新型干法水泥窯低溫廢氣余熱最大發(fā)電能力的討論

1、新型干法水泥窯低溫廢氣余熱最大發(fā)電能力的討論大連易世達新能源發(fā)展股份有限公司 唐金泉1 的導入及其概念1.1.概念的導入 “熱量”有兩個方面的概念：一是“量”的概念，通常我們所講的“熱量”一般都是僅指量的概念；另一個是“質(zhì)”的概念（這從熱能動力轉(zhuǎn)換角度來講是最重要的概念），它是與溫度聯(lián)系在一起的，它可以描述為：某一數(shù)量的熱量，在不同溫度下理論上可以轉(zhuǎn)換為最大“有用功”的能力，這個“有用功”通常定義為 “”。在火力發(fā)電領域，這個 “有用功”或者“”也可以稱為發(fā)電能力。熱量的“質(zhì)”或稱“”的概念，說明了：對于相同的熱量，如果溫度不同，其發(fā)電能力是有極大差別的，是研究熱能動力轉(zhuǎn)換的基礎理論之一，舉例

2、如下。1kg/h1000的熱水,其所含熱量為1kg/h10001kcal/(kg.)=1000kcal/h。這個1000kcal/h1000熱量值，在理論上轉(zhuǎn)化為最大電能的能力為：N=1-273K/(1000273K)1000kcal/h4.1868kJ/kcal3600s=0.9135kW。這里1000kcal/h 就是熱量，而0.9135kW就是1000kcal/h 熱量在1000時的質(zhì)量即。這個1000kCal/h1000的熱量，理論上的熱電轉(zhuǎn)換效率為0.9135kW860kcal/kWh1000kCal/h=78.56%。對于10kg/h100的熱水,其含有的熱量同樣為10kg/h10

3、01kcal/(kg.)=1000kcal/h，但這個1000kcal/h100熱量，理論上轉(zhuǎn)化為最大電能的能力則為:N=1-273K/(100273K)1000 kcal/h4.1868 kJ/kcal3600s=0.3118kW。這個1000kcal/h100的熱量，理論上的熱電轉(zhuǎn)換效率僅為0.3118kW860 kcal/kWh1000 kcal/h =26.8%。因此，同樣是1000kcal/h 的熱量，但由于其溫度不同，前者為1000、后者為100，其發(fā)電能力就相差很大，前者為0.9135kW，而后者只有0.3118kW；其熱電轉(zhuǎn)換效率前者為78.56%，而后者只有26.8%。如果不

4、用1000kcal/h1000的熱量來直接發(fā)電而是經(jīng)過一個換熱過程后將其變成1000kcal/h100的熱量（類似于水泥窯330360左右的廢氣經(jīng)鍋爐換熱后變成了300左右的水蒸氣），再用1000kcal/h100的熱量來發(fā)電（類似于水泥窯廢氣再由300左右的水蒸氣發(fā)電），那么：本來如果由1000kcal/h1000的熱量直接發(fā)電時最高可發(fā)電0.9135kW，但經(jīng)過換熱后由1000kcal/h100的熱量來發(fā)電時最高發(fā)電只能為0.3118kW了。也就是說：這個換熱過程由于有1000100=900換熱溫差的存在，造成了0.9135kW0.3118KkW=0.6017kW發(fā)電能力的損失。這個過程說

5、明：只要有換熱溫差存在，就有發(fā)電能力的損失；在研究熱能動力轉(zhuǎn)換過程中，前述0.6017kW發(fā)電能力的損失稱為由于換熱溫差形成的固有損失，其與0.9135kW的比值0.6017kW/0.9135kW=65.9%稱為固有損失率。顯然，換熱過程中的換熱溫差越大，發(fā)電能力損失或固有損失越大。1.2 的概念自然界中的能有熱能、機械能、風能、電能、水能、化學能等多種形式，它們的最終目的都是要轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉?。因此，就是對某一狀態(tài)的能在可逆條件下過渡到環(huán)境狀態(tài)時能夠最大限度地轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉茨苜|(zhì)這一共性的量度。電能是質(zhì)量最高的能，從熱力學角度,認為電能可以100%的轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉?因此發(fā)電功率也就可以認為是。對于某

