从水泥生产工艺角度来讨论余热发电技术的应用

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-4 22:37:00 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:从水泥生产工艺角度来讨论余热发电技术的应用

纯低温余热发电系统在水泥工业的应用,提高了水泥生产烧成系统的热效率,它既可部分满足水泥企业自身用电的需要,减少外部供电量,又节约了成本,提高了新型干法水泥的竞争力,就社会效益来讲由于减少了电网取电量,间接达到节煤的目的,减少了CO2的排放量,以燃煤电站为例,每10 000kWh电,可以减少排放近8t的CO21,这对减少温室效应,保护生态环境,起着积极的促进作用,是促进水泥工业可持续发展的有效途径。因此,在当前水泥行业中,正在大规模的采用低温余热发电系统,国内几家热力装备公司也在积极投入,研发出适合低温余热发电和提高低参数热源利用率的余热锅炉和补汽式汽轮机。作为水泥主体的工艺、热工等工作人员,在发展余热发电方面,如何积极地将水泥工艺技术与余热发电技术有机地结合起来,以寻求最低的水泥综合能耗及最佳的经济效益,值得我们认真研究。
工艺和余热利用密切相关
当前作为余热发电系统的能源,是利用在水泥煅烧过程中产生的余热,包括预热器C1出口的废气和篦式冷却机的余风所带走的热量,对于5000t/d的新型干法烧成系统来说,当没有利用这些余热的时候,在正常生产情况下,其热经济如表1
表1  5000t/d新型干法烧成系统热经济----根据标定数据

项目
热量
占燃烧热  %
全系统热支出%
说明
kJ/kg-cl
Kcal/kg-cl
煤粉燃烧热
2961.19
708.08
 
 
 
