几种新型干法窑余热发电系统热能利用情况简析李昌勇

几种新型干法窑余热发电系统热能利用情况简析
李昌勇
（南京工业大学,江苏南京 210009）
1 引言
二十一世纪以来，我国水泥工业的发展速度令人欣喜，新型干法水泥技术迅速成为行业发展的主旋律。

“上大改小、结构调整”战略的实施，使得水泥工业生产线的规模由
随着能源危机的不断加剧，节能减排成为我国各行各业的核心任务之一。

作为能源消耗大户，水泥行业更是如此。

近几年来各种节能提效技术不断应用于水泥行业，而纯低温余热发电系统大量更是大批量投入运行，使得水泥行业的总体能耗显著降低，大大提升了行业的总体能源利用水平。

常用的有单压不补汽式、复合闪蒸补汽式、双压补汽式、冷却机两级取热式和带三次风管取热增压增温的低温余热发电系统等几种方式(图1~图5)。

而有的厂家还采用带四级预热器的预分解窑，利用较高的出预热器废气温度来增加发电量。

本文仅就几类系统不同的取热方式，以及降低烧成热耗与增加发电量问题，根据一些带纯低温余热发电系统新型干法窑的实际测定结果进行一下分析对比。

图1 单压不补汽式纯低温余热发电系统及废气取其方式
图2 复合闪蒸补汽式纯低温余热发电系统及取汽方式
图3 多压补汽式低温余热发电系统及取汽方式
图4 冷却机多级取热余热发电热力系统
图5 带三次风管过热锅炉的低温余热发电热力系统
2 带三次风管过热锅炉余热发电系统检测结果分析
此类低温余热发电系统较常规纯低温余热发电系统增加了一个三次风管过热锅炉，窑头AQC锅炉和窑尾SP锅炉产生低压蒸汽，经过热锅炉将蒸汽温度提高100℃以上，蒸汽压力提高1.0MPa以上，从而较大幅度地增加发电量。

三次风入分解炉的温度从原来的850~950℃降低到580~650℃。

从发电的角度看，增加的过热锅炉把蒸汽压力和温度均显著提升，使得发电量和发电效率都有明显增长，并且高温三次风的热量与低温废气热量分级利用，从原理上来说比较合理。

L厂2500TD新型干法窑窑采用了此类余热发电系统，我们于2007年对该生产线及余热发电系统进行了全面热工检测。

测定期间熟料产量为2817.0t/d，熟料烧成热耗为3475.99kJ/kg-cl
（831.26kCal/kg-cl）。

余热发电刺痛的主要测试结果检表1~表3。

检测期间余热发电系统最高发电功率6003kW，最低5100kW，平均5472kW。

表1 余热发电锅炉系统热工测试主要数据表
表2 窑尾余热发电（SP）锅炉进出口气体成分分析结果(以同时测定结果为准)
表3 各余热发电锅炉散热损失
各余热发电锅炉的热平衡计算结果参见表4~表6。

表4 窑尾SP锅炉热平衡计算结果
表5 窑头AQC锅炉热平衡计算结果
表6 过热锅炉热平衡计算结果
三锅炉实际用于余热发电锅炉的热量总计：
37794890 + 45458677 + 14491768 = 97745335 kJ/h 。

据此计算得到测定期间余热发电系统实际热利用效率：
%15.20%10097745335
3600
*5472=⨯=
φ
如果只考虑SP 锅炉和过热锅炉进出口的气体热焓差，和进入AQC 锅炉的热量（锅炉出口热量属于不可利用热量），以此为基准计算的热利用效率我们在此定义为表观热效率b φ。

则该厂表观热效率为：
%48.18%100106595029
3600
*5472b =⨯=
φ
单位熟料发电量为46.62kWh/t-cl 。

而目前状况较好的纯低温余热发电系统的单位熟料发电量仅为32~40 kWh/t-cl ，较差的甚至低于30 kWh/t-cl ，因而可以看出发电量确实明显高于常规纯低温余热发电系统。

热利用效率也因不同温度热能的分级利用而明显提高。

常规余热发电系统不考虑余热锅炉部分热量，较好的纯低温余热发电系统发电量按36kWh/t-cl 考虑，参照本系统，则常规余热发电系统效率为：16.66%。

增加过热锅炉后热利用效率有了明显提高。

但是，此类余热发电系统对于新型干法窑系统有两个必不可缺的基本要求：其一是需要分解炉容积大，煤粉燃烧时间长；其二是厂方所用煤质优良，煤粉着火点低，燃尽特性好。

只有这样，才能在三次风问降低200℃以上的情况下仍然能够达到比较理想的燃烧效果，从而保证系统的稳定运行。

L 厂另外一条2000t/d 生产线增加该余热发电系统后，由于分解炉容积过小，出冷却机的三次风温度也比较低，使得不仅发电量远远达不到要求，而且分解炉煤粉燃烧状况严重恶化，还导致系统产能也严重降低。