6、種工藝過程的廢氣余熱，其的計算方法如下：圖1是廢氣在某一設備中進行可逆穩(wěn)定的流動過程。即廢氣以狀態(tài)1流入該設備，以狀態(tài)2流出該設備；有另一個熱源T將熱量dq流入該設備，以有用功Ws流出該設備這個過程一般可稱為熱能動力轉(zhuǎn)換過程。根據(jù)能量守恒定律，則流入設備和流出設備的能量是相等的，當忽略進口處和出口處廢氣的動能和位能差，則建立的能量方程（1）和熵方程（2）分別如下。圖1 可逆穩(wěn)定流動過程的能量及熵平衡圖能量方程：h1+dq=h2+Ws (1)熵方程：s1+(dq/T)=s2 (2)設環(huán)境溫度為T0并以T0乘方程（2）后與方程（1）相減可得：h1-T0s1-( T0T)dq+ dq=h2-T0s2

7、+Ws即Ws=(h1-h2)-T0 (s1-s2) -( T0T)dq+ dq (3)設廢氣余熱沒有外來熱源T存在（如水泥窯純低溫廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)），則( ToT) dq= dq=0，則有：Ws=(h1-h2)-T0 (s1-s2) (4)再令流出設備的狀態(tài)2等于環(huán)境狀態(tài)0，那么式（4）變?yōu)椋篧s=(h1-h0)-T0 (s1-s0) (5)由于過程是可逆的，因此其Ws即是廢氣熱量在狀態(tài)1下變化到環(huán)境狀態(tài)時對環(huán)境所做的最大有用功，即狀態(tài)1的廢氣：1=Ws=(h1-h0)-To(s1-s0) 根據(jù)定壓過程焓及熵的定義式有：1=(Cpt1t1- Cpt0t0)-ToCpt1ln(T1273)-Cp

8、t0ln(T0273)上式中廢氣定壓比熱Cpt1 和Cpt0在低溫廢氣余熱發(fā)電能力分析所涉及的溫度范圍內(nèi)其數(shù)值相差較小，同時環(huán)境溫度t0接近于0或273K，因此上式可近似寫成：1Cpt1t1.-T0Cpt1ln(T1T0) (6)式中：t1是指流入設備的廢氣攝氏溫度，。Cpt1是指溫度為t1時的廢氣之定壓比熱，kJ/（kg）或kJ/m3（標）；T0為環(huán)境絕對溫度，K；T1是指流入系統(tǒng)的廢氣絕對溫度，K；式（6）即是：任何一種工藝過程的廢氣余熱理論上轉(zhuǎn)換為電能的極限能力，而這個能力是純理論的，是與發(fā)電系統(tǒng)采用水、水蒸氣、有機物、木頭、石頭等無關的，也是與采用何種熱能動力循環(huán)方式無關的。2 新型干

9、法水泥窯低溫廢氣余熱最大發(fā)電能力2.1 新型干法水泥窯低溫廢氣余熱理論極限發(fā)電能力Ne任何一種熱能動力轉(zhuǎn)換過程都是有做功能力損失的，而利用上述的概念同時不考慮做功能力損失所確定出的做功能力稱為為理論極限發(fā)電能力。對于熟料實際產(chǎn)量為5500 t/d、窯尾預熱器出口廢氣參數(shù)為369000Nm3/h330、窯尾烘干廢氣溫度為210、窯頭冷卻機出口總廢氣參數(shù)為302600Nm3/h290的水泥窯，當僅利用窯尾預熱器、窯頭冷卻機廢氣余熱發(fā)電時，其廢氣余熱的理論極限發(fā)電能力計算如下(設環(huán)境溫度T0=298K25)。 窯尾預熱器廢氣余熱理論極限發(fā)電能力窯尾預熱器出口廢氣（即理論極限發(fā)電能力）Nsp1：Nsp

10、1=369000Nm3/h(1/3600s)0.3523kcal/(Nm3)330298K0.3523kcal/(Nm3K) ln(330+273)K/298K)4.1868kJ/kcal=18135.8kW窯尾預熱器余熱鍋爐出口廢氣（即理論極限發(fā)電能力）Nsp2：Nsp2=369000Nm3/h(1/3600s)0.3444kcal/(Nm3)210298K0.3444kcal/(Nm3K) ln(210+273)K/298K)4.1868 kJ/kcal =9763kW窯尾預熱器廢氣余熱的理論極限發(fā)電能力Nsp：Nsp=Nsp1-Nsp2=18135.8kW-9763kW=8372.8kW