有效热:   熟料形成热
1693.43
404.93
57.18
 
 
热损失:
出冷却机熟料带走热
  79.18
 18.93
 
2.67
 
出冷却机余风带走热
372.54
 89.08
 
12.58
含飞灰
出预热器废气带走热
617.60
147.68
 
20.86
含飞灰
表面热损失
254.72
60.91
 
 8.60
 

从表中可以看出水泥的烧成过程,它的有效热利用,仅占投入的燃烧热的57.18%,采用余热发电后,预热器废气从原来的329℃下降到200℃( 考虑作为原料烘干的热源),冷却机余风从230℃下降到95℃,相对应的废气热损失分别降低为出预热器废气带走热375.01kj/kg,和出冷却机余风带走热153.45kj/kg,在总支出中的比例调整为出预热器废气带走热从20.86%下降到11.96%,减少了8.9%,出冷却机余风带走热从12.58%下降到4.89%,减少了7.72%;合计热利用率提高了7.72+8.9=16.62%。是一个非常可观的效果。水泥行业的工艺、热工技术的发展,始终追求的是热效率的提高,但是目前不论是对于预热器系统还是冷却机,要求进一步提高它们的热效率,都有相当的难度和高额的代价,相反在余热上面如果通过进一步的利用,在提高总热效率上达到同样的效果的时候,它的代价却相对比较低并且比较容易实施。
同时余热本身就是在工艺生产过程中产生,如果把余热利用工艺纳入水泥生产工艺,如同对待烧成系统的废气处理工艺一样,不仅是可行的。也是有利于水泥生产能量利用的发展和全厂的整体布局。
在采用余热发电的情况下,水泥生产工艺方面有这样几点可以提供考虑的:
1.1.            适当调整工艺流程,如把煤粉制备所需要的热风来源从利用冷却机的余风,修改为利用预热器的废气,并把立磨作为煤粉粉磨的设备,这样修改以后,煤粉制备所需要的热风和生料粉磨需要的热风可以共同利用预热器后的出余热锅炉温度为200℃的废气,这样既不影响预热器后的PH余热锅炉使用的热量,又增加了冷却机后的AQC余热锅炉的可以利用的热量。
1.2.            同步设计同步建设,目前余热锅炉工艺和设备日益成熟,运转率基本上可以和回转窑同步,因此水泥生产工艺应该和余热发电同步设计和建设,如同过去对待中温余热发电装置一样,应该把窑尾预热器C1出口和余热锅炉的连接达到最顺畅、流体阻力最小、最为密闭。旁通管道则设在侧边,采用最严格关闭的阀门以防止旁路,因为漏风会明显降低气体温度,严重影响锅炉运行的效率。
1.3.            合理的选择操作参数,如适当提高预热器C1的出口温度,虽然会略微增加一点烧成热耗,却能够明显改善蒸汽质量,也就是说,对于带有余热发电的烧成系统的操作应该兼顾系统热耗和发电量,求得最佳综合效果。当然更应该注意防止,为了片面追求发电效果,提高AQC炉的蒸汽量,影响了窑的运行。
1.4.            重视稳定生产,控制烧成系统的波动:稳定生产是新型干法的基本特点,依靠控制生料成分和煤粉成分的波动,达到烧成系统的稳定生产,但是随着生产规模的提高,混凝土搅拌站的大规模应用,稳定生产的意义也提高到了要求产品质量的波动达到一个更为窄小的范围,发展到今天在采用余热发电的情况下,生产的稳定程度上又要求达到一个更高的层次,控制生料成分和煤粉成分的波动,仅是烧成系统稳定的基础,此外还必须要重视烧成系统操作的稳定性,避免大起大落,在稳定烧成系统热工制度的波动方面要兼顾到出窑熟料的稳定,以求减少熟料冷却机入AQC炉的余风温度的波动,其操作调节必须尽可能平稳,因为当冷却机余风温度出现严重波动时,AQC炉的生产就出现严重困难,甚至必须停炉,对余热发电造成重大损失。
1.      篦式冷却机废气排出余热的利用
篦式冷却机排出废气的余热在总的系统排出中占有着重要地位,从某水泥厂4000t/d和5000t/d新型干法烧成系统运行的数据(见表22)可以看到对于4000t/d生产线来说,实际运行的冷却机的余风比窑尾预热器废气量要高出近10%,即使从5000t/d生产线实际运行来看,虽然由于冷却机的技术进步,降低了余风量,而预热器废气量则由于产量的提高增加了很多,但是由于采用了5级预热器,废气的出口温度降低到320℃左右,可以利用的温度降仅有325-200=125℃,而冷却机余风虽然量少,但是温度比较高,可以利用的温度降,达到360-95=265℃,由于热量中可以利用作功的能量直接和热量的温度有关,冷却机余风的温度高,它的可利用价值高,结果是不仅生产了26t/h的过热蒸汽,并且还为PH炉提供了热水。因此在烧成系统余热利用的技术开发中要充分重视对于冷却机余风的利用。
表2:4000t/d和5000t/d新型干法烧成系统余热发电运行的数据

规模t/d
设备名称
热源
蒸汽
温度℃
风量Nm3/h
压力mPa
产量t/h
温度℃
5000-设计
PH炉
325-200
338000
0.789
28.40
305
AQC炉
360-95
206250
0.789
18.18
345
5000**-运行
PH炉
329-193.7
297320
0.689
27.5
317.3
AQC炉
367.1-95
278357
0.713
26+2.1*
372
进汽轮机
 
 
0.601
53.5
9470kw#
4000-运行
PH炉
362-247
212480
2.52
18.5
347
AQC炉
367-101
232960
2.54
13.8+5.9*
353
进汽轮机
 
