余熱發(fā)電項(xiàng)目中預(yù)熱器級數(shù)的選擇

□□盛潔，公磊，李昌勇

余熱發(fā)電項(xiàng)目中預(yù)熱器級數(shù)的選擇

□□盛潔，公磊，李昌勇

新型干法水泥生產(chǎn)線的窯尾廢氣溫度決定著余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。窯尾廢氣溫度高對余熱發(fā)電有利，但耗煤量增大；窯尾廢氣溫度低，耗煤量減少，又不利于余熱發(fā)電。本文以池州海螺和唐山冀東兩廠的實(shí)際生產(chǎn)情況為例，通過煤電比來比較余熱發(fā)電項(xiàng)目中是采用四級預(yù)熱器合理還是五級預(yù)熱器合理。

余熱發(fā)電；預(yù)熱器；發(fā)電量；煤耗

20世紀(jì)70年代引進(jìn)的預(yù)熱器多為四級預(yù)熱器，由于燒成熟料熱耗高(800×4.18kJ/kg)，廢氣溫度較高(400～420℃)，因此在上世紀(jì)80年代以后世界各公司都推出了五級預(yù)熱器，其出C1筒氣體溫度降至320～330℃。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[1]。我們知道，發(fā)電系統(tǒng)有單壓不補(bǔ)汽、多壓補(bǔ)汽及復(fù)合閃蒸技術(shù)，這三種模式并無本質(zhì)區(qū)別，都是利用出預(yù)熱器320～380℃及出冷卻機(jī)350℃左右的廢氣組成低壓低溫或中壓中低溫系統(tǒng)，最重要的特點(diǎn)是采用0.69～1.27MPa、280～340℃低壓低溫主蒸汽。區(qū)別僅在于：窯頭熟料冷卻機(jī)在生產(chǎn) 0.69～1.27MPa、280～340℃低壓低溫蒸汽的同時，或再生產(chǎn)0.1～0.5MPa、飽和～160℃低壓低溫蒸汽，或再生產(chǎn)85～200℃的熱水；輪機(jī)采用補(bǔ)汽式或不補(bǔ)汽式汽輪機(jī)[2]。復(fù)合閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率一般在22%～24%，高于一般的余熱發(fā)電效率[1]。池州海螺水泥廠（五級預(yù)熱器）與唐山冀東水泥廠（四級預(yù)熱器）的余熱發(fā)電系統(tǒng)均采用閃蒸余熱發(fā)電技術(shù)，且生產(chǎn)工藝極其相似，故非常具有可比性。本文結(jié)合池州海螺與唐山冀東的實(shí)際生產(chǎn)情況，分析兩廠家的單位熟料的熱耗情況，通過煤電比來比較余熱發(fā)電項(xiàng)目中采用四級預(yù)熱器合理還是五級預(yù)熱器合理。

1 熱工標(biāo)定的相關(guān)參數(shù)

池州海螺采用的是五級預(yù)熱器，其設(shè)計(jì)產(chǎn)量5000t/d。測定期間產(chǎn)量是5509t/d，熟料熱耗為3113.3kJ/kg，發(fā)電量平均可以達(dá)到6500kWh。唐山冀東采用的是四級預(yù)熱器，設(shè)計(jì)產(chǎn)量5000t/d。測定期間產(chǎn)量是5368.1t/d，熟料熱耗為3507.7kJ/kg，發(fā)電量平均可以達(dá)到8434kWh。兩廠的熟料產(chǎn)量、預(yù)熱器和分解爐結(jié)構(gòu)比較類似，均采用閃蒸余熱發(fā)電技術(shù)，故兩廠的余熱發(fā)電系統(tǒng)非常具有可比性。兩廠的余熱發(fā)電相關(guān)的基礎(chǔ)熱工參數(shù)如表1～表5所示。