11、 窯頭冷卻機廢氣余熱理論極限發(fā)電能力冷卻機出口廢氣（即理論極限發(fā)電能力）Naqc1：Naqc1=302600Nm3/h(1/3600s)0.3145kcal/(Nm3)290298K0.3145kcal/(Nm3K) ln(290+273)K/298K)4.1868kJ/kcal=11113.8kW窯頭冷卻機余熱鍋爐出口廢氣（即理論極限發(fā)電能力）Naqc2：Naqc2=302600Nm3/h(1/3600s)0.3103kcal/(Nm3)85298K0.3103kcal/(Nm3K) ln(85+273)K/298K)4.1868 kJ/kcal =3311.6kW窯頭冷卻機廢氣余熱理論極限

12、發(fā)電能力Naqc：Naqc=Naqc1-Naqc2=11113.8kW-3311.6kW=7802.2kW 水泥窯廢氣余熱理論極限發(fā)電能力NeNe=Nsp+Naqc=8372.8kW+7802.2kW=16175kW(折全成噸熟料余熱發(fā)電量為70.58kWh/t)。2.2 新型干法水泥窯低溫廢氣余熱最大發(fā)電能力Nmax 損失及效率（1）固有損失和固有損失率概念。2.1計算的水泥窯廢氣余熱理論極限發(fā)電能力，沒有考慮實際工程中由于各種換熱設備內(nèi)有換熱溫差存在而產(chǎn)生的(即發(fā)電能力下同)損失，也沒有考慮汽輪機動力轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的內(nèi)部蒸汽膨脹損失等。這二種損失統(tǒng)稱為固有損失，其與理論極限發(fā)電能力之比稱為

13、固有損失率。固有損失是不能夠通過技術手段避免的，也即無論采用何種熱能動力循環(huán)方式、也無論采用何種循環(huán)工質(zhì)，或采取其它任何技術措施，這個損失都是存在而且不會減少的。（2）技術損失和技術損失率概念。同樣2.1計算中也沒有考慮到汽輪機動力轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的散熱、內(nèi)部漏汽、機械、自用動力損失，以及系統(tǒng)內(nèi)鍋爐、廢氣及汽水管道散熱、漏廢氣、漏汽等損失和發(fā)電機損失等。這些損失統(tǒng)稱為技術損失，其與理論極限發(fā)電能力之比稱為技術損失率。技術損失是可以通過采取技術手段盡量降低的，如:改變熱能動力循環(huán)方式、改變循環(huán)工質(zhì)，或采取加強保溫、減少漏汽和漏氣、減少自用動力、減少壓力損失等具體技術措施。（3）總固有損失Ng及固有

14、損失率g。對于熱源溫度較低的熱力發(fā)電系統(tǒng)(如水泥窯純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng))，由于各換熱設備(包括鍋爐)換熱溫差較小，系統(tǒng)的固有損失相對較小。經(jīng)嚴格計算，在鍋爐內(nèi)換熱溫差窄點不小于15的情況下，系統(tǒng)總的固有損失Ng不小于理論極限發(fā)電能力Ne的25%，即固有損失率g為不低于25%。對于燃燒燃料的火力發(fā)電廠，由于鍋爐換熱溫差很大，系統(tǒng)總的固有損失要占到42%以上，也即固有損失率g為不低于42%。對于中空窯850高溫廢氣余熱發(fā)電要占到36%以上，相應的固有損失率g為不低于36%。（4）總技術損失Nj及技術損失率j。根據(jù)電站系統(tǒng)的實際配置，系統(tǒng)總技術損失Nj一般為理論極限發(fā)電能力Ne的10%以上，也即技術損

15、失率j為不低于10%。（5）總損失N及效率。對于熱能動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，總的損失為：N = Ng+Nj，而效率也即理論極限發(fā)電能力Ne中能夠?qū)嶋H轉(zhuǎn)換為電能的比例=1-（g+j）= (Ne-N)/ Ne。對于水泥窯純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，總損失N不低于理論極限發(fā)電能力Ne的35%，也即效率為不超過65%；燃燒燃料的火力發(fā)電廠，總損失N不低于理論極限發(fā)電能力的52%，即效率為不超過48% (即總損失N過高是燃燒燃料的火力發(fā)電廠,盡管已采用超超臨界參數(shù),而其熱效率仍不能超過48%的原因所至)；中空窯850高溫廢氣余熱發(fā)電，總損失N不低于理論極限發(fā)電能力的46%，效率為不超過54%。 水泥窯純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)理