 
2.1
34
7200kw#

*闪蒸产生的蒸汽量    **实际产量为5500t/d和4600t/d    #汽轮机的发电量
1.1.              篦式冷却机内基本工作状况的分析
冷却机余风的温度和预热器废气温度是不同的,预热器废气具有均一的温度,而冷却机的余风是由高到低各股不同温度的气体的组合,由于余热利用和它的温度有很大关系,因此首先应该了解冷却机内气体和熟料温度的分布状况,根据对于冷却机的操作画面和热工标定以及计算,可以推算出它的温度曲线。
用于推算的数据汇总如下:
温度:熟料入冷却机温度1400℃,入煤粉制备系统的热风温度544℃,熟料出冷却机温度100℃,排风温度100℃。
风量:冷却机总鼓风量2.0948 Nm3/kg-100%,其中二、三次风的风量 0.8096 Nm3/kg 占38.648%,入AQC炉风量0.886 Nm3/kg 占42.3%,冷却机的排风量0.3276 Nm3/kg占15.62%  煤磨用风量 0.072 Nm3/kg 占3.43%,
相应绘制成下图:
 
图中红线为熟料温度,绿线为气体温度,由于冷却机内存在相互窜风现象,以及不同操作方式,因此根据热平衡计算的各区段的温度只能是一个大致的数据。
表3冷却机内各区段的熟料和气体温度

 
 
二次风区段
三次风区段
煤风区段
AQC区段
排风区段
熟料温度℃
范围
1400--1044
1044--584
584--529.7
529.7--135
135--100
平均
1222
814
556.85
332.35
117.5
气体温度℃
范围
1227--973
973--571
571--517
517--110
110--90
平均
1100
773
544
313.5
100

 
2.2对冷却机的温度进行分区以及采用分温度等级对锅炉供气
从冷却机内温度的初步分析,可以看到如果供煤热风不从冷却机内抽取,或把供煤热风的取风点移动到200℃左右的温度区,则进入AQC炉的热风最高温度可以从517℃提高到571℃,进入AQC炉的风量和热量也会增加,相应增加了AQC炉的蒸汽量。
由于温度对于锅炉内传热的重大影响,而冷却机内气流的温度有高低的差别,如果混合在一起进入AQC炉,就浪费了那部分较高的温度所能够产生的有用功,最好的例子可以证明这个观点的正确,就是有的企业把全部的余风混合后进入AQC炉,目的是利用全部冷却机余风所具有的热量,即利用原来冷却机的排风点抽取约250℃左右的余风进入余热锅炉,但是结果获得的是最低的发电的效果。
2.2.1. AQC炉参数的设定:
对于AQC炉,它的热力过程有三个阶段:
⑴ 把水从60℃加热到0.789MPa压力等级的饱和温度169.8℃。
⑵ 产生压力为0.789MPa,温度169.8℃的饱和蒸汽
⑶ 加热饱和蒸汽从169.8℃加热到345℃的过热蒸汽
2.2.2.各阶段的热力负荷为,
⑴ 60℃的回水,其热焓为251.1 kJ/kg
⑵ 0.789 MPa饱和水温度169.819℃,饱和水热焓为 718.28  kJ/kg,
⑶ .饱和蒸汽温度169.819℃,饱和汽热焓为 2767.8kJ/kg 
⑷ 过热蒸汽温度345℃,热焓为 3151.86kJ/kg 
当生产0.789MPa的过热蒸汽,合计其理论需要的总热焓为3151.86-251.1=2900.76kJ/kg,
其中
⑴ 0.789 MPa饱和水的补充热焓718.28-251.1= 467.18kJ/kg占总热焓为2900.76kJ/kg的16.1%。
⑵ 产生饱和蒸汽需要热焓为2767.8-718.28=2049.52kJ/kg占总热焓的70.67%
⑶ 产生过热蒸汽需要热焓为3151.86-2767.8=384.06kJ/kg 占总热焓的13.24%
此外AQC炉还承担了窑尾PH炉的水加热,水量设定为AQC炉的1.5倍,则PH炉饱和水的补充热焓1.5× 467.18 =700.77 kJ/kg,因此合计生产0.789MPa温度为345℃的过热蒸汽和PH炉的水加热的情况下, AQC炉理论需要的总热焓为2900.76+700.77=3601.53kJ/kg。为简化起见,上述数值完全没有考虑炉墙的热损失,计算的目的仅是为了弄清锅炉内部过热区段、蒸发区段和热水区段之间热负荷的分布情况。
计算结果为:
⑴ 0.789 MPa饱和水的补充热焓467.18+700.77=1167.95kJ/kg占总热焓3601.53kJ/kg的32.43%
⑵ 产生饱和蒸汽需要热焓为2767.8-718.28=2049.52kJ/kg占总蒸汽热焓的56.91%
⑶ 产生过热蒸汽需要热焓为3151.86-2767.8=384.06kJ/kg 占总蒸汽热焓的10.66%
通过上述计算,可以得到这样一些认识:
⑴ 在AQC炉内,蒸汽的过热过程,需要的热量仅占总热量的10.66%,但是它的过热温度达到345℃,因此加热气体必须具有相对于蒸汽的足够的气体温度来保持需要的温度差和对蒸汽的热量的传递。
⑵ 生产饱和蒸汽需要的热量占56.91%,同时用于水加热需要的热量也占到32.43%,因此适当降低饱和蒸汽的压力,有利于利用较低温度的加热热源和降低排出锅炉气体温度。达到尽可能利用冷却机余风的热量。
⑶ 既然  AQC炉内存在对于温度和热量不同的要求,而冷却机内又存在不同的温度区段,因此有可能从冷却机向AQC炉分段提供不同温度和流量的气体,以较高温度的那部分气体来供应需要较高温度的过热和蒸发区段,以较低温度部分的气体来加热水,从而达到提高AQC炉效率的目的。
 