单从经济效益比较，过热锅炉的存在使得入炉三次风温度降低，此部分减少的热耗可以认为就是对烧成热耗增加的最小幅度，而且随着烧成热耗的增加，出预热器废气热损失还会有所增加。

本系统计算得到入炉三次风热焓减少了151.14kJ/kg-cl ，以此计算，相当于每年需要增加煤耗6259.94t 。

按较常规较好的系统多发电10kWh/t-cl 考虑，发电系统与烧成系统同步，运转率均达到90%，则相当于每年可多发电925.38万kWh ，以每kWh 产生效益0.4元考虑，相当于增加效益370.15万元。

若煤价低于591元/t ，则发电效益优于多耗煤的费用，若煤价超过591元/t ，则发电效益反而低于耗煤需要支出的费用。

而随着能源危机的不断加剧，这种利用部分三次风热焓提高发电量的取热方式将越来越失去其优势。

3 降低烧成热耗与增加发电量的关系分析
SY 的生产线采用四级预热器和海川公司复合闪蒸补汽式纯低温余热发电系统。

熟料设计产量为3200t/d ，设计发电量为7900kW 。

我们分别于2008年10月和2009年7月对该生产线及纯低温余热发电系统进行了热工检测。

2008年10月检测期间，该生产线熟料产量为3189t/d ，熟料烧成热耗3624.4kJ/kg-cl 。

一级筒出口废气量达到420℃以上，发电功率达到7010kW ，合单位熟料发电量52.76kWh/t 。

2009年7月，由于烧成系统操作参数的优化，使得第二次热工检测期间水泥熟料烧成系统的总体情况明显优于2008年10月标定期间的状况。

不仅熟料产量有所提高，从3189t/d增加到3214t/d；而且熟料烧成热耗由3624kJ/kg-cl降低到3500kJ/kg-cl，减少了124kJ/kg-cl（约3.42%），热回收效果有较明显改善。

虽然发电功率有些影响，降低到了6475.2KW，但节煤效果明显。

两次热工检测期间的参数及指标对比参见表7。

表7 SY厂两次热工检测期间余热发电系统参数比较
时间熟料产量
/(t/d)
烧成热耗
/(kJ/kg-cl)
预热器废气
温度/℃
入AQC炉
风温度/℃
发电功率
/kW
实际发电
热效率/%
表观发电热
效率/%
单位熟料发电
/(kWh/t-cl)
08.10 3189 3624 421 303 7010 26.14 21.96 52.76
09.07 3214 3500 403 311 6475 23.53 19.68 48.35
可以看出，与2008年下半年相比，虽然余热发电系统发电量有所减少，余热发电总热利用效率也有所降低。

但烧成系统能耗指标则有明显改善，熟料烧成热耗减少了124kJ/kg-cl（约3.42%），热回收效果有较明显改善。

考虑减少的热量转化为煤粉，年运转率按90%、煤价560元/吨考虑，则按当前熟料产量，每年可节煤5498.5吨，折合307.9万元。

而发电功率减少了535KW，相当于年发电减少421.8万kWh，按每kWh产生效益0.4元考虑，相当于减少发电效益168.7万元。

与节省的煤粉成本比较，相当于增加效益近140万元。

因此，优化烧成系统的操作控制，提高能源利用效率，要远远优于片面追求发电功率。

当前全厂系统的总能源利用效率和企业经济效益均较2008年10月检测期间要好得多。

因此，有些厂家有意识增加烧成用煤量来提高出预热器废气温度，以求达到增加发电量的做法是不可取的，也是十分不经济的。

尽可能提高烧成系统热效率，降低烧成热耗，是提高水泥企业效益最根本也是最有效的方法。

4 带低温余热发电系统的四级预热器窑与五级预热器窑的综合比较
自二十世纪九十年代以来，我国新上的生产线绝大多数都是采用五级预热器系统。

但近年来有些企业为了增加发电量，CS厂与CZ厂#4窑均为5000t/d带纯低温余热发电系统的新型干法水泥生产线，所用预热器的类型及规格基本相同，分解炉总体结构和容积也很接近，所不同的仅仅是CS厂为了增加余热发电系统的发电量采用了四级预热预分解系统，而CZ厂采用五级预热预分解系统，而两者采用相同类型的纯低温余热发电系统。

