对水泥窑低温余热发电问题评述

　　前言

　　当前， 全国水泥行业利用预热器和冷却机的低温余热进行余热发电的技术， 正如火如荼地得到普遍应用和推广。采用这项技术， 不可避免地会对原有工艺流程、设备布置、风机参数带来影响; 另一方面， 原料磨、煤磨的形式， 预热器的级数和增湿塔的位置等等， 也影响到发电量。

　　我们认为单纯采用“吨熟料发电量(kWh/t)”指标进行发电量和方案的对比是不科学、不准确的，不能全面反映方案的优越性。因工艺流程、设备选型和配置不同时会产生不同的热焓量。本文拟从工艺设计观点出发， 结合实际生产和设计中碰到的问题， 论述低温余热发电系统中热能转换为电能的各项影响因素， 以及热耗与发电量的关系。

　　我们知道， 发电系统有单压不补气、多压补气及复合闪蒸技术方案， 但三种模式并无本质区别，都是利用出预热器320~380 ℃及出冷却机350 ℃左右的废气组成低压低温、或中压中低温系统， 吨熟料发电量在32~40 kWh/t 之间。本文仅以单压不补气系统为基准进行方案比较和分析论述， 供参考。

　　1 生料磨采用立磨， 入磨物料水分对余热发电系统的影响

　　从目前一般宣传资料看， 出SP 炉的气体温度标明在230~250 ℃之间。应当说， 出SP 炉的温度，是与生料磨选型及原料平均水分有关的。只有当选用立磨、辊压机终粉磨及筒辊磨(HORO 磨) 粉磨生料， 且入磨平均水分在4%~4.5%时， 出SP 炉的气体温度才能控制在230~250 ℃之间。

　　为提高烘干效率， 立磨要维持风环处有一定风速， 以满足磨内提升悬浮物料的要求; 同理， 辊压机终粉磨中的V 型选粉机及筒辊磨也需要一定的风量。根据传热基本公式， 气体传给物料的热量q ( 4.18 kJ/kg) 随入磨物料水分[w(H2O)] 的增大而提高， 即q∝w(H2O)∝Vct。由于风量V 基本为一常数( 折成标况下约为1~1.3 m3/kg) ， 因此入磨热风温度t 与原料水分w(H2O)成正向关系。

　　以立磨为例， 根据热平衡计算可以求出水分不同时需要的热风温度t。

　　计算条件: 熟料台时产量为5 500 t/d， 出预热器废气量( 折成标况) 为1.5m3/kg; 立磨生料台时产量450 t/h， 循环风量33%， 入磨风量( 折成标况) 1m3/kg。求得t 与w(H2O)的关系， 见表1 及图1 所示。

　　随入磨物料水分增加， 立磨需要的热风温度愈高; 而能供给发电的热量愈少。水分每增加1%， 如果要满足立磨烘干水分所需的热量， 则生产每kg 熟料供给SP 炉的发电热量超过10 ×4.18 kJ， 那吨熟料的发电量就要降低3.0 kWh/t 以上。

　　低温余热发电的原则是先满足工艺生产的需要。南方雨季多， 黏土水分经常>20%， 原料的平均综合水分常超过5%， 对发电量影响很大。关于这一点， 在考虑余热发电方案时， 一定不能忽略。

　　2 生料磨选用球磨时对热源温度的要求用立磨烘干原料， 因喷环需要一定风速( 70~90m/s) 才能把颗粒带出， 因而需要大风量( 折成标况为1~1.3 m3/kg) 。而球磨( 包括中卸磨， 尾卸磨、风扫磨) 则需要高温气体， 其烘干风量约仅为立磨的一半。

　　如果原料中f- SiO2 高、易磨性差， 不适于采用立磨， 必须采用球磨时， 原料磨系统的运行应通入温度>300℃的高温风; 但为了配合发电系统， 往往只能通入低于250 ℃的气体， 这样势必会影响生料磨系统的生产运行， 具体分析如下。