16、論最大發(fā)電能力Nmax在水泥窯純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中僅考慮固有損失時的發(fā)電能力稱為理論最大發(fā)電能力Nmax。之所以僅考慮固有損失，是因為：前述的水泥窯純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)固有損失率25%是以鍋爐內(nèi)可能的最小換熱溫差15為基礎的，是與實際工程采用的熱能動力循環(huán)方式及工質(zhì)無關的。綜合上述分析，對于前述的實際熟料產(chǎn)量為5500t/d的水泥窯，其廢氣余熱理論最大發(fā)電能力為Nmax=NeNeg =16175kW 16175kW25%=12131kW，或者說: 對于帶有5級或5級以上預熱器的新型干法水泥窯，當僅利用窯頭窯尾廢氣余熱且在滿足水泥生產(chǎn)原燃料烘干的條件下，噸熟料余熱理論最大發(fā)電能力為不超過53kWh

17、/t。 水泥窯純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)實際最大發(fā)電能力N前述的理論最大發(fā)電能力沒有考慮技術損失造成的發(fā)電能力損失，但在實際工程中，如前所述，技術損失是不可能不存在的，只是由于采取的熱能動力循環(huán)方式、工質(zhì)及工程具體技術措施不同而有損失多少不同之差。因此，既考慮固有損失又考慮技術損失的發(fā)電能力稱為實際最大發(fā)電能力N。仍以前述的實際熟料產(chǎn)量為5500t/d的水泥窯為例，廢氣余熱最大發(fā)電能力N=NeNe(g +j)=16175kW 16175kW(25%+10%)=10513kW，或者說: 對于帶有5級或5級以上預熱器的新型干法水泥窯，余熱發(fā)電系統(tǒng)就以水及水蒸氣為工質(zhì)并采用目前通常采用的以郎肯循環(huán)為基礎發(fā)展

18、而來的低溫廢氣余熱發(fā)電循環(huán)方式，在僅利用窯尾預熱器及窯頭熟料冷卻機排出的廢氣并滿足水泥生產(chǎn)原燃料烘干的條件下，噸熟料余熱最大發(fā)電能力為不超過46kWh/t。3 我國新型干法水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術目前的實際水平3.1 第一代水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術的實際水平對于第一代余熱發(fā)電技術，只利用了水泥窯窯尾預熱器及窯頭熟料冷卻機排出的廢氣中的部分余熱，在具體技術細節(jié)上也同時還存在如下問題： (1)由于采用0.6891.27MPa280330低壓低溫主蒸汽參數(shù)，鍋爐內(nèi)水及水蒸氣的飽和溫度(水變成蒸汽的溫度)只有170198，使鍋爐內(nèi)的廢氣與水及水蒸氣的平均換熱溫差增大，即循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)總固有損失Ng增大

19、。因此當窯尾預熱器廢氣溫度為320330時，目前實際發(fā)電量只達到了2233kWh/t,不能達到實際設計計算指標2835KWh/t的發(fā)電量。(2)由于汽輪機主蒸汽溫度不能調(diào)整，使主蒸汽溫度波動范圍遠遠超出保證汽輪機壽命所允許的波動范圍，因此汽輪機壽命(主要是葉片壽命)受到影響。(3)由于汽輪機采用低壓低溫主蒸汽參數(shù)，使汽輪機不具備采用滑參數(shù)（滑參數(shù)是指：在保證汽輪機壽命和效率的前提下，汽輪機進汽壓力和溫度允許有很大的變化范圍，這一點，對水泥窯純低溫余熱電站的運行非常重要）運行的條件（如:當設計采用主蒸汽壓力和溫度為0.689MPa-317時，實際運行變化范圍只能達到0.490.78MPa、292

20、330），保證汽輪機效率和壽命的允許主蒸汽參數(shù)運行變化的范圍很小，這樣發(fā)電系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)率、可靠性、汽輪機效率和壽命、對水泥窯生產(chǎn)波動的適應性等都不理想的。(4)由于熱力系統(tǒng)配置的原因，第一代余熱發(fā)電電站在實際運行中，一方面窯頭熟料冷卻機約130以下廢氣余熱沒有得到私分利用，另一方面鍋爐給水除氧又不得不采用真空或者化學加藥除氧方式。這樣，不但難以保證鍋爐給水品質(zhì)連續(xù)穩(wěn)定滿足鍋爐運行要求，又加大了電站運行成本。（5）由于熱力系統(tǒng)配置的原因，窯頭余熱鍋爐、窯尾余熱鍋爐給水系統(tǒng)不得不采用混合給水系統(tǒng)，使兩臺鍋爐的運行互相影響，造成電站運行不穩(wěn)定同時難以適應水泥生產(chǎn)的工況波動。（6）窯尾余熱鍋爐出口廢氣溫

