對(duì)水泥窯低溫余熱發(fā)電問(wèn)題評(píng)述

　　前言

　　當(dāng)前， 全國(guó)水泥行業(yè)利用預(yù)熱器和冷卻機(jī)的低溫余熱進(jìn)行余熱發(fā)電的技術(shù)， 正如火如荼地得到普遍應(yīng)用和推廣。采用這項(xiàng)技術(shù)， 不可避免地會(huì)對(duì)原有工藝流程、設(shè)備布置、風(fēng)機(jī)參數(shù)帶來(lái)影響; 另一方面， 原料磨、煤磨的形式， 預(yù)熱器的級(jí)數(shù)和增濕塔的位置等等， 也影響到發(fā)電量。

　　我們認(rèn)為單純采用“噸熟料發(fā)電量(kWh/t)”指標(biāo)進(jìn)行發(fā)電量和方案的對(duì)比是不科學(xué)、不準(zhǔn)確的，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(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的熱焓量。本文擬從工藝設(shè)計(jì)觀點(diǎn)出發(fā)， 結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中碰到的問(wèn)題， 論述低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中熱能轉(zhuǎn)換為電能的各項(xiàng)影響因素， 以及熱耗與發(fā)電量的關(guān)系。

　　我們知道， 發(fā)電系統(tǒng)有單壓不補(bǔ)氣、多壓補(bǔ)氣及復(fù)合閃蒸技術(shù)方案， 但三種模式并無(wú)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)， 噸熟料發(fā)電量在32~40 kWh/t 之間。本文僅以單壓不補(bǔ)氣系統(tǒng)為基準(zhǔn)進(jìn)行方案比較和分析論述， 供參考。

　　1 生料磨采用立磨， 入磨物料水分對(duì)余熱發(fā)電系統(tǒng)的影響

　　從目前一般宣傳資料看， 出SP 爐的氣體溫度標(biāo)明在230~250 ℃之間。應(yīng)當(dāng)說(shuō)， 出SP 爐的溫度，是與生料磨選型及原料平均水分有關(guān)的。只有當(dāng)選用立磨、輥壓機(jī)終粉磨及筒輥磨(HORO 磨) 粉磨生料， 且入磨平均水分在4%~4.5%時(shí)， 出SP 爐的氣體溫度才能控制在230~250 ℃之間。

　　為提高烘干效率， 立磨要維持風(fēng)環(huán)處有一定風(fēng)速， 以滿足磨內(nèi)提升懸浮物料的要求; 同理， 輥壓機(jī)終粉磨中的V 型選粉機(jī)及筒輥磨也需要一定的風(fēng)量。根據(jù)傳熱基本公式， 氣體傳給物料的熱量q ( 4.18 kJ/kg) 隨入磨物料水分[w(H2O)] 的增大而提高， 即q∝w(H2O)∝Vct。由于風(fēng)量V 基本為一常數(shù)( 折成標(biāo)況下約為1~1.3 m3/kg) ， 因此入磨熱風(fēng)溫度t 與原料水分w(H2O)成正向關(guān)系。

　　以立磨為例， 根據(jù)熱平衡計(jì)算可以求出水分不同時(shí)需要的熱風(fēng)溫度t。

　　計(jì)算條件: 熟料臺(tái)時(shí)產(chǎn)量為5 500 t/d， 出預(yù)熱器廢氣量( 折成標(biāo)況) 為1.5m3/kg; 立磨生料臺(tái)時(shí)產(chǎn)量450 t/h， 循環(huán)風(fēng)量33%， 入磨風(fēng)量( 折成標(biāo)況) 1m3/kg。求得t 與w(H2O)的關(guān)系， 見(jiàn)表1 及圖1 所示。

　　隨入磨物料水分增加， 立磨需要的熱風(fēng)溫度愈高; 而能供給發(fā)電的熱量愈少。水分每增加1%， 如果要滿足立磨烘干水分所需的熱量， 則生產(chǎn)每kg 熟料供給SP 爐的發(fā)電熱量超過(guò)10 ×4.18 kJ， 那噸熟料的發(fā)電量就要降低3.0 kWh/t 以上。

　　低溫余熱發(fā)電的原則是先滿足工藝生產(chǎn)的需要。南方雨季多， 黏土水分經(jīng)常>20%， 原料的平均綜合水分常超過(guò)5%， 對(duì)發(fā)電量影響很大。關(guān)于這一點(diǎn)， 在考慮余熱發(fā)電方案時(shí)， 一定不能忽略。

