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水泥窑余热发电的参数及热力系统


WASTE HEAT GENERATION 余热发电

水泥窑余热发电的参数及热力系统
董兰起
(中材节能发展有限公司, 天津 300400) 我国水泥窑余热发电技术经历了中高温余热发 电、带补燃的中低温余热发电、低温余热发电三个发 展阶段。 水泥窑余热发电采用的热力系统基本形式 有:单压系统、闪蒸系统、双压系统三种,近年来还有 在三种基本形式的基础上发展起来的其他热力系统, 但都是以 朗 肯 循 环 (Rankine Cycle )作 为 理 论 基 础 发 展、改进形成的。 其目的都是希望充分利用废气余热 达到增加发电功率的目的,但是绝大多数余热电站的 实际运行与理论设计指标存在较大的差距,主要原因 是采用的热力系统不符合废气的特性,即热力系统不 能与废气参数相匹配,以下从几个方面分析热力系统 及参数确定的原则。 (3) 系统排出的废气热损失: 新型干法窑约 1.4~ · 1.6m (标)/kg cl, 比较多见的 5 级预热器废气温度在
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· 300℃~330℃之间,废气带走的热量约 510~530kJ/kg cl。 (4 ) 冷却机的热损失: 冷却机的热损失包括两 项,熟料带走的热损失和冷却空气带走的热损失。 熟 料出冷却机的温度较环境温度高 65℃ 左右, 带走的 热 量 约 80kJ/kg· , 其 余 均 由 排 出 的 冷 却 空 气 所 带 cl 走。 第三代冷却机配风约 2.0m3(标)/kg cl ,第四代冷 · 却 机 的 配 风 比 更 是 达 到 1.8m3 (标 )/kg· ,从 冷 却 机 cl 的发展趋势看配风比越来越小,窑系统的二、三次风 的风量也越来越大, 因此冷却机对外排出的废气也 不断下降。 余热发电系统目前主要是利用窑尾和窑头的废 气, 热耗较高的生产线具有更多的余热资源可用于 发电。

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水泥烧成热耗及余热分布
水泥熟料烧成热耗主要由以下四个部分组成: (1 )水泥熟料烧成理论热耗:水泥熟料形成理论

耗热量随着原料的不同在 1 700~1 800kJ/kg cl 之间。 · (2 )窑系统的辐射热损失:与环境温度和窑的生 产规模有较大的关系,环境温度越低、生产规模越小 损失越大,一般表面热辐射大约 200kJ/kg cl 。 ·

2

蒸汽参数
余热锅炉的蒸汽参数(压力和温度)是重要的参

数,他直接影响到系统的循环效率和发电功率,在确 定蒸汽参数时要充分考虑废气参数,使每单位体积的

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废气尽可能地多提供有效能。 废气参数指废气量、废 气温度、废气成分等,影响蒸汽参数的主要因素是烟 气温度和烟气量。 烟气温度决定了蒸汽可能达到的最 高温度,烟气温度和烟气量等共同决定蒸汽产量。 蒸 汽量简易计算见公式(1 ): · · Z= V[C1 tin-C2 tout] ibz-ibs 式中:Z—锅炉蒸发量,t/h ; (1 )

排 出 的 废 气 大 多 数 生 产 线 还 要 用 于 原 料 等 烘 干 ,因 此 SP 锅炉排出废气的温度要满足烘干要求。 按照最 小换热温差考虑, 经过对不同废气温度和不同蒸汽 压力的计算得出如图 2 所示的废气比 与蒸汽压力 的关系。 从计算结果可以看出,在 300℃~400℃ 废气 温度段,锅炉的最佳工作压力大致在 0.8~1.0MPa 左 右范围内。

V—锅炉进口废气量,Nm3/h; tout—锅炉排出废气温度,℃,tout=tbs+Δtmin; Δtmin—最小换热温差; tbs—饱和水温度,℃; C1—锅炉入口废气比热; C2—锅炉排出废气比热; ibz—蒸汽焓,kJ/kg; ibs—饱和水焓,kJ/kg。
从锅炉经济性考虑蒸汽最高温度一般要低于废 气温度 20℃ 左右, 锅炉排出废气温度较给水温度高

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余热锅炉蒸汽产量与设备投资效益
根据传热学公式:Q=KFΔt ,Δt 为锅炉各段的换热

