琉璃河水泥厂2500t生产线余热发电热工标定

琉璃河水泥厂2500t/d新型干法窑余热发电项目热工检测-中国水泥技术网2010-4-13　作者: 陆震洁 李昌勇，邢国梁，王洛阳：南京工业大学材料科学与学院   摘要：对琉璃河水泥厂2500t/d新型干法水泥生产线余热发电前后进行了两次热工检测。从实际测定和理论上客观的分析了余热发电建设对水泥生产的影响，这为新型干法水泥生产线如何在保证熟料烧成系统稳定运行的情况下，充分利用烧成系统产生的废气余热来进行余热发电提供了很好的借鉴和技术依据。 关键词：新型干法  热工检测  余热发电 前言 水泥工业是传统的高能耗行业，就目前国内最先进的生产线工艺，仍有大量的350℃以下的废气被直接排出，其浪费的热量达到了系统总热量的30%左右【1】。随着能源资源的日益紧张，煤电价格的不断上涨，水泥成本不断增加。因此充分利用水泥烧成系统的废气余热，进行低温余热发电对水泥工业的发展具有重要意义。随着低温余热发电技术的日益成熟及其技术经济的可行性，已经有越来越多的水泥生产线建设了或正在建余热发电项目。本文主要通过琉璃河水泥厂2500t/d新型干法窑余热发电项目前后的两次热工检测，对余热锅炉及烧成系统之间相互间的影响进行了探讨，为充分利用烧成系统产生的废气余热来进行余热发电提供了很好的借鉴和技术依据。 纯低温余热系统配置情况 本项目利用水泥窑窑头熟料冷却机、窑尾预热器的废气余热进行发电。为充分利用窑头熟料冷却机和窑尾预热器的余热，设置了独立的ASH型过热锅炉、AQC型窑头余热锅炉及SP型窑尾余热锅炉。各设备布置如下： 为提高窑头锅炉饱和蒸汽品质和产量从冷却机中部抽出400℃左右的烟气管道引入AQC 锅炉。原余风管路系统可做为锅炉的旁通烟道，当锅炉故障或水泥生产不正常时可关闭去AQC锅炉的阀门，气流可不经锅炉而由此旁路系统直接排至窑头收尘器。在冷却机原余风管路上、新设的去锅炉管路上和出锅炉管路上均增设电动阀门，以实现对气流的调节和切换。，窑尾SP锅炉采用立式锅炉，将窑尾SP炉布置在窑尾预热器后的高温风机之上。ASH过热锅炉设置在三次风管主路上，并设置旁路烟道，可通过调节旁路三次风流量来调节锅炉负荷，并避免锅炉系统与水泥生产系统发生故障时相互影响。 ASH型过热锅炉的作用【2】是将AQC型窑头余热锅炉及SP型窑尾余热锅炉产生的饱和蒸汽利用少量高温三次风过热为温度达到400℃，压力为1.9MPa左右的过热蒸汽以供汽轮机发电使用。 本项目AQC锅炉与SP锅炉的作用是利用蒸发受热面来回收进入锅炉的中高温烟气产生饱和蒸汽，饱和蒸汽压力达到2.0MPa以上，温度可提高到210℃左右，一般换热温差窄点为20℃左右，这样就使在230℃以上的烟气全部用来生产饱和蒸汽。 系统热工标定主要参数对比汇总 表1熟料产量及煤耗 熟料产量kg/h 生料喂料量kg/h 入窑煤粉kg/h 入炉煤粉kg/h 116250（前） 117375（后） 197862（前） 197411（后） 6955.5（前） 6108.2（后） 10226.7（前） 12152.5（后）                                 表2入窑煤粉工业分析 成 份 % 煤粉热值QyDW (kJ/kg) Mav Vad Aad Fc 入窑煤粉 23595.0（前） 22342.9（后） 3.45（前） 3.45（后） 28.59（前） 26.06（后） 14.83（前） 21.03（后） 53.13（前） 49.46（后）                                             表3废气成分分析测定结果 成份% 测点 CO2 O2 CO N2 α 五级筒出口 34.3 34.55 1.58 1.23 0.10 0.23 64.02 64 1.099 1.070                                             表4气体量及含尘量测定结果（前） 成份% 测点 气 体 量 温 度 压 力 含尘浓度 α Nm3/h m3/h Nm3/kg-cl ℃ Pa g/Nm3 预热器出口 182968 453922 1.5739 361 -6450 