　　2 生料磨選用球磨時(shí)對(duì)熱源溫度的要求用立磨烘干原料， 因噴環(huán)需要一定風(fēng)速( 70~90m/s) 才能把顆粒帶出， 因而需要大風(fēng)量( 折成標(biāo)況為1~1.3 m3/kg) 。而球磨( 包括中卸磨， 尾卸磨、風(fēng)掃磨) 則需要高溫氣體， 其烘干風(fēng)量約僅為立磨的一半。

　　如果原料中f- SiO2 高、易磨性差， 不適于采用立磨， 必須采用球磨時(shí)， 原料磨系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)通入溫度>300℃的高溫風(fēng); 但為了配合發(fā)電系統(tǒng)， 往往只能通入低于250 ℃的氣體， 這樣勢(shì)必會(huì)影響生料磨系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行， 具體分析如下。

　　( 1) 會(huì)使烘干能力下降。如寧國(guó)水泥廠Φ5m×(10.4+3.5) m 中卸原料磨， 原設(shè)計(jì)入磨氣體溫度350 ℃， 加SP 爐后為增加發(fā)電量， 將入磨氣體溫度降至250 ℃， 結(jié)果造成磨內(nèi)傳熱速率降低，烘干能力下降。特別到雨季時(shí)， 入磨平均水分>5%， 則需要出SP 爐氣體旁路放風(fēng)， 以提高入磨氣體溫度。

　　( 2) 會(huì)引起粉磨系統(tǒng)電耗增大。20 世紀(jì)70 年代引進(jìn)的預(yù)熱器多為四級(jí)( 如冀東、寧國(guó)、珠江、柳州) ， 出C1 筒氣體溫度高達(dá)380～400℃。根據(jù)熱平衡計(jì)算， 寧國(guó)廠入磨氣體溫度350 ℃， 原料水分由5%烘干到0.5%時(shí)， 每kg生料需烘干熱量57×4.18 kJ ( 相當(dāng)于每kg 熟料需102×4.18 kJ) 。根據(jù)熱量計(jì)算公式q=Qct計(jì)算， 寧國(guó)水泥廠Φ5m×(10.4+3.5) m 中卸生料磨所需烘干風(fēng)量( 折成標(biāo)況) 為0.45 m3/kg; 按原設(shè)計(jì)漏風(fēng)量38% 計(jì)算， 排風(fēng)機(jī)風(fēng)量為270 000 m3/h， 風(fēng)壓5 500 Pa ， 電機(jī)有效功率為550 kW， 單位生料功率消耗為550/300=1.83 kWh/t ( 磨臺(tái)時(shí)產(chǎn)量按300t/h 計(jì)算) 。保持相同熱量， 如入磨氣體溫度由350 ℃降到250 ℃時(shí)， 需要將烘干風(fēng)量由0.45m3/kg上升至0.63 m3/kg， 排風(fēng)量增至362 000 m3/h， 風(fēng)量增大1.36 倍; 因原設(shè)備規(guī)格未變， 風(fēng)量增大，風(fēng)速增大， 阻力增大1.362=1.86 倍， 這使排風(fēng)機(jī)功率增大到1.86×550= 1 000 kW， 單位生料功率消耗也由1.83 kWh/t 提高到1 000/300=3.33 kWh/t，相當(dāng)于單位熟料電耗由3 kWh/t 增大到5.5 kWh/t。

　　綜合上述計(jì)算分析， 可推斷出以下結(jié)論:

　　2 500 t/d 熟料生產(chǎn)線采用Φ4.6m×(9.5+3.5) m的中卸磨( 產(chǎn)量為185 t/h) ， 或5 000 t/d 熟料生產(chǎn)線采用Φ5.6m×(11+4.4) m 的中卸磨( 產(chǎn)量為400t/h) 時(shí)， 如果為發(fā)電采用<250 ℃的低溫烘干廢氣，則會(huì)對(duì)生料系統(tǒng)造成工藝操作不利、能力下降、電耗增大等不利狀況。若長(zhǎng)期使用低溫廢氣， 則在設(shè)計(jì)中須將全部氣路附屬設(shè)備， 包括組合式選粉機(jī)、袋式收塵器、熱風(fēng)管道直徑、控制閥門(mén)規(guī)格增大，土建廠房加大， 這在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上均不合理， 也違背了低溫余熱發(fā)電應(yīng)遵循的基本原則。即: 不改變水泥生產(chǎn)的工藝流程和設(shè)備， 不增加原有生產(chǎn)的熱耗和電耗。