下图为考虑煤磨需要的热风仍然由冷却机供应情况下的冷却机内温度分区
 
图3为考虑煤磨需要的热风由预热器废气供应情况下的冷却机内温度分区
 
2.2.2.分段进气的优点和存在的问题
AQC炉不同进气的方式如图4之左图所示,占总量30%的500℃从顶部进入锅炉的过热段,第二部分占总量30%的360℃气体从侧面过热段和蒸发段之间进入,其余部分占40%的余风则从蒸发段和热水段之间进入,作为对比的传统锅炉流程置于图4的右侧。
 
2.2.2.1. 采用分段进气的优点
采用分段进气降低了该区段的气体量,从表4可以看到过热段进气量在500℃时为总风量的30%,,换算到工作状态风量为36.6%,在蒸发段,不分区段的气体从360℃进气经过过热区段以后,大致下降到320℃,而分区段进气的第一部分气体从原来的500℃大致下降到360℃,会同第二部分进气360℃的30%,总量达到60%,换算到工作状态时风量为64%, 大幅度的降低了锅炉内通过的风量,仅到加热水的区段时才达到不分区段时的水平
表4,不同进气方式,锅炉不同区段内的气体量

 
过热段
蒸发段
进气温度和风量
折算成工作状态
进气温度和风量
折算成工作状态
分区段
500℃--30%
36.6%
360℃--60%
64%
不分区段
360℃--100%
320℃--100%

更重要的是采用分段进气能够提高过热段和蒸发段的气体进气温度,在过热区段从360℃提高到了500℃,提高了140℃,在蒸发区段从320℃提高到360℃,提高了40℃相应提高了传热的温度差。在过热段蒸汽从169.8℃升温到345℃,其平均温度为257.4℃,热空气温度从500℃大约下降到360℃,平均温度达到430℃,期间平均的温度差为430-257.4=172.6℃,而常规的360℃进气大约下降到320℃,平均温度达到340℃期间平均的温度差为340-257.4=82.6℃,二者相差达到一倍,大大加快了传热速度。
2.2.2.2. 采用分段进气的问题
当然由于采用分段进气,给锅炉设计上增加了复杂性,需要注意中部进入锅炉的气体如何能够均匀分布,以及在管路设计上必须增加阀门来调节各段进气阻力平衡来保证分段进气能够达到预期的分配比例,这些都会增加投资,因此分段进气是否可行,将取决于在锅炉设计中的技术经济比较。
2.3 冷却机排风的循环利用的可行性
篦式冷却机在冷却熟料的过程中,产生大量的余风,因此在较早的时候,就出现考虑把该部分余风循环利用,即把出冷却机的部分余风送回到第一风室和第二风室,据介绍这种流程可以降低烧成热耗25kcal/kg3,但是这样的流程有可能会增加篦板的热负荷和磨损,以及提高了熟料排出的温度。因此如何选择一个较理想的余风循环的流程,以求获得最经济的效果。下图为冷却机排风循环的流程,图中左侧为冷却机排风没有循环的常规流程,右侧为冷却机排风循环的流程,余风从冷却机中部抽出进入余热锅炉,剩余的风从尾部抽出会合出锅炉的风后一起进入电收尘器,然后经过排风机排出,其中一部分循环回到冷却机的鼓风机进口作循环使用,图中之1.表示循环风进入冷却机的前端,该部分空气用作助燃空气,之2.表示循环风进入冷却机中部,该部分空气冷却熟料以后,进入余热锅炉,之3.表示循环风进入冷却机后部,该部分空气冷却熟料以后直接排出。
 
