新型干法水泥熟料生產(chǎn)線四級(jí)與五級(jí)預(yù)熱器純低溫余熱發(fā)電分析

近年來，國(guó)內(nèi)水泥工業(yè)的建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平都有較大的進(jìn)步，尤其是帶預(yù)分解窯的新型干法窯得到了快速發(fā)展，水泥熟料熱耗從帶四級(jí)預(yù)熱器的3768 kJ/kg.cl[1]降低到帶有五級(jí)預(yù)熱器的3011kJ/kg.cl。在熱耗下降的同時(shí)，仍然有大量的中低溫余熱沒有被充分利用，純低溫余熱發(fā)電技術(shù)可以合理利用水泥生產(chǎn)過程中排放的大量中、低溫余熱資源。目前在新型干法線純低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目中，有的在帶四級(jí)預(yù)熱器的干法窯上建設(shè)，噸熟料發(fā)電量達(dá)到33.07 kW.h/t.cl [2]；有的在帶五級(jí)預(yù)熱器的干法窯建設(shè)，噸熟料發(fā)電量28 kW.h/t.cl。帶四級(jí)預(yù)熱器的比帶五級(jí)預(yù)熱器的干法窯噸熟料純低溫余熱發(fā)電量多，因此，有人認(rèn)為應(yīng)建設(shè)帶四級(jí)預(yù)熱器的干法窯并配套純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，甚至提出把五級(jí)預(yù)熱器改為四級(jí)預(yù)熱器以提高噸熟料發(fā)電量。水泥廠純低溫余熱發(fā)電是為了單純?cè)黾影l(fā)電量還是為了充分利用廢氣余熱？如何評(píng)價(jià)不同水泥廠純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)？又如何結(jié)合水泥煅燒技術(shù)和發(fā)電技術(shù)以提高能源利用率？……本文通過對(duì)帶四級(jí)預(yù)熱器和帶五級(jí)預(yù)熱器干法窯的純低溫余熱發(fā)電分析，提出了作者自己的觀點(diǎn)，供水泥廠純低溫余熱發(fā)電關(guān)注者參考。 

2 帶四級(jí)預(yù)熱器和五級(jí)預(yù)熱器的新型干法水泥窯廢氣情況
　　
對(duì)于純低溫余熱發(fā)電來說，相同產(chǎn)量的新型干法水泥生產(chǎn)線，不論是帶有四級(jí)預(yù)熱器還是帶有五級(jí)預(yù)熱器的水泥生產(chǎn)線，其窯頭篦冷機(jī)的廢氣量與廢氣溫度并無多大差別，其主要區(qū)別在于第一級(jí)預(yù)熱器出口廢氣溫度、廢氣量以及整個(gè)水泥生產(chǎn)線的耗煤量。根據(jù)國(guó)內(nèi)新型干法水泥生產(chǎn)的情況，窯尾煙氣量可達(dá)1.5-1.9 Nm3/kg.cl（煤粉燃燒后產(chǎn)生的理論煙氣量為0.8-1.2 Nm3/kg.cl、0.2-0.4 Nm3/kg.cl的漏風(fēng)、過?？諝?、鹽類分解、自由水蒸發(fā)、高嶺土脫水、空氣帶入含濕量等）[3]。四級(jí)預(yù)熱器窯由于少了一級(jí)預(yù)熱器，其漏風(fēng)量比五級(jí)預(yù)熱器窯有所減少，窯尾預(yù)熱器煙氣量也對(duì)應(yīng)減少。
　　
在符合新型干法水泥生產(chǎn)工藝要求的條件下，綜合國(guó)內(nèi)不同水泥生產(chǎn)廠的情況，不失一般性，假定下列具體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：
　　
四級(jí)預(yù)熱器相關(guān)參數(shù)：按照5000t/d 水泥熟料生產(chǎn)線常規(guī)配置的設(shè)備，窯尾煙氣量為1.72 Nm3/kg.cl，則四級(jí)預(yù)熱器出口煙氣的流量為：Q4=358,300Nm3/h，溫度：T4=375℃，平均熱耗：3768 kJ/kg.cl，熟料燒成煤耗：129 kg/t.cl[1]
　　
五級(jí)預(yù)熱器相關(guān)參數(shù)：同樣按照5000t/d 水泥熟料生產(chǎn)線常規(guī)配置的設(shè)備，窯尾煙氣量為1.75 Nm3/kg.cl，則五級(jí)預(yù)熱器出口煙氣的流量為：Q5=364,600Nm3/h，溫度：T5=350℃[4]，平均熱耗：3011 kJ/kg.cl，熟料燒成煤耗：103 kg/t.cl, 窯尾煙氣成分如表1：　　　　　　　　