21、度不可調(diào)整，不適應水泥生產(chǎn)原燃料烘干所需廢氣溫度的變化(原燃料水分高時，烘干需要的廢氣溫度高；原燃料水分低時，烘干需要的廢氣溫度低；當原燃料生產(chǎn)系統(tǒng)停運時則不需要烘干廢氣)，使廢氣余熱不能最大限度地轉(zhuǎn)化為電能。(7)由于窯尾余熱鍋爐給水來自于窯頭冷卻機鍋爐，同時一般情況下窯尾余熱鍋爐蒸汽溫度又不能滿足汽輪機運行要求，因此當點窯、窯尾臨時止料或窯頭鍋爐故障時電站不能投入運行，從而影響電站相對于水泥窯的運轉(zhuǎn)率。(8)由于電站設計或總承包單位設計經(jīng)驗(或是有意的行為)的原因，在余熱鍋爐受熱面配置(鍋爐重量)、管道配置、保溫結(jié)構(gòu)及選材等方面不能滿足電站的實際要求，使電站實際發(fā)電能力達不到應該達到的設計

22、計算指標，同時也使電站的運轉(zhuǎn)率、設備使用壽命達不到應該達到的指標。由于有上述問題的存在，類比新型干法水泥窯技術水平，目前我國第一代水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術相當于上個世紀80年代末、90年代初新型干法水泥窯的技術水平。3.2 第二代水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術的實際水平第二代余熱發(fā)電技術也仍然只利用了水泥窯窯尾預熱器及窯頭熟料冷卻機排出的廢氣中的部分余熱，在具體技術細節(jié)上雖然解決了第一代余熱發(fā)電技術存在的絕大部分問題，但由于技術水平的限制也還同時存在著以下問題。(1)窯筒體余熱、窯頭熟料冷卻機廢氣經(jīng)收塵器排出的廢氣余熱還沒有回收利用。(2)雖然采用1.572.45MPa340390次中壓中溫主蒸汽參

23、數(shù)使鍋爐內(nèi)水及水蒸氣的飽和溫度提高至210225，相應地使鍋爐內(nèi)的廢氣與水及水蒸氣的平均換熱溫差減小，循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)總固有損失Ng減小，實際設計計算指標提高到：當窯尾預熱器廢氣溫度為320330時噸熟料發(fā)電量為3842kWh/t，但由于仍然沒有使總固有損失Ng減小到接近理論極限發(fā)電能力的25%，因此其實際設計計算指標也沒有達到實際應該達到的實際最大發(fā)電能力：噸熟料發(fā)電量46kWh/t。(3) 由于窯尾余熱鍋爐主蒸汽需至窯頭冷卻機過熱器過熱，同時窯尾余熱鍋爐蒸汽溫度不能滿足汽輪機運行要求，因此當點窯、或窯頭冷卻機過熱器故障時電站不能投入運行，也影響電站相對于水泥窯的運轉(zhuǎn)率。由于有上述問題的存在，

24、目前我國第二代水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術相當于本世紀初新型干法水泥窯的技術水平。4 實現(xiàn)水泥熟料生產(chǎn)電能零消耗的途徑實現(xiàn)生產(chǎn)水泥熟料只消耗750 kcal/kg的燃料而不消耗電能的目標，或?qū)崿F(xiàn)水泥窯噸熟料余熱發(fā)電量達到58kWh/t的途徑，筆者認為只有如下幾個途徑：(1)在水泥行業(yè)進一步開發(fā)、推廣、應用節(jié)電技術，使噸熟料生產(chǎn)電力消耗由目前的58kWh/t左右降到55KWh/t以下；(2)研究、開發(fā)生料烘干工藝和設備，使生料烘干廢氣溫度能夠從目前的200210左右降至160170（這項技術理論上可以使噸熟料余熱發(fā)電量提高45kWh/t）；(3)研究、開發(fā)回收窯頭冷卻機收塵器排出的100左右廢氣余熱并用于發(fā)電的技術和裝備，這項技術理論上可以使噸熟料余熱發(fā)電量提高23kWh/t；(4)研究、開發(fā)回收窯筒體余熱并用于發(fā)電的技術和裝備,這項技術理論上可以使噸熟料余熱發(fā)電量提高34kWh/t；(5) 研究、開發(fā)能夠使AQC鍋爐、SP鍋爐各自獨立運行的措施，以提高電站相對于水泥窯的運轉(zhuǎn)率；(6)嘗試研究、