122.32 1.326 冷却机余风 146735 303533 1.2622 285 -1181 5.667                 表5气体量及含尘量测定结果（后） 成份% 测点 气 体 量 温 度 压 力 含尘浓度 α Nm3/h m3/h Nm3/kg-cl ℃ Pa g/Nm3 预热器出口 180068 446536 1.5341 363 -6110 122.32 1.297 冷却机余风 79038 232775 0.6734 529 -228 6.38                 表6主要部位气体量、温度及压力 取样点 气体量 温度 压力 103Nm3/h 103m3/h ℃ Pa 入炉三次风 54.364 51.830 229.208 166.619 865 650 -1120 -1120 入炉一次风 5.400 4.830 5.695 5.305 14 25 -300 -600 入窑二次风 1030 902 入冷却机空气量 254.280 211.841 254.72409 222.7596 0.4 14 出冷却机三次风 53.990 224.351 856 -460 出过热锅炉三次风 33.051 70.422 485 -616 入煤磨热风 6.949 19.404 485 -549                                         表7窑尾系统各部位温度、压力 项目 预热器 分解炉出口 窑尾 C1 C2 C3 C4 C5 出口气体温度℃ 368（前） 365（后） 563（前） 580（后） 689（前） 698（后） 801（前） 807（后） 868（前） 862（后） 87 6前 878 后 1023 前 991 后 出口负压Pa 5980 5940 4780 4630 4120 4120 3065 2880 1910 1642 930 910 150 160 表观分解率（%） 7.29 7.92 15.89 18.59 95.84 95.78 91.86 91.94                               表8系统热量平衡表中主要支出热量 主要支出热 余热发电前（kJ/kg） 余热发电后（kJ/kg） 熟料形成热 1742.70 1757.70 预热器出口废气显热 854.86 833.42 冷却机余风显热 473.99 479.53 系统表面散热 391.60 444.60 出冷却机熟料显热 53.59 70.14 系统热耗 3516.74 3585.39       余热发电系统对烧成系统的影响 通过对余热发电前后两次检测，分析了余热发电系统对烧成系统的影响。分析结果如下： 1．  熟料产量分析 从前后两次热工检测结果来看，该系统的熟料产量都已经超过产量指标10％以上，分别达到2790t/d、2817t/d。从中可以看出增加余热发电系统后，熟料产量不但没有受到影响，而且略微有所提高。 2．  系统热耗分析 从两次检测结果可以看出，燃料热耗虽然略有下降，从3487.4kJ/kg-cl变为3476.0 kJ/kg-cl，但系统支出热耗还是增加了，从3516.74kJ/kg-cl增加到3585.39kJ/kg-cl。对于带五级旋风预热器的2500t/d新型干法窑来说系统热耗明显偏高。热耗偏高的主要原因有： （1）出预热器废气带走热损失较高，两次检测，预热器一级筒出口温度都高达360℃以上，与较好的五级预热器窑低于300℃的水平比较，差距明显。预热器废气热耗分别达到854.86 kJ/kg-cl、833.42 kJ/kg-cl。一般来讲，当熟料热耗增加7～8kcal/kg，吨熟料发电量相应增加1Kwh，即窑系统多消耗1～1.12 kg标准煤（此热耗指标明显高于大型燃煤电站）【3】。因此虽然废气温度高，预热器废气热量高有利于余热发电，但从节能方面，能源的利用率上来考虑的话，最好还是能使一级筒废气出口温度降低到320℃左右的正常水平。 （2）预热器，尤其是一级筒分离效果不理想。两次检测过程中，预热器出口飞灰量分别高达196g/kg-cl、188.7g/kg-cl，飞灰不仅增加了出飞灰热损失，而且会吸附在余热锅炉换热面上，影响换热。 （3）从三次风取一部分风用于过热锅炉来增加发电，从而降低了入分解炉的三次风温，也是热耗高的一个原因。 3．冷却机系统分析评述 冷却机熟料冷却效果良好，两次检测过程中，出冷却机熟料平均温度仅有69.5℃和90.2℃，但热回收效率还不是很理想。尤其是增加窑头余热锅炉后，把冷却机余风出风口提前到了冷却机中部偏后位置后，虽然提高了余风温度和余风热量，但使二次风温和三次风温只有902℃和856℃，和正常水平有着明显的差距，这也是导致热耗偏高的一个原因。另外增加余热发电后，冷却机的用风量为1.8048 Nm3/kg-cl，余风排放量为0.6734 Nm3/kg-cl，与国内部分篦冷机比较以及表3中空气过剩系数来看，冷却机的用风量有些偏小。 3．TSD分解炉分析 作为新型干法窑系统的核心设备，分解炉功能发挥的优劣对于预分解窑的各项性能指标均有直接影响。该生产线分解炉原来是考虑采用无烟煤作燃料的，因而体积很大，容积（包括鹅颈管）达到1045m3，气体平均停留时间超过6s，从两次检测结果来看，出炉的煤粉燃烬度分别达到84.6%和86.8%，这为系统长期稳定生产奠定了最重要的基础。生料入窑的表观分解率也都达到了95%左右，分解炉的功能发挥情况比较合理。不过第一次热工检测时，该分解炉的旋流预燃室功能发挥得不是很理想，观察发现火焰忽明忽暗，稳定性很差。后来第二次时，旋流预燃室的燃烧情况得到了明显改善，这也是增加余热发电后烧成热耗反而有所下降的一个原因。 4．窑系统的预热器分析 作为五级预分解窑而言，该生产线出预热器的废气温度明显过高，但各级温降规律基本正常（见表7）。从表3可以看出，空气过剩系数很底，说明用风量有些不足，另外窑尾系统用煤量有些偏大，分解炉未燃尽煤粉在C4、C5继续燃烧【4]，因此导致了预热器系统整体温度偏高，影响了系统的能耗指标。 从预热器系统的各部位风速看，各级预分解系统的出口风速很低，但各级旋风筒进口风速比较高，除C1外，基本都在20m/s左右。高进口风速造成了相对比较高的系统压降。这是系统C1出口废气管负压达到6110Pa的基本原因。而高进口风速对分离效果也会产生负面影响，故C1分离效率不够理想，也与进口风速偏高有直接关系。 5．高温风机运行分析 该系统在高温风机设计选型时已经考虑了采用余热发电设备，所选高温风机的全压达到9100Pa，风量48万m3/h。但从风机电流看，余热发电前高温风机的电流已经达到额定电流90~95%，虽然增加余热发电后，通过调整操作，窑尾负压有所下降，但是从表5空气过剩系数很底可以看出窑尾的用风量不足，如果把用风量调整到正常水平的话，窑尾负压还会增大，再加上增加窑尾余热锅炉所增加的负压，风压将接近全压，风机已经没有富余能力。 纯低温余热发电系统运行评价 1、余热发电锅炉系统主要参数如表： 表 10余热发电锅炉系统热工测试主要数据表 气体温度（℃） 负压（Pa） 工况风量（m3/h） 标况风量（Nm3/h） 窑尾废气 363 6110 394099.4 180068 出SP锅炉废气 223 7740 323395.8 192771 入AQC锅炉 529 228 228931.3 79038 出AQC锅炉 89.3 1619 116378.5 90198.42 入过热锅炉 856 210 125975.2 30890 出过热锅炉 485 616 90127.8 33051           表 11各余热发电锅炉散热损失 kJ/h kJ/kg-cl 窑尾SP锅炉 603750 5.14 窑头AQC锅炉 803360 6.84 三次风管过热锅炉 912000 7.77       2、余热锅炉热平衡计算 2．