表1 兩廠家入窯煤粉工業(yè)分析

表2 兩廠家鍋爐前后氣體成分，%

表3 兩廠家預(yù)分解窯系統(tǒng)主要熱量消耗

表4 唐山冀東余熱鍋爐相關(guān)參數(shù)測定結(jié)果

表5 池州海螺四號窯余熱鍋爐相關(guān)參數(shù)測定結(jié)果

表6 預(yù)熱器級數(shù)不同余熱發(fā)電的熱效率計(jì)算

2 熟料熱耗分析及余熱發(fā)電項(xiàng)目比較

2.1 單位熟料熱耗分析

從表1中可以看出，池州海螺在采用高灰分劣質(zhì)無煙煤作燃料的情況下，系統(tǒng)的熟料燒成熱耗僅有3113.3kJ/kg熟料；而唐山冀東在采用較好的煙煤作燃料的情況下系統(tǒng)的熟料燒成熱耗卻達(dá)到了3507.7kJ/kg熟料，其主要熱耗如表3所示。熟料形成熱是指生料煅燒成熟料過程中所消耗的各項(xiàng)物理化學(xué)能，是燒成熟料所必需的理論熱耗，在生產(chǎn)條件相同、熱工制度穩(wěn)定的情況下一般是確定的。兩水泥生產(chǎn)線的熟料形成熱都占總熱耗的50%左右，故影響水泥熟料熱耗的項(xiàng)目主要在預(yù)熱器出口廢氣熱量、系統(tǒng)表面散熱量、出冷卻機(jī)余風(fēng)熱量及出冷卻機(jī)熟料量。池州海螺的冷卻機(jī)余風(fēng)熱量（323.74kJ/kg熟料）比唐山冀東的（406.88kJ/kg熟料）低，其主要原因在于出冷卻機(jī)的余風(fēng)量及余風(fēng)溫度都很低，這直接導(dǎo)致池州海螺的出冷卻機(jī)熟料熱量（239.52kJ/kg熟料）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于唐山冀東的出冷卻機(jī)熟料熱量（73.37kJ/kg熟料）。唐山冀東的熟料熱耗（3507.7kJ/kg熟料）比池州海螺的單位熟料熱耗（3113.3kJ/kg熟料）增加了394.4kJ/kg熟料，僅預(yù)熱器出口廢氣熱這一項(xiàng)，唐山冀東的就比池州海螺的多出215.82kJ/kg熟料，這主要是因?yàn)樘粕郊綎|水泥廠為提高余熱發(fā)電量而采用的是四級預(yù)熱器。以增加煤耗來提高余熱發(fā)電量的四級預(yù)熱器余熱發(fā)電系統(tǒng)是否比五級預(yù)熱器的余熱發(fā)電系統(tǒng)合理，下面通過煤電比具體分析一下。

2.2 余熱發(fā)電項(xiàng)目的比較

目前水泥行業(yè)已經(jīng)習(xí)慣用噸熟料余熱發(fā)電量來做為衡量余熱發(fā)電技術(shù)水平的指標(biāo)，但單純采用“噸熟料發(fā)電量(kWh/t)”指標(biāo)進(jìn)行發(fā)電量和方案的對比不能全面反映方案的優(yōu)越性。因工藝流程、設(shè)備選型和配置不同時會產(chǎn)生不同的熱焓量，對發(fā)電量有極大的影響。

從表6可以看出，池州海螺五級預(yù)熱器的余熱發(fā)電系統(tǒng)熱效率只有18.63%，熟料發(fā)電量28.32kWh/t；而唐山冀東四級預(yù)熱器的余熱發(fā)電系統(tǒng)的熱效率達(dá)到23.68%，熟料發(fā)電量37.71kWh/t。僅從熱效率及噸熟料發(fā)電量來看，四級預(yù)熱器余熱發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)于五級預(yù)熱器余熱發(fā)電系統(tǒng)。但同時也應(yīng)該看到，由于預(yù)熱器的級數(shù)不同，四級預(yù)熱器的生產(chǎn)線比五級預(yù)熱器的生產(chǎn)線多耗394.4kJ/kg熟料的熱量。因?yàn)閱挝凰嗍炝蠠岷牟顒e比較大，故不能單純地從熱效率及噸熟料發(fā)電量的比較來說明四級預(yù)熱器余熱發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)于五級預(yù)熱器的余熱發(fā)電系統(tǒng)。唐山冀東四級預(yù)熱器余熱發(fā)電量雖比五級預(yù)熱器余熱發(fā)電量多，但同時煤耗也多。從表7可知，5000t/d生產(chǎn)線的四級預(yù)熱器比五級預(yù)熱器配套的余熱發(fā)電系統(tǒng)多發(fā)電1934kWh/h，但從四級預(yù)熱器帶出的廢氣熱比從五級預(yù)熱器帶出的廢氣熱每生產(chǎn)一噸水泥熟料相當(dāng)于多耗6.697kg的標(biāo)準(zhǔn)煤。

表7 預(yù)熱器級數(shù)不同余熱發(fā)電的電量差及煤耗差

圖1 全年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤的成本隨煤價的變化情況

表8 兩廠家余熱發(fā)電的設(shè)計(jì)參數(shù)及煤電差

水泥生產(chǎn)線全年正常運(yùn)轉(zhuǎn)的時間按7800h計(jì)算（正常運(yùn)轉(zhuǎn)率約90%），則四級預(yù)熱器比五級預(yù)熱器全年多發(fā)電15085200kWh。按每kWh發(fā)電量增加效益0.4元考慮，每年可增加發(fā)電效益603.41萬元。但是五級預(yù)熱器比四級預(yù)熱器全年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤11684.73t，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤價格隨地區(qū)及時間的不同發(fā)生變化，全年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤的成本隨標(biāo)準(zhǔn)煤價變化而變化（見圖1實(shí)線）。根據(jù)水泥廠的實(shí)際煤價，標(biāo)準(zhǔn)煤價格按680元/t考慮，則五級預(yù)熱器比四級預(yù)熱器生產(chǎn)線節(jié)約煤價約794.56萬元/年。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，兩廠家余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)差別還是相當(dāng)大的，如表8所示。水泥生產(chǎn)線全年正常運(yùn)轉(zhuǎn)的時間按7800h計(jì)算，則四級預(yù)熱器余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)值比五級預(yù)熱器的設(shè)計(jì)值全年多發(fā)電20280000kWh。按每千瓦時發(fā)電量增加效益0.4元考慮，每年可增加發(fā)電效益811.2萬元。五級預(yù)熱器余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)值比四級預(yù)熱器的設(shè)計(jì)值全年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤4630.37t，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的價格隨地區(qū)及時間的不同發(fā)生變化，全年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤的成本隨標(biāo)準(zhǔn)煤價變化而變化，如圖1虛線所示。根據(jù)水泥廠的實(shí)際煤價，標(biāo)準(zhǔn)煤價格按照680元/t考慮，則五級預(yù)熱器余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)值比四級預(yù)熱器的設(shè)計(jì)值節(jié)約電價約496.3萬元/年。