　　3 增濕塔位置對(duì)發(fā)電流程的影響

　　根據(jù)多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及熱平衡計(jì)算， 采用立磨或輥壓機(jī)原料終粉磨， 當(dāng)原料水分不太高( 生料立磨<10%， 終粉磨<6%時(shí)) ， 增濕塔應(yīng)放在高溫風(fēng)機(jī)之前( 也稱“在線布置”) ， 即磨機(jī)與增濕塔串聯(lián)。其原因是出C1 級(jí)筒氣體由330℃(五級(jí))～380℃ ( 四級(jí)) 的氣體降到250 ℃以下， 通過(guò)噴水降溫很容易實(shí)現(xiàn)。采用此方案時(shí)， 要考慮SP 爐和增濕塔的位置， 最好是將兩者并聯(lián)。因并聯(lián)方案布置， 既能滿足低溫氣體的烘干要求; 當(dāng)試生產(chǎn)SP 爐未投運(yùn)，或SP 爐在檢修時(shí)， 又可從SP 爐靈活切換到增濕塔線路運(yùn)行; 但給管道、閥門(mén)布置及回灰處理帶來(lái)不便， 需要在設(shè)計(jì)中改進(jìn)。當(dāng)采用球磨( 中卸、尾卸、風(fēng)掃磨) 或采用立磨原料水分偏高時(shí)( >10%) ， 增濕塔可放在高溫風(fēng)機(jī)后與磨機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，這種流程稱作離線布置。該流程優(yōu)點(diǎn)是磨機(jī)可直接通入300～350 ℃的高溫氣體， 滿足球磨和立磨烘干原料的溫度要求。

　　4 預(yù)熱器級(jí)數(shù)不同對(duì)發(fā)電量和熱耗的影響

　　20 世紀(jì)70 年代引進(jìn)的預(yù)熱器多為四級(jí)預(yù)熱器， 由于燒成熟料熱耗高( 800×4.18 kJ/kg) ， 廢氣溫度較高( 400～420 ℃) ， 因此在80 年代以后世界各公司都推出了五級(jí)預(yù)熱器， 其出C1 筒氣體溫度降至320～330 ℃。幾乎同時(shí)， 丹麥?zhǔn)访芩?、德?guó)伯力鳩斯和洪堡公司， 在國(guó)際上就推出了六級(jí)預(yù)熱器。六級(jí)預(yù)熱器適用于原料水分不高、能源較緊張的地區(qū)， 使出C1 筒氣體溫度降至280 ℃，由此熟料熱耗降到了700×4.18 kJ/kg 以下。

　　近年來(lái)， 隨著低溫余熱發(fā)電興起， 減少級(jí)數(shù)增加發(fā)電量還是增加級(jí)數(shù)降低熱耗又成為大家討論的話題。有的提出利用二級(jí)至一級(jí)筒入口450～600 ℃廢氣設(shè)置蒸汽過(guò)熱器， 使SP 爐獨(dú)立產(chǎn)生主蒸汽以提高余熱發(fā)電能力; 同時(shí)在冷卻機(jī)熱端設(shè)置ASH蒸汽過(guò)熱器， 單獨(dú)抽取400～600 ℃的熱氣， 用于調(diào)整汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度; 有的甚至提出利用三次風(fēng)高溫氣體( 900℃) 來(lái)發(fā)電。顯然， 這些措施均將破壞原來(lái)的工藝流程， 給設(shè)計(jì)、設(shè)備制造和操作帶來(lái)麻煩。

　　下面筆者將對(duì)四級(jí)、五級(jí)、六級(jí)預(yù)熱器做詳細(xì)地的節(jié)能計(jì)算， 提出熱耗和發(fā)電量之間存在的關(guān)系并加以論證。

　　4.1 設(shè)定條件

　　(1) 生產(chǎn)線規(guī)模為5 500 t/d 熟料， 熟料熱耗為720～730×4.18kJ/kg ;

　　(2) 熱力系統(tǒng)采用單壓系統(tǒng)， 因該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 設(shè)備數(shù)量少， 便于方案對(duì)比;

　　(3) 熱效率ζ取0.23～0.24， 其計(jì)算公式為:　因?yàn)椋?不同的廢氣溫度， 其余熱鍋爐的效率和汽輪機(jī)的耗汽量是不同的。

　　4.3 由冷卻熱平衡計(jì)算入AQC 爐的風(fēng)量篦冷機(jī)的熱風(fēng)入AQC 鍋爐， 用于發(fā)電的熱量大小決定于抽取熱風(fēng)風(fēng)量的大小及氣體溫度的高低。而熱風(fēng)量大小及氣體溫度的高低又受以下因素影響。

