉用三次风也有所不同,加之煤磨在窑头或窑尾的配置不同,均对余风排放量有所影响,但其大致范围在1.34~1.48Nm3/kg熟料,那么对于5 000t/d熟料生产线,其余风排放量约为28~31万Nm3/h,温度约200~250℃。冷却机排出气体主要是空气,所以比热可按自由空气的比热取值。热量计算时取值如下:
  窑头熟料冷却机排出的废气:30万Nm3/h,温度250℃,比热1.3kJ/Nm3·℃
  窑头熟料冷却机排出的废气热量:97.5×106kJ/h
2.1.3 窑头窑尾总排放的废气热量
  经过上述计算可知,窑头窑尾实际排放的废气总热量为211.5×106kJ/h,折合单位熟料总排放的废气热量为1 015.2kJ/kg熟料。
  现代新型干法水泥熟料生产线烧成热耗~3 010kJ/kg熟料,那么窑头窑尾总排放的废气热量占水泥熟料烧成热耗的百分比为33.7%。
2.2 余热锅炉有效利用热量
2.2.1 窑尾SP炉有效利用热量
  由于窑尾出SP炉的废气要用于烘干原料,因此,要根据原料水分含量,通过原料磨系统的热平衡计算,确定出SP炉的废气温度。根据当前国内多数5 000t/d生产线的工艺配置情况,当煤磨在窑头、原料磨采用立磨时,确定出SP炉的废气温度按230℃计。如果煤磨在窑尾,或原料磨采用管磨时,还须结合原料磨和煤磨系统的热平衡计算,另行确定出SP炉的废气温度,此处为简化计算,不再一一列出。确定了进出SP炉的废气量、废气温度、漏风量、废气含尘浓度等参数后,即可根据锅炉热平衡计算,求得SP炉有效利用的废气热量

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