1窑尾SP锅炉热平衡计算 ㈠ 入SP锅炉窑尾废气显热 Qf =  833.44 kJ/kg-cl ㈡ 入SP锅炉窑尾废气飞灰显热 Qf h=  63.73 kJ/kg-cl ㈢ 出SP锅炉废气显热 Qf SPO= Vf SPO×Cf SPO×Tf SPO = 192771/117375×1.4606×223=534.94 kJ/kg-cl ㈣ 出SP锅炉飞灰显热（假定沉落的飞灰与锅炉出口飞灰温度相同） Qf hSPO= MhSPO/Msh×C hSPO×T hSPO = 0.1877×0.8835×223 =36.98 kJ/kg-cl ㈤ SP锅炉漏风显热 VlokSP= mr×(αSPO-αf)×Vlk = 0.1556×(1.386-1.292)×5.8966  =0.0860 Nm3/kg-cl QlokSP= VlokSP×ClokSPO×T lokSPO = 0.0860×1.2957×17 = 1.89 kJ/kg-cl ㈥ SP锅炉散热损失 QSSP= 5.14 kj/kg-cl ㈦ SP锅炉用于余热发电的热量 QSPf= Qf ＋Qf h ＋QlokSP－Qf SPO－ Qf hSPO －QSSP = 322.00 kJ/kg-cl 表12窑尾SP锅炉热平衡计算结果 kJ/kg-cl kJ/h 入SP锅炉窑尾废气显热 833.44 97824786 入SP锅炉窑尾废气飞灰显热 63.73 7480309 漏入空气显热 1.89 222248 出SP锅炉废气显热 534.94 62788175 出SP锅炉飞灰显热 36.98 4340528 SP锅炉散热损失 5.14 603750 用于余热发电的热量 322.00 37794890       2.2 窑头AQC锅炉热平衡计算 ㈠ 入AQC锅炉窑尾废气显热 Qlpk =  479.53 kJ/kg-cl ㈡ 入AQC锅炉窑尾废气飞灰显热 Qlpkh= 2.05 kJ/kg-cl ㈢ 出AQC锅炉废气显热 QlpkAQCO= VlpkAQCO×CfAQCO×TfAQCO =  90198/117375×1.3004×89.3 = 89.24 kJ/kg-cl ㈣ 出AQC锅炉飞灰显热（假定沉落的飞灰与锅炉出口飞灰温度相同） Qlpk hAQCO= MlpkhAQCO/Msh×C lpkhAQCO×T lpkhAQCO = 0.0043×0.7774×89.3 =0.30 kJ/kg-cl ㈤ AQC锅炉漏风显热 QlokAQC = VlokAQC×ClokAQCO×T lokAQCO = 11160/117375×1.2957×17 = 2.09kJ/kg-cl ㈥ AQC锅炉散热损失 QSAQC = 6.84 kJ/kg-cl ㈦ AQC锅炉用于余热发电的热量 QAQCf= Qlpk ＋Qlpkh ＋QlokAQCP－Qlpk AQCO－ Qlpk hAQCO －QSAQC = 387.29 kJ/kg-cl 表格13窑头AQC锅炉热平衡计算结果 kJ/kg-cl kJ/h 入AQC锅炉废气显热 479.53 56284859 入AQC锅炉废气飞灰显热 2.05 240619 漏入空气显热 2.09 245834 出AQC锅炉废气显热 89.24 10474062 出AQC锅炉废气飞灰显热 0.30 35213 AQC锅炉散热损失 6.84 803360 用于余热发电的热量 387.29 45458677       2.3 三次风过热锅炉热平衡计算 ㈠ 入过热锅炉窑尾废气显热 Qgrk =  Vgrk/Msh×Cfgrk×Tgrk = 30890/117375×1.3903×856 = 313.21 kJ/kg-cl ㈡ 入过热锅炉窑尾废气飞灰显热 Qgrkh= Mgrkh/Msh×Cfgrkh×Tgrkh = 1.37 kJ/kg-cl ㈢ 出过热锅炉废气显热 QgrkO= VgrkO×CgrkO×TgrkO =  33051/117375×1.3406×485 = 183.08 kJ/kg-cl ㈣ 出过热锅炉飞灰显热（假定沉落的飞灰与锅炉出口飞灰温度相同） QgrkhO= MgrkhO/Msh×C grkhO×T grkhO= 0.67 kJ/kg-cl ㈤ 过热锅炉漏风显热 Qlokgr = Vlokgr×Clokgr×T lokgr = 2161/117375×1.2957×17 = 0.41 kJ/kg-cl ㈥ 过热锅炉散热损失 QSgr = 7.77 kJ/kg-cl ㈦ 过热锅炉用于余热发电的热量 Qgrf= Qgrk ＋Qgrkh ＋Qlokgr－QgrkO－ QgrkO －QSgr = 123.47 kJ/kg-cl 表14过热锅炉热平衡计算结果 