　　(1) 煤磨位置。煤磨可放在窯頭( 從篦冷機(jī)抽取烘干熱風(fēng)) ， 也可放在窯尾( 抽取預(yù)熱器廢氣作烘干熱源) ， 顯然前者會(huì)使窯頭AQC 爐的發(fā)電量降低;

　　(2) 冷卻機(jī)鼓風(fēng)量大小和二、三次風(fēng)的風(fēng)量和風(fēng)溫， 也影響AQC 爐的發(fā)電量。

　　根據(jù)冷卻機(jī)熱平衡可以求出入AQC 爐的熱風(fēng)量和氣體溫度的關(guān)系。設(shè)定條件如下:

　　熟料熱耗720×4.18 kJ/kg; 熟料入冷卻機(jī)溫度1 400 ℃， 出冷卻機(jī)熟料溫度90 ℃; 排風(fēng)機(jī)氣體溫度120℃。

　　根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)， 出冷卻機(jī)氣體濕度2.5%左右，要求入電收塵廢氣露點(diǎn)溫度應(yīng)>25℃。按圖3 粉塵比電阻( Ωcm) 與氣體溫度t ( ℃) 關(guān)系， 熟料粉塵比電阻在<120 ℃和>200 ℃時(shí)都較小， 故取120 ℃作為計(jì)算排風(fēng)機(jī)的廢氣溫度。

　　(3) 如煤磨放在窯頭， 按選用球磨方案計(jì)算，煤從原煤水分10%烘干到水分為1%， 需熱風(fēng)( 折成標(biāo)況) 約0.12m3/kg; 選用立磨時(shí)， 需熱風(fēng)( 折成標(biāo)況) 約0.25～0.3m3/kg。

　　按以上條件， 煤磨放在窯頭和放在窯尾時(shí)，入AQC 爐風(fēng)溫不同， 其入爐風(fēng)量和排風(fēng)量計(jì)算結(jié)果列于表3， 據(jù)此繪制入AQC 爐氣體溫度與風(fēng)量的關(guān)系

　　式中: q ———單位熟料值， ×4.18kJ/kg;

　　Q 熱量——— 單位熟料熱值， ×4.18kJ/kg;

　　T0———環(huán)境溫度℃;

　　T1———熱氣體溫度℃;

　　(4) 另外， 考慮到預(yù)熱器級(jí)數(shù)增多后， 管道阻力增大， 高溫風(fēng)機(jī)電耗增大。管道阻力六級(jí)按6 500 Pa、五級(jí)5 500 Pa、四級(jí)4 500 Pa 計(jì)算， 每級(jí)引起電耗差值約10%。即高溫風(fēng)機(jī)的電耗是五級(jí)比四級(jí)的高約10%， 六級(jí)比五級(jí)的又高約10%。

　　(5) 綜合分析。綜合比較表3 至表5 的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論:

　　第一， 四級(jí)比五級(jí)、五級(jí)比六級(jí)雖然增加了發(fā)電量約3 kWh/t， 但同時(shí)增加了耗煤量， 其比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了國(guó)家公布的火電標(biāo)準(zhǔn)煤耗。這說(shuō)明預(yù)熱器級(jí)數(shù)減少， 減少了高溫風(fēng)機(jī)電耗; 但綜合能源利用率來(lái)看， 采用六級(jí)預(yù)熱器要比采用五級(jí)、四級(jí)仍具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。也就是說(shuō)多發(fā)1 kWh 電， 四級(jí)比五級(jí)窯系統(tǒng)將多消耗3 kg 煤， 五級(jí)比六級(jí)要多耗1.5 kg 煤。因此， 用減少預(yù)熱器級(jí)數(shù)來(lái)增加發(fā)電量， 是浪費(fèi)能源的不可取的辦法。

　　第二， 預(yù)熱器級(jí)數(shù)減少， 熱耗增加， 所需要的二、三次風(fēng)量也相應(yīng)增大， 而不是二、三次風(fēng)量無(wú)多大差別， 因而供給AQC 爐的風(fēng)量和熱量也相應(yīng)減少。與SP 爐不同的是， 預(yù)熱器級(jí)數(shù)減少， AQC爐的發(fā)電量也減少而不像SP 爐級(jí)數(shù)減少發(fā)電量增加， 但綜合SP 爐及AQC 爐發(fā)電量， 還是遵循級(jí)數(shù)減少熱耗高， 發(fā)電量增加規(guī)律。