3 余熱發(fā)電量分析

3.1余熱發(fā)電量計(jì)算
　　
由于烘干原料的需要，余熱發(fā)電利用后的窯尾預(yù)熱器煙氣的排放溫度假定為230℃。四級(jí)預(yù)熱器與五級(jí)預(yù)熱器干法水泥窯窯頭廢氣發(fā)電量基本相同，在此只比較窯尾預(yù)熱器余熱發(fā)電量。 
四級(jí)預(yù)熱器　　 根據(jù)煙氣溫度、煙氣成分以及擬排放的煙氣溫度計(jì)算出煙氣焓：375℃煙氣焓為H375、230℃煙氣焓為H230 。
　　則375℃的廢煙氣通過SP余熱鍋爐排放出230℃煙氣,可以利用的煙氣熱量為：ΔH4= Q4 (H375-H230)＝8205×104 kJ/h
　　
由于四級(jí)預(yù)熱器排煙溫度高于五級(jí)預(yù)熱器，根據(jù)純低溫余熱發(fā)電熱量利用效率的計(jì)算，不難計(jì)算出SP余熱鍋爐吸收的熱量轉(zhuǎn)換為電能的效率約為η4=23％[5]，則窯尾廢氣可利用余熱純低溫發(fā)電量為：P4=ΔH4η4/3600＝5242 kw
　　
五級(jí)預(yù)熱器　 根據(jù)煙氣溫度與煙氣成分以及擬排放的煙氣溫度計(jì)算出煙氣焓：350℃煙氣焓H350和230℃煙氣焓H230 。則可以利用的煙氣熱量為：
ΔH5= Q5 (H350-H230) ＝6880×104 kJ/h　
　　
根據(jù)純低溫余熱發(fā)電熱量利用效率的計(jì)算，不難計(jì)算出SP余熱鍋爐吸收的熱量轉(zhuǎn)換為電能的效率約為η5=21％[5]，則窯尾廢氣可利用余熱純低溫發(fā)電量為： P5=ΔH5η5/3600＝4013 kw

3.2 四級(jí)預(yù)熱器和五級(jí)預(yù)熱器的煤耗
　　根據(jù)四級(jí)預(yù)熱器熱耗3768 kJ/kg.cl 折算成煤耗 b4=129 kg標(biāo)煤/t.cl。
　　即：b4×5000/24＝26875kg標(biāo)準(zhǔn)煤/h
　　根據(jù)五級(jí)預(yù)熱器熱耗為3011 kJ/kg.cl 折算成煤耗 b5=103 kg標(biāo)煤/t.cl。
　　即：b5×5000/24＝21458kg標(biāo)準(zhǔn)煤/h
　　計(jì)算出的具體數(shù)據(jù)見表2。 

3.3 結(jié)果分析
　　從計(jì)算結(jié)果及表3中可以看出：
　　四級(jí)預(yù)熱器比五級(jí)預(yù)熱器每小時(shí)多耗煤：26875-21458＝5416.7kg標(biāo)準(zhǔn)煤/h
　每小時(shí)四級(jí)預(yù)熱器與五級(jí)預(yù)熱器純低溫余熱發(fā)電差值：P4－P5＝1229 kwh。
　　 表3四級(jí)預(yù)熱器和五級(jí)預(yù)熱器余熱發(fā)電能量利用對(duì)比

帶四級(jí)預(yù)熱器與帶五級(jí)預(yù)熱器的新型干法窯相比，其多耗煤與多發(fā)電之比為：5417/1229=4407g標(biāo)準(zhǔn)煤/kwh ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國(guó)家公布的火電標(biāo)準(zhǔn)煤耗：356g標(biāo)準(zhǔn)煤/kwh 。
　　
由此可以看出，四級(jí)預(yù)熱器窯雖然增加了發(fā)電量，但同時(shí)也增加了煤耗，增加煤耗量與增加發(fā)電量之比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國(guó)家公布的火電標(biāo)準(zhǔn)煤耗表明，四級(jí)預(yù)熱器窯的能源利用效率比五級(jí)預(yù)熱器窯低。五級(jí)預(yù)熱器窯投資雖然有所增加，發(fā)電量減少；但煤耗量的減少更為明顯，其運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益明顯大于四級(jí)預(yù)熱器窯。
　　
不同的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)、熱力參數(shù)的熱力系統(tǒng)，SP余熱鍋爐吸收的熱量轉(zhuǎn)換為電能的效率可能多少有些差別，一般來說，排放的廢氣溫度越高，SP鍋爐產(chǎn)生的蒸汽溫度越高，轉(zhuǎn)換為電能的效率也越高，但對(duì)應(yīng)水泥窯熱耗也大幅增加，本文所選效率數(shù)值不失一般性，即使某項(xiàng)目效率數(shù)值與此有差異，但只要是和本文同樣的可比條件，所得結(jié)論仍然相同。
4 結(jié)論
　　
1 水泥窯純低溫余熱發(fā)電應(yīng)重點(diǎn)考查其能量利用效率而不是噸熟料發(fā)電量。
　　
2五級(jí)預(yù)熱器窯在純低溫余熱發(fā)電方面比四級(jí)預(yù)熱器窯更能提高能源利用率、降低能耗。
　　
3 不能為了單純?cè)黾影l(fā)電量而減少預(yù)熱器級(jí)數(shù)，把五級(jí)預(yù)熱器窯改為四級(jí)預(yù)熱器窯更是得不償失，應(yīng)把水泥煅燒技術(shù)與純低溫余熱發(fā)電技術(shù)結(jié)合起來，降低水泥窯能耗，減少排煙損失，提高能源利用率。