因而两者具有良好的可比性。

两条线的基本生产参数见表8。

表8 CS厂与CZ厂#4窑热工检测期间基本生产参数比较
厂家熟料产量/(t/d) 烧成热耗/(kJ/kg-cl) 预热器废气温度/℃
入AQC炉
风温度/℃
发电功率/kW
CZ#4 5509.0 3113.3 336 261 6500 CS 5368.1 3507.7 386 289 8434
CZ#4窑与CS公司纯低温余热发电系统基本参数见表9。

表9 CS厂与CZ厂#4窑热工检测期间余热发电系统参数比较
时间发电功率/kW 实际发电热效率/% 表观发电热效率/% 单位熟料发电/(kWh/t-cl)
CZ#4 6500 20.55 15.00 28.32
CS 8434 23.68 19.21 37.71 从测定结果和烧成系统热平衡结果看，CS厂热工检测期间水泥熟料烧成系统的总体情况比较正常，熟料产量超过设计产能6%以上，但热耗明显高于常规五级5000t/d级新型干法窑（实际热耗一般为3094~3178kJ/kg-cl），与2500 t/d级新型干法窑(实际热耗一般为3262~3512kJ/kg-cl)接近。

与产量相近的池州CZ# 4线的出预热器废气参数比较（表10）可以看出，出预热器废气量较五级预热器窑系统增加了近10%，温度增高了50℃，使得该部分的热损失增加了216kJ/kg-cl。

预热器级数少一级，出预热器废气温度偏高是热耗偏高的主要原因。

而这还是在池州海螺采用质量远低于刺山厂的劣质无烟煤的情况下的结果。

表10 CS厂与CZ#4线出预热器废气参数的对比
位置
气体量温度
/℃
废气带走热
/(kJ/kg-cl)
废气带走热
/(kJ/kg-cl)
备注/(Nm3/h) /(Nm3/kg-cl)
刺山360819.0 1.6237 386.0 928.88 3507.7 四级池州#4 326929 1.4243 336 713.06 3113.3 五级
差值33890 0.1994 50 215.82 394.4 差值比例(%) 9.39 12.28 12.95 23.23 11.24
与熟料产量、预热器和分解炉结构都比较类似的CZ4线比较，CS厂熟料烧成热耗增加了394.4 kJ/kg-cl，相当于平均熟料产量5500t/d，运转率90%时年耗煤总量要增加29061t。

按照煤价580元/t
考虑，要多支出煤价1685.56万元/y；即使仅仅考虑两条生产线的热耗是废气热损失一项所造成，即只考虑两条线废气带走热损失的差值215.8kJ/kg-cl这一项，也相当于平均熟料产量5500t/d时总年耗煤总量要增加159062.6t，需要比五级预热器窑多支出煤价922.35万元/y。

而该生产线发电量比CZ#4和#5线的平均发电量增加了8434 - 6500=1934kW，年发电量可增加1524.77万kWh，按每kWh发电量增加效益0.4元考虑，可增加发电效益609.91万元/y，远低于采用五级预热器窑的新型干法窑系统。

因此，无论从能耗还是实际效益来看，采用四级预热器的窑系统来增加发电系统发电量的做法都是不经济的。

因而建议各厂家在增加带纯低温余热发电系统的新生产线时还是应该采用带五级预热器的新型干法窑为宜，这不仅能够提高工厂效益，而且能够减少CO2排放量，利于环保，有更好的社会效益。

5 结论与建议
1) 带纯低温余热发电系统的新型干法窑应当尽可能采取措施提高烧成系统的热回收效率，有些厂家有意识增加烧成用煤量来提高出预热器废气温度，以求达到增加发电量的做法是不可取的，也是十分不经济的。

2）利用三次风热量作为过热器的余热发电系统能够显著增加余热发电量，也能提高发电系统热利用效率，但增加了烧成热耗，使得烧成系统的生产成本提高，在煤价比较低廉时有较好效益，但煤价超过590元/t时则反而较低企业经济效益。

3) 采用四级预热器虽然提高了出预热器废气温度，较大幅度地增加了发电量，但与熟料产量比较接近、采用劣质无烟煤作燃料、带五级预热器的生产线相比较，因采用四级预热器的生产线热耗增大而增加的用煤成本要远远高于余热发电系统发电量增加所产生的效益。

因此，采用四级预热器的窑系统来增加余热发电系统发电量的做法都是不够经济的。

因而在建设增加带纯低温余热发电系统的新水泥生产线时，建议采用带五级预热器的新型干法窑。

这不仅能够提高企业效益，而且能够减少CO2排放量，利于环保。