　　第三， 對(duì)同種預(yù)熱器級(jí)數(shù)， 入AQC 爐的熱量受氣體溫度與風(fēng)量的影響。以圖4 中五級(jí)預(yù)熱器為例， 隨抽風(fēng)點(diǎn)溫度的增高， 供給AQC 爐的風(fēng)量相應(yīng)減少，進(jìn)入AQC 爐的熱量也相應(yīng)減少。如300 ℃時(shí)，qAQC 爐=92×4.18 kJ/kg， 400 ℃時(shí)， qAQC 爐=79×4.18kJ/kg， 減少14%。因此， 抽風(fēng)點(diǎn)溫度愈高， 發(fā)電量愈大是一種誤解。

　　第四， 當(dāng)AQC 爐停止操作時(shí)， 除掉二、三次風(fēng)剩余風(fēng)全部由排風(fēng)機(jī)排出， 此時(shí)排風(fēng)機(jī)風(fēng)量及溫度見(jiàn)表6。

　　第五， 煤磨放在窯尾還是窯頭， 有不同的爭(zhēng)論和觀點(diǎn)。德國(guó)許多公司認(rèn)為， 從安全考慮， 放在窯尾， 烘干廢氣的含氧量( 體積分?jǐn)?shù)) 只有3%～5%，比窯頭抽取烘干廢氣中的低得多。另從余熱發(fā)電出發(fā)， 放在窯尾對(duì)窯頭AQC 爐發(fā)電也有利。如果煤磨放在窯頭且采用球磨， 則所需烘干廢氣量( 標(biāo)況) 約0.12～0.15m3/kg ; 若煤磨用立磨， 則所需烘干廢氣量( 標(biāo)況) 約0.25～0.3m3/kg。顯然， 這將減少入AQC 爐的熱量， 約降低發(fā)電量3.5 kWh/t，即約平均減少20%的發(fā)電量。

　　第六， 采用低溫余熱發(fā)電方案后， 窯尾高溫風(fēng)機(jī)及冷卻機(jī)排風(fēng)機(jī)風(fēng)壓要各增加阻力1000Pa。

　　5 結(jié)論

　　(1) 規(guī)模相同， 預(yù)熱器級(jí)數(shù)相同的干法窯外分解水泥窯， 因采用生料磨形式不同， 原料水分各異， 所需要熱源溫度有很大差別。生料制成所需熱源溫度愈高， 噸熟料發(fā)電量愈少。因此， 單從噸熟料發(fā)電量指標(biāo)比較方案的優(yōu)劣， 是不能完整、不全面的。對(duì)立磨、輥壓機(jī)終粉磨方案， 需要大風(fēng)量( 標(biāo)況風(fēng)量1～1.3m3/kg) ， 一般5%水分需要250 ℃的烘干熱風(fēng); 相同水分如采用中卸磨， 則所需標(biāo)況風(fēng)量降為0.65m3/kg， 但風(fēng)溫要求>300 ℃， 如強(qiáng)制用250 ℃氣體， 則會(huì)影響磨機(jī)產(chǎn)量且增加磨機(jī)系統(tǒng)電耗45%。

　　(2) 預(yù)熱器級(jí)數(shù)愈少， 廢氣量愈多， 氣體溫度愈高， SP 爐及AQC 爐總的發(fā)電量愈多， 燒成熱耗愈大。但從綜合能源利用率角度出發(fā)， 采用立磨或終粉磨且當(dāng)原料水分<6%時(shí)， 六級(jí)預(yù)熱器要比五級(jí)、四級(jí)預(yù)熱器節(jié)能顯著。那種用減少級(jí)數(shù)來(lái)增加發(fā)電量或改變?cè)性O(shè)備及工藝流程的方法， 是違背余熱發(fā)電基本原則的。

　　(3) 煤磨位置宜放在窯尾， 特別當(dāng)生料磨采用球磨時(shí)， 可利用烘干生料磨多余的廢氣。另煤磨放在窯尾更有利于窯頭冷卻機(jī)抽風(fēng)口開(kāi)洞， 減少氣流干擾。

　　(4) 熱量相同時(shí)， 高溫氣體值大于低溫氣體的， 因此， AQC 爐抽風(fēng)處要盡量靠近高溫區(qū)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 李小莉，劉東萊. 燒成系統(tǒng)廢氣處理工藝計(jì)算及配置[J] .水泥工程， 2007 ( 3) : 14.

　　[2] 唐金泉.PC 窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)評(píng)價(jià)方法的探討[J] .水泥工程， 2007 ( 3)