温差,随着废气和介质温度的不同,当确定的换热温 差 Δt 小时, 吸收同样热量余热锅炉需要更大的换热 面,锅炉的金属耗量增加。 此时虽然锅炉蒸汽量增加, 但是锅炉的经济性下降,图 3 即说明了锅炉的换热面 积、设备成本、蒸发量、设备投资效益的关系。 可以看 出:随着锅炉废气排出温度的降低,蒸汽量提高,金属 耗量提高,从而使设备投资增加,因此即使没有限制 的 AQC 余热锅炉废气排出温度, 也应该按照合适的 平衡点选取,一般来说废气排出温度确定在 100℃ 以 下较合理。

30℃ 左右, 锅炉饱和水温度与废气的最小换热温差 Δtmin=15℃~20℃。 图 1 给出了废气与汽水参数的传热
特性关系。 从计算公式( 1 )可以看出,影响锅炉蒸发量的主 要因素是锅炉进口废气温度 tin 、废气量 V 、废气排出 温 度 tout 及 换 热 温 差 Δtmin 等 , 公 式 中 简 化 了 锅 炉 漏 风、环境温度、换热效率等因素的影响。 其中由于换 热 特 性 及 锅 炉 技 术 水 平 的 影 响 , Δtmin 的 选 择 对 于

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4.1

热力系统简介
单压系统(见图 4 ) 单 压 系 统 是 最 简 单 的 朗 肯 循 环 (Rankine Cy-

cle ),具有系统简单,运转 率 高 、站 用 电 率 低 的 优 点 。
由 于 单 压 系 统 AQC 锅 炉 的 省 煤 器 水 量 为 AQC 锅 炉 和 SP 锅炉的给水总和, 当冷却机废气温度较高 时 , 不能降低 AQC 锅炉的废气排出温度, 而使冷却机废 气的总 能下降。

AQC 锅 炉 和 SP 锅 炉 是 不 同 的 。 AQC 锅 炉 由 于 对 锅
炉排出的废气温度没有要求, 尽量取较低的排出温 度 以 最 大 限 度 地 利 用 废 气 余 热 ; 而 SP 锅 炉 则 由 于

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WASTE HEAT GENERATION 余热发电
4.2
闪蒸系统(见图 5) 在单压基础上发展起来,可以通过增 加 AQC 锅炉省煤器水量降低锅炉废气排 出温度,提高冷却机废气总 能,提高发 电功率,但是较单压系统复杂、除闪蒸器 和汽机与单压不同以外,相应的锅炉给水 泵、 循环冷却系统规模等也较单压 系 统 大,造成设备投资较高、站用电率也较高, 并且在废气温度变化较大时,闪蒸系统投 入率受到很大的影响。 但是应该适当选取 闪蒸量, 因为随着闪蒸量的增加会 提 高

AQC 锅炉省煤器的给水温度, 而较高的
给水温度同样会使 AQC 锅炉废气排出温 度,一般来说汽机闪蒸补汽量宜为总进汽 量的 15%~30%。 双压系统(见图 6 ) 对比单 压 和 闪 蒸 系 统 , 双 压 系 统 主 要是设置 AQC 双压锅炉来实现, 如果窑 尾条件许可也可以设置双压锅炉。 主 要 特点是锅炉低压蒸汽具有一定的过热 度, 与闪蒸补进汽机的饱和蒸汽相 比 可 以提高汽机末级效率, 站用电率介 于 单 压和闪蒸系统之间, 投资较单压和 闪 蒸 系统高, 汽轮机的运行效率较同样 为 补 汽的闪蒸系统较高, 同样在在冷却 机 废 气温度变化较大时, 闪蒸系统投入 率 受 到很大的影响。 虽然从理论上汽机 可 以 接受较大范围的补汽量, 但是由于 补 汽 的稳定性不能保证, 因此汽机的补 汽 量 范围与闪蒸补汽相同。 双压系统应 该 注 意的问题是要处理好锅炉主汽和低 压 蒸 汽的比例,使废气能够梯级利用。 复合循环系统(见图 7 ) 复合 循 环 热 力 系 统 集 成 热 力 系 统 主 要是针对热耗比较低的生产线, 因 为 水 泥烧成热耗较低,一般来说窑尾 C1 级出口废气温度 较低, 5 级预热器较低的达到 300℃ 以下, 6 级预热器 更 是 达 到 270℃ 以 下 。 在 这 样 的 条 件 下 ,如 果 SP 锅 炉仍然生产过热蒸汽则会使产汽量大大降低, 锅炉 废 气 排 除 SP 锅 炉 的 温 度 升 高 , 热 量 不 能 被 有 效 利 用。 而复合热力系统的主要特点是 SP 锅炉产生饱和 蒸汽或低过热度的过热蒸汽,再将 SP 锅炉主汽 送 至