考虑选择的原则是:
2.3.1.冷却机经过余热锅炉排出的风量为0.9Nm3/kg,温度95℃,带走的热量为111.24kJ/kg,直接从冷却机排出的风量0.3 Nm3/kg,温度100℃,带走的热量为39.03 kJ/kg,合计为150.27 kJ/kg---35.9kcal/kg,如果全部循环回冷却机,同时不引起出冷却机熟料温度上升,则烧成和余热发电系统可以减少大约150 kJ/kg的热损失。
2.3.2.从保护鼓风机叶片的磨损出发,冷却机的排风应该从电收尘器后的排风机出口循环回来。
2.3.3.冷却机的鼓风量大致在2.0Nm3/kg,其中应用于燃烧空气需要的为0.8 Nm3/kg,应用于余热发电的0.9 Nm3/kg,排走的为0.3 Nm3/kg,因此如果循环回风进入冷却机的尾端,由于提高了冷却空气的温度,空气从室温提高到了90℃左右,必然会降低熟料的冷却效果,提高了离开冷却机的熟料的温度,这是不能考虑的,同时也不能满足吸纳全部排出气体。
2.3.4.送到冷却机的前端,由于熟料和空气之间的温度差比较大,虽然提高了空气的进风温度但是对于熟料和空气之间的温度差影响不大,对于传热的影响不会很明显,却会提高二次、三次风的温度,对于烧成系统热回收和燃烧过程有利。
2.3.5. 送到冷却机的中部,由于提高了空气的温度,进入余热锅炉的余风温度也会相应提高,这对于余热发电是比较有利的。
2.3.6.随着鼓风机进风温度的提高,风量大致增加20%,鼓风机的规格需要相应调整,鼓风电耗也会提高12%左右。
2.3.7.由于当前冷却机都采用多台风机鼓风,所以回风管道比较复杂。
2.      烧成系统表面热损失的利用
2.1.              表面热损失利用的困难
烧成系统表面热损失在整个系统热支出部分中占有8%左右,相当废气余热损失部分的25%,是一个相当可观的数目,其中预热预分解系统占总量的31%,回转窑占61%,冷却机和三次风管占8%,但是和废气热损失不同,由于它温度比较低,面积很大,回转窑筒体又是在回转着的,很难再利用。所以当前主要措施首先应该是放在减少烧成系统表面热损失的方面,在采取适当措施以后,也是应该能够实现的。
2.2.          ,     提高设备保温等级,减少表面热损失
   从现场标定的情况看它们的最高表面温度分别达到了预热器C1为110℃,C2为140℃,C3-C5为170℃,分解炉为100℃,窑尾烟室220℃,三次风管82℃,窑体170~350℃,冷却机70℃。而根据国家标准“设备及管道保温技术通则”4 之1.“主题内容与适用范围中的规定”,外表面温度高于50℃者必须保温。而水泥工业新型干法的烧成系统的各项装置绝大部分外表面温度都在50℃以上,却没有采用保温措施