新型干法水泥熟料生产线四级和五级预热器纯低温余热发电分析

摘要   通过对带四级和五级预热器的新型干法水泥窑排放的烟气量、烟气温度、纯低温余热发电量以及吨熟料煤耗的定性分析和定量计算，对比国家公布的火电标准煤耗，从理论上阐明了带五级预热器的干法水泥生产线纯低温余热发电能源利用率高于带四级预热器的水泥生产线，解答了带四级与五级预热器的新型干法水泥纯低温余热发电的优劣困惑。
主题词： 干法水泥   余热发电  能源利用率  预热器

1 概述
    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，尤其是带预分解窑的新型干法窑得到了快速发展，水泥熟料热耗从带四级预热器的3768 kJ/kg.cl[1]降低到带有五级预热器的3011kJ/kg.cl。在热耗下降的同时，仍然有大量的中低温余热没有被充分利用，纯低温余热发电技术可以合理利用水泥生产过程中排放的大量中、低温余热资源。目前在新型干法线纯低温余热发电项目中，有的在带四级预热器的干法窑上建设，吨熟料发电量达到33.07 kW.h/t.cl [2]；有的在带五级预热器的干法窑建设，吨熟料发电量28 kW.h/t.cl。带四级预热器的比带五级预热器的干法窑吨熟料纯低温余热发电量多，因此，有人认为应建设带四级预热器的干法窑并配套纯低温余热发电系统，甚至提出把五级预热器改为四级预热器以提高吨熟料发电量。水泥厂纯低温余热发电是为了单纯增加发电量还是为了充分利用废气余热？如何评价不同水泥厂纯低温余热发电系统？又如何结合水泥煅烧技术和发电技术以提高能源利用率？……本文通过对带四级预热器和带五级预热器干法窑的纯低温余热发电分析，提出了作者自己的观点，供水泥厂纯低温余热发电关注者参考。

2 带四级预热器和五级预热器的新型干法水泥窑废气情况
    对于纯低温余热发电来说，相同产量的新型干法水泥生产线，不论是带有四级预热器还是带有五级预热器的水泥生产线，其窑头篦冷机的废气量与废气温度并无多大差别，其主要区别在于第一级预热器出口废气温度、废气量以及整个水泥生产线的耗煤量。根据国内新型干法水泥生产的情况，窑尾烟气量可达1.5-1.9 Nm3/kg.cl（煤粉燃烧后产生的理论烟气量为0.8-1.2 Nm3/kg.cl、0.2-0.4 Nm3/kg.cl的漏风、过剩空气、盐类分解、自由水蒸发、高岭土脱水、空气带入含湿量等）[3]。四级预热器窑由于少了一级预热器，其漏风量比五级预热器窑有所减少，窑尾预热器烟气量也对应减少。
    在符合新型干法水泥生产工艺要求的条件下，综合国内不同水泥生产厂的情况，不失一般性，假定下列具体数据进行分析：
    四级预热器相关参数：按照5000t/d 水泥熟料生产线常规配置的设备，窑尾烟气量为1.72 Nm3/kg.cl，则四级预热器出口烟气的流量为：Q4=358,300Nm3/h，温度：T4=375℃，平均热耗：3768 kJ/kg.cl，熟料烧成煤耗：129 kg/t.cl[1]
    五级预热器相关参数：同样按照5000t/d 水泥熟料生产线常规配置的设备，窑尾烟气量为1.75 Nm3/kg.cl，则五级预热器出口烟气的流量为：Q5=364,600Nm3/h，温度：T5=350℃[4]，平均热耗：3011 kJ/kg.cl，熟料烧成煤耗：103 kg/t.cl, 窑尾烟气成分如表1：
                             表1   窑尾烟气成分