4.3

4.4

AQC 锅炉的联合过热器过热,由于 AQC 锅炉废气可
以梯级利用, 较高温度的废气用于过热和蒸发器, 较低温度的废气用于加热给水或用于闪蒸, 做到了 梯级高效利用废气。 余热发电的理论基础是朗肯循环 (Rankine Cy-

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技术的商业地热发电站为冰岛 Husavik 电 站。 卡林纳循环在水泥行业的应用到目前 为止还是空白。 随着能源的不断紧缺,低温废气的利 用 必 定 被 重 视 起 来 ,ORC 和 卡 林 纳 循 环 也将发挥重大的作用,但是就目前的技术 而言还需要做很多的工作才能将此类技 术产业化, 主要的障碍是设备造价较高, 效率较低,投资回收期较长。 除此之外关 键技术的开发生产也是制约其进一步发 展的因素。

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cle),这是一个历经百年的经典理论,目前从技术、装
备上已经达到了较高的水平,以此为基础衍生出来各 种循环系统都是基于朗肯循环理论。 究竟采用哪种方 式要取决于余热资源的状况, 根据热能平衡计算确 定。 如果采用单压系统即可充分利用余热资源,而仍 然采用其它循环系统反而得不偿失,即使发电量相同 或稍有提高,但电站自用电率会增加,实际供电量减 少,设备投资增加。

结束语

余热发电热力系统的选择是根据废气的参数决 定的, 只有适合废气参数的热力系统才是最好的, 在满足废气余热利用的前提下尽量选择简单的热力 系统。 热力系统的选择应该以尽量不影响原有水泥烧 成系统的热耗为前提,如果牺牲烧成热耗来提高余热 发电量将造成一次能源的浪费。

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非水工质在水泥工业余热发电的应用前景
近年来随着余热利 用 技 术 不 断 发 展 ,200℃ 以 下

ORC 和 卡林纳 循 环 在 技 术 上 完 全 可 以 应 用 于
水 泥 窑 余 热 发 电 ,并 且 与 朗 肯 循 环 相 比 在 利 用 低 温 废 气 热 源 时 具 有 一 定 的 优 势 ,不 过 在 目 前 的 技 术 条 件下投资较高, 运行的安全性以及维护成本也过 高 , 对 于 ORC 和 卡林 纳 循 环 来 说 , 进 一 步 降 低 投 资 是推广的关键, 还需在系统和装备上进行深入研 究 , 当 能 源 愈 加 紧 张 时 必 定 会 促 进 ORC 和 卡林纳 的发展。 □
参考文献:

低温废气利用逐渐被重视起来,而利用低温废气用于 发 电 最 佳 方 案 是 再 用 低 沸 点 工 质 , 其 代 表 为 ORC (Organic Rankine Cycle ) 循 环 和 卡 林 纳 循 环 (Kalina

Cycle)。 我国水泥厂在利用 ORC 等非水工质循环余
热发电技术方面尚属空白。 由 以 色 列 奥 玛 特 (ORMAT )公 司 设 计 ,在 德 国 海 德堡的 Lengfurt 水泥厂 3 000t/d 生产线上, 建成了世 界首座水泥厂 ORC 纯低温余热发电站。 该发电站的 特点是:余热热源来自熟料冷却机出口的废气,而窑 尾预热器出门的废气用来烘干生料和煤。 自 1999 年 投产以来运行良好,电站可实现无人操作,电站的平 均 运 转 率 达 到 98% 以 上 , 单 位 熟 料 发 电 量 可 达 · 10.5kWh/t cl。 卡林纳循环 1983 年首次公开,发明人 Alex Kalina 博士的 Exergy 公司在美国能源部(D.O.E )的支持下, 在加州 Canoga Park 建造了 3MW 的试验电站, 并进 行了现场运行测试。 其后,将卡林纳循环技术商业化 应用于地热电站。 目前,唯一所知的应用卡林纳循环

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