kJ/kg-cl kJ/h 入过热锅炉废气显热 313.21 36762818 入过热锅炉废气飞灰显热 1.37 161118 漏入空气显热 0.41 47601 出过热锅炉废气 183.08 21489359 出过热锅炉废气飞灰显热 0.67 78410 过热锅炉散热损失 7.77 912000 用于余热发电的热量 123.47 14491768       3、余热锅炉热效率分析 从此次标定的情况来看，熟料热耗为831.26 kcal/ kg，发电量平均可以达到5500kWh以上，最高时达到6000kWh以上，按发电量5500kWh来考虑的话，吨熟料发电量就可达到46.85 kWh，“每公斤熟料热耗—吨熟料发电量”为831.26 kcal/ kg—46.85kWh。 从热平衡表12，13，14计算出余热系统总有效利用热∑Qif，窑头窑尾废气以及经过过热锅炉的三次风总热量∑Q以及它们的比值。 ∑Qif=Qspf+QAQCf+Qgrf=37794890 + 45458677 + 14491768 = 97745335 kJ/h ∑Q=97824786+56284859+36762818=190872463 ∑Qif/∑Q=51.21% 计算得出：有效利用热占窑头窑尾废气以及三次风可利用热量的百分比达到了51.21％，余热发电系统对废气热量有很好的利用率【5】。 再从理论上“混合热效率”进行分析： “混合热效率η”的定义是可用于发电的水泥窑总余热量转化为电能的比例【6】。 上式计算得该系统的混合热效率η为20.25％，对于带有5级预热器的新型干法窑讲，纯低温余热电站的“热效率”一般在20％～24％之间，大型火电站则在38％～45％之间【6】。 4、综合热耗分析 按照测量数据分析，增加余热发电前后热耗差别不大，但通过热平衡分析，增加余热发电后热耗有所提高，在不考虑空气、飞灰等显热的前提下，增加余热发电前后的对比见下表： 测量结果 单位 余热发电前 余热发电后 煤耗 kg/h 17182.2 18260.7 原煤热值 kJ/kg 23595 22342.9 系统吸收热量 kJ/h 405414009 407996994 熟料产量 t/d 2790 2817 熟料小时产量 t/h 116.25 117.375 熟料热耗 kJ/kg-cl 3487.43 3476.01         热平衡分析结果 单位 余热发电前 余热发电后 C1出口显热 kJ/kg-cl 854.86 SP锅炉出口废气显热 kJ/kg-cl 534.94 冷却机出口显热 kJ/kg-cl 473.99 89.24 熟料烧成所需热耗 kJ/kg-cl 1742.7 1757.7 辐射热 kJ/kg-cl 391.6 444.6 出冷却机熟料显热 kJ/kg-cl 53.59 70.14 发电折合热量 kJ/kg-cl 0 833.04 发电功率 kW 0 5500 吨熟料发电量 kWh/t-cl 0.00 46.86         由此可见增加余热发电后烧成热耗达到了3729.66 kJ/kg-cl，比余热发电前增加了253.64 kJ/kg-cl，与实际测量的煤耗有一定的差距，因为国内水泥厂煤粉计量装置普遍存在着较大的误差，还应通过实际测量进一步核实实际煤耗。 结束语 （1）从熟料烧成系统和余热发电系统整体来看，整个系统运行良好，余热发电量达到了设计时的发电要求，熟料烧成系统也运行稳定，熟料产量略微增加，但熟料烧成热耗有所增加。 （2）从熟料烧成系统来看，增加余热发电系统后熟料热耗和预热器出口负压仍有些偏高，还有进一步优化的空间，主要可对一下几个方面进行调整，从而达到进一步增加熟料产量降低熟料热耗的目的。①对预热器结构进行优化，降低出口负压并提高分离效率尤其是1级筒的分离效率。②适当减少窑尾系统用煤量和适当增加用风量，使用煤量和用风量调整到合理水平。③适当调整冷却机余风的取风，尽量使二次风温和三次风温能达到正常的水平。 （3）从余热发电系统来看，吨熟料发电量可达到46.85kWh以上，有效利用热占窑头窑尾废气以及三次风可利用热量的百分比达到了51.21％，混合热效率也达到20.25％，但系统热耗相应增高。