3 余热发电量分析
3.1余热发电量计算
    由于烘干原料的需要，余热发电利用后的窑尾预热器烟气的排放温度假定为230℃。四级预热器与五级预热器干法水泥窑窑头废气发电量基本相同，在此只比较窑尾预热器余热发电量。
四级预热器   根据烟气温度、烟气成分以及拟排放的烟气温度计算出烟气焓：375℃烟气焓为H375、230℃烟气焓为H230 。
    则375℃的废烟气通过SP余热锅炉排放出230℃烟气,可以利用的烟气热量为：ΔH4= Q4 (H375-H230)＝8205×104 kJ/h
    由于四级预热器排烟温度高于五级预热器，根据纯低温余热发电热量利用效率的计算，不难计算出SP余热锅炉吸收的热量转换为电能的效率约为η4=23％[5]，则窑尾废气可利用余热纯低温发电量为：P4=ΔH4η4/3600＝5242 kw
    五级预热器  根据烟气温度与烟气成分以及拟排放的烟气温度计算出烟气焓：350℃烟气焓H350和230℃烟气焓H230 。则可以利用的烟气热量为：
ΔH5= Q5 (H350-H230) ＝6880×104 kJ/h
    根据纯低温余热发电热量利用效率的计算，不难计算出SP余热锅炉吸收的热量转换为电能的效率约为η5=21％[5]，则窑尾废气可利用余热纯低温发电量为： P5=ΔH5η5/3600＝4013 kw
3.2 四级预热器和五级预热器的煤耗
    根据四级预热器热耗3768 kJ/kg.cl 折算成煤耗 b4=129 kg标煤/t.cl。
    即：b4×5000/24＝26875kg标准煤/h
    根据五级预热器热耗为3011 kJ/kg.cl 折算成煤耗 b5=103 kg标煤/t.cl。
    即：b5×5000/24＝21458kg标准煤/h
    计算出的具体数据见表2。

表2 四级预热器和五级预热器余热发电量对比

3.3 结果分析
    从计算结果及表3中可以看出：
    四级预热器比五级预热器每小时多耗煤：26875-21458＝5416.7kg标准煤/h
   每小时四级预热器与五级预热器纯低温余热发电差值：P4－P5＝1229 kwh。
  

表3四级预热器和五级预热器余热发电能量利用对比

    带四级预热器与带五级预热器的新型干法窑相比，其多耗煤与多发电之比为：5417/1229=4407g标准煤/kwh ，远远大于国家公布的火电标准煤耗：356g标准煤/kwh 。
    由此可以看出，四级预热器窑虽然增加了发电量，但同时也增加了煤耗，增加煤耗量与增加发电量之比远远大于国家公布的火电标准煤耗表明，四级预热器窑的能源利用效率比五级预热器窑低。五级预热器窑投资虽然有所增加，发电量减少；但煤耗量的减少更为明显，其运行时的经济效益和环境效益明显大于四级预热器窑。
    不同的纯低温余热发电技术、热力参数的热力系统，SP余热锅炉吸收的热量转换为电能的效率可能多少有些差别，一般来说，排放的废气温度越高，SP锅炉产生的蒸汽温度越高，转换为电能的效率也越高，但对应水泥窑热耗也大幅增加，本文所选效率数值不失一般性，即使某项目效率数值与此有差异，但只要是和本文同样的可比条件，所得结论仍然相同。
4 结论
    1 水泥窑纯低温余热发电应重点考查其能量利用效率而不是吨熟料发电量。
    2五级预热器窑在纯低温余热发电方面比四级预热器窑更能提高能源利用率、降低能耗。
    3 不能为了单纯增加发电量而减少预热器级数，把五级预热器窑改为四级预热器窑更是得不偿失，应把水泥煅烧技术与纯低温余热发电技术结合起来，降低水泥窑能耗，减少排烟损失，提高能源利用率。

参考文献:
[1]唐金泉.预分解回转窑的火用分析.当代水泥，1991(1).
[2]肖燕.4000t/d生产线纯低温余热发电系统的建设与应用.中国水泥，2004(3)
[3]刘志江，新型干法水泥技术.北京.中国建材工业出版社，2005.
[4]胡观利，黄劝根，殷东良.浅谈水泥窑中低温余热发电业主所关心的问题.水泥工程，2003(4)
[5]彭岩，姚敏娟.现代水泥窑纯低温余热发电热量利用分析.中国水泥，2005(5)