　　( 1) 会使烘干能力下降。如宁国水泥厂Φ5m×(10.4+3.5) m 中卸原料磨， 原设计入磨气体温度350 ℃， 加SP 炉后为增加发电量， 将入磨气体温度降至250 ℃， 结果造成磨内传热速率降低，烘干能力下降。特别到雨季时， 入磨平均水分>5%， 则需要出SP 炉气体旁路放风， 以提高入磨气体温度。

　　( 2) 会引起粉磨系统电耗增大。20 世纪70 年代引进的预热器多为四级( 如冀东、宁国、珠江、柳州) ， 出C1 筒气体温度高达380～400℃。根据热平衡计算， 宁国厂入磨气体温度350 ℃， 原料水分由5%烘干到0.5%时， 每kg生料需烘干热量57×4.18 kJ ( 相当于每kg 熟料需102×4.18 kJ) 。根据热量计算公式q=Qct计算， 宁国水泥厂Φ5m×(10.4+3.5) m 中卸生料磨所需烘干风量( 折成标况) 为0.45 m3/kg; 按原设计漏风量38% 计算， 排风机风量为270 000 m3/h， 风压5 500 Pa ， 电机有效功率为550 kW， 单位生料功率消耗为550/300=1.83 kWh/t ( 磨台时产量按300t/h 计算) 。保持相同热量， 如入磨气体温度由350 ℃降到250 ℃时， 需要将烘干风量由0.45m3/kg上升至0.63 m3/kg， 排风量增至362 000 m3/h， 风量增大1.36 倍; 因原设备规格未变， 风量增大，风速增大， 阻力增大1.362=1.86 倍， 这使排风机功率增大到1.86×550= 1 000 kW， 单位生料功率消耗也由1.83 kWh/t 提高到1 000/300=3.33 kWh/t，相当于单位熟料电耗由3 kWh/t 增大到5.5 kWh/t。

　　综合上述计算分析， 可推断出以下结论:

　　2 500 t/d 熟料生产线采用Φ4.6m×(9.5+3.5) m的中卸磨( 产量为185 t/h) ， 或5 000 t/d 熟料生产线采用Φ5.6m×(11+4.4) m 的中卸磨( 产量为400t/h) 时， 如果为发电采用<250 ℃的低温烘干废气，则会对生料系统造成工艺操作不利、能力下降、电耗增大等不利状况。若长期使用低温废气， 则在设计中须将全部气路附属设备， 包括组合式选粉机、袋式收尘器、热风管道直径、控制阀门规格增大，土建厂房加大， 这在技术上和经济上均不合理， 也违背了低温余热发电应遵循的基本原则。即: 不改变水泥生产的工艺流程和设备， 不增加原有生产的热耗和电耗。

　　3 增湿塔位置对发电流程的影响

　　根据多年设计经验及热平衡计算， 采用立磨或辊压机原料终粉磨， 当原料水分不太高( 生料立磨<10%， 终粉磨<6%时) ， 增湿塔应放在高温风机之前( 也称“在线布置”) ， 即磨机与增湿塔串联。其原因是出C1 级筒气体由330℃(五级)～380℃ ( 四级) 的气体降到250 ℃以下， 通过喷水降温很容易实现。采用此方案时， 要考虑SP 炉和增湿塔的位置， 最好是将两者并联。因并联方案布置， 既能满足低温气体的烘干要求; 当试生产SP 炉未投运，或SP 炉在检修时， 又可从SP 炉灵活切换到增湿塔线路运行; 但给管道、阀门布置及回灰处理带来不便， 需要在设计中改进。当采用球磨( 中卸、尾卸、风扫磨) 或采用立磨原料水分偏高时( >10%) ， 增湿塔可放在高温风机后与磨机并联运行，这种流程称作离线布置。该流程优点是磨机可直接通入300～350 ℃的高温气体， 满足球磨和立磨烘干原料的温度要求。