通過表6余熱發(fā)電的實(shí)際參數(shù)與表8的設(shè)計(jì)參數(shù)比較，池州海螺實(shí)際廢氣總熱焓較設(shè)計(jì)參數(shù)少了52566541kJ/h，相當(dāng)于14602kW。如果該部分熱焓用于發(fā)電，即使按照18.63%的效率計(jì)算，系統(tǒng)總發(fā)電量將可能增加2720kW，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)值是完全可能的。經(jīng)比較可知，窯尾實(shí)際氣體量遠(yuǎn)少于設(shè)計(jì)值，以及冷卻機(jī)入AQC鍋爐的廢氣溫度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，是當(dāng)前純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量低于設(shè)計(jì)發(fā)電量的主要原因。冀東實(shí)際出預(yù)熱器廢氣的顯熱總量與設(shè)計(jì)參數(shù)比較接近，雖然廢氣量少一些，但廢氣溫度比設(shè)計(jì)值高一些。但入AQC鍋爐的廢氣顯熱只有設(shè)計(jì)值的71.46%，廢氣溫度低于設(shè)計(jì)值71℃。而高溫廢氣屬于高品質(zhì)熱能，是提高余熱發(fā)電系統(tǒng)熱利用效率的關(guān)鍵，入AQC鍋爐的廢氣溫度過低是當(dāng)前余熱發(fā)電系統(tǒng)效率明顯低于設(shè)計(jì)值的主要原因。

3 結(jié)語

從單位熟料熱耗來看，唐山冀東采用較好的煙煤，系統(tǒng)的熟料燒成熱耗（3507.7kJ/kg熟料）卻明顯高于池州海螺在采用高灰分劣質(zhì)無煙煤作燃料的情況下系統(tǒng)的熟料燒成熱耗（3113.3kJ/kg熟料），與2500t/d級新型干法窯熟料燒成熱耗（實(shí)際熱耗一般為3260～3510kJ/kg熟料）較接近。

從對兩廠家的余熱發(fā)電項(xiàng)目的比較來看，由于預(yù)熱器的級數(shù)不同，單位水泥熟料熱耗差別比較大，故不能單純地從熱效率及噸熟料發(fā)電量的比較來說明四級預(yù)熱器余熱發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)于五級預(yù)熱器的余熱發(fā)電系統(tǒng)。通過不同預(yù)熱器級數(shù)生產(chǎn)線節(jié)約煤電成本的比較，而從實(shí)際的熱工參數(shù)來比較卻說明五級預(yù)熱器余熱發(fā)電系統(tǒng)更優(yōu)于四級預(yù)熱器的余熱發(fā)電系統(tǒng)。

從社會效應(yīng)來說，唐山冀東四級預(yù)熱器余熱發(fā)電的發(fā)電效率為23.68%，而發(fā)電廠的的發(fā)電效率一般在30%～40%，而水泥燒成效率達(dá)到55%以上，遠(yuǎn)高于余熱發(fā)電的發(fā)電效率。因此，無論是從實(shí)際生產(chǎn)效益還是社會效益來講，五級預(yù)熱器的余熱發(fā)電系統(tǒng)比四級預(yù)熱器的余熱發(fā)電系統(tǒng)更能提高工廠效益，而且能夠減少CO2排放量，利于環(huán)保，更有利于社會效益。任何形式的提高燒成熱耗用于提高發(fā)電量都是不可取的。

[1]李小莉，劉東萊.對水泥窯低溫余熱發(fā)電問題的評價[J].水泥工程，2008（3）.

[2]唐金泉.水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)評價方法的探討[J].中國水泥,2007（5）.

The Selection of the Number of Preheater Stages in Waste Heat Power Generation Project

SHENG Jie，GONG Lei，LI Cang-Yong
（College of Meterials Science and Engineering,Najing University of Technology，Jiangsu Nanjing，210009）

The power generation efficiency of waste heat power generation system is determined by the flue gas temperature out of the preheater system for the new dry process cement production line.A higher flue gas temperature is helpful for waste heat power generation,while the coal consumption is increased,and vice versa.Taking Chizhou Hailuo and Tangshan Jidong cement plants for examples,the ratio of coal consumption to electricity output was compared to decide whether 4-stage or 5-stage preheater is more reasonable for the waste heat power generation system.

Waste heat power generation;Preheater;Energy output;Coal consumption

TQ172.622.22

A

1001-6171（2011）01-0098-04

2010-05-23； 編輯：趙蓮