　　4 预热器级数不同对发电量和热耗的影响

　　20 世纪70 年代引进的预热器多为四级预热器， 由于烧成熟料热耗高( 800×4.18 kJ/kg) ， 废气温度较高( 400～420 ℃) ， 因此在80 年代以后世界各公司都推出了五级预热器， 其出C1 筒气体温度降至320～330 ℃。几乎同时， 丹麦史密斯、德国伯力鸠斯和洪堡公司， 在国际上就推出了六级预热器。六级预热器适用于原料水分不高、能源较紧张的地区， 使出C1 筒气体温度降至280 ℃，由此熟料热耗降到了700×4.18 kJ/kg 以下。

　　近年来， 随着低温余热发电兴起， 减少级数增加发电量还是增加级数降低热耗又成为大家讨论的话题。有的提出利用二级至一级筒入口450～600 ℃废气设置蒸汽过热器， 使SP 炉独立产生主蒸汽以提高余热发电能力; 同时在冷却机热端设置ASH蒸汽过热器， 单独抽取400～600 ℃的热气， 用于调整汽轮机进汽温度; 有的甚至提出利用三次风高温气体( 900℃) 来发电。显然， 这些措施均将破坏原来的工艺流程， 给设计、设备制造和操作带来麻烦。

　　下面笔者将对四级、五级、六级预热器做详细地的节能计算， 提出热耗和发电量之间存在的关系并加以论证。

　　4.1 设定条件

　　(1) 生产线规模为5 500 t/d 熟料， 熟料热耗为720～730×4.18kJ/kg ;

　　(2) 热力系统采用单压系统， 因该系统结构简单， 设备数量少， 便于方案对比;

　　(3) 热效率ζ取0.23～0.24， 其计算公式为:　因为， 不同的废气温度， 其余热锅炉的效率和汽轮机的耗汽量是不同的。

　　4.3 由冷却热平衡计算入AQC 炉的风量篦冷机的热风入AQC 锅炉， 用于发电的热量大小决定于抽取热风风量的大小及气体温度的高低。而热风量大小及气体温度的高低又受以下因素影响。

　　(1) 煤磨位置。煤磨可放在窑头( 从篦冷机抽取烘干热风) ， 也可放在窑尾( 抽取预热器废气作烘干热源) ， 显然前者会使窑头AQC 炉的发电量降低;

　　(2) 冷却机鼓风量大小和二、三次风的风量和风温， 也影响AQC 炉的发电量。

　　根据冷却机热平衡可以求出入AQC 炉的热风量和气体温度的关系。设定条件如下:

　　熟料热耗720×4.18 kJ/kg; 熟料入冷却机温度1 400 ℃， 出冷却机熟料温度90 ℃; 排风机气体温度120℃。

　　根据资料统计， 出冷却机气体湿度2.5%左右，要求入电收尘废气露点温度应>25℃。按图3 粉尘比电阻( Ωcm) 与气体温度t ( ℃) 关系， 熟料粉尘比电阻在<120 ℃和>200 ℃时都较小， 故取120 ℃作为计算排风机的废气温度。

　　(3) 如煤磨放在窑头， 按选用球磨方案计算，煤从原煤水分10%烘干到水分为1%， 需热风( 折成标况) 约0.12m3/kg; 选用立磨时， 需热风( 折成标况) 约0.25～0.3m3/kg。

　　按以上条件， 煤磨放在窑头和放在窑尾时，入AQC 炉风温不同， 其入炉风量和排风量计算结果列于表3， 据此绘制入AQC 炉气体温度与风量的关系

　　式中: q ———单位熟料值， ×4.18kJ/kg;

　　Q 热量——— 单位熟料热值， ×4.18kJ/kg;

　　T0———环境温度℃;

　　T1———热气体温度℃;

　　(4) 另外， 考虑到预热器级数增多后， 管道阻力增大， 高温风机电耗增大。管道阻力六级按6 500 Pa、五级5 500 Pa、四级4 500 Pa 计算， 每级引起电耗差值约10%。即高温风机的电耗是五级比四级的高约10%， 六级比五级的又高约10%。

　　(5) 综合分析。综合比较表3 至表5 的结果，可以得出以下结论:

　　第一， 四级比五级、五级比六级虽然增加了发电量约3 kWh/t， 但同时增加了耗煤量， 其比值远远超过了国家公布的火电标准煤耗。这说明预热器级数减少， 减少了高温风机电耗; 但综合能源利用率来看， 采用六级预热器要比采用五级、四级仍具有一定的经济效益。也就是说多发1 kWh 电， 四级比五级窑系统将多消耗3 kg 煤， 五级比六级要多耗1.5 kg 煤。因此， 用减少预热器级数来增加发电量， 是浪费能源的不可取的办法。

　　第二， 预热器级数减少， 热耗增加， 所需要的二、三次风量也相应增大， 而不是二、三次风量无多大差别， 因而供给AQC 炉的风量和热量也相应减少。与SP 炉不同的是， 预热器级数减少， AQC炉的发电量也减少而不像SP 炉级数减少发电量增加， 但综合SP 炉及AQC 炉发电量， 还是遵循级数减少热耗高， 发电量增加规律。

　　第三， 对同种预热器级数， 入AQC 炉的热量受气体温度与风量的影响。以图4 中五级预热器为例， 随抽风点温度的增高， 供给AQC 炉的风量相应减少，进入AQC 炉的热量也相应减少。如300 ℃时，qAQC 炉=92×4.18 kJ/kg， 400 ℃时， qAQC 炉=79×4.18kJ/kg， 减少14%。因此， 抽风点温度愈高， 发电量愈大是一种误解。

　　第四， 当AQC 炉停止操作时， 除掉二、三次风剩余风全部由排风机排出， 此时排风机风量及温度见表6。

　　第五， 煤磨放在窑尾还是窑头， 有不同的争论和观点。德国许多公司认为， 从安全考虑， 放在窑尾， 烘干废气的含氧量( 体积分数) 只有3%～5%，比窑头抽取烘干废气中的低得多。另从余热发电出发， 放在窑尾对窑头AQC 炉发电也有利。如果煤磨放在窑头且采用球磨， 则所需烘干废气量( 标况) 约0.12～0.15m3/kg ; 若煤磨用立磨， 则所需烘干废气量( 标况) 约0.25～0.3m3/kg。显然， 这将减少入AQC 炉的热量， 约降低发电量3.5 kWh/t，即约平均减少20%的发电量。

　　第六， 采用低温余热发电方案后， 窑尾高温风机及冷却机排风机风压要各增加阻力1000Pa。

　　5 结论

　　(1) 规模相同， 预热器级数相同的干法窑外分解水泥窑， 因采用生料磨形式不同， 原料水分各异， 所需要热源温度有很大差别。生料制成所需热源温度愈高， 吨熟料发电量愈少。因此， 单从吨熟料发电量指标比较方案的优劣， 是不能完整、不全面的。对立磨、辊压机终粉磨方案， 需要大风量( 标况风量1～1.3m3/kg) ， 一般5%水分需要250 ℃的烘干热风; 相同水分如采用中卸磨， 则所需标况风量降为0.65m3/kg， 但风温要求>300 ℃， 如强制用250 ℃气体， 则会影响磨机产量且增加磨机系统电耗45%。

　　(2) 预热器级数愈少， 废气量愈多， 气体温度愈高， SP 炉及AQC 炉总的发电量愈多， 烧成热耗愈大。但从综合能源利用率角度出发， 采用立磨或终粉磨且当原料水分<6%时， 六级预热器要比五级、四级预热器节能显着。那种用减少级数来增加发电量或改变原有设备及工艺流程的方法， 是违背余热发电基本原则的。

　　(3) 煤磨位置宜放在窑尾， 特别当生料磨采用球磨时， 可利用烘干生料磨多余的废气。另煤磨放在窑尾更有利于窑头冷却机抽风口开洞， 减少气流干扰。

　　(4) 热量相同时， 高温气体值大于低温气体的， 因此， AQC 炉抽风处要尽量靠近高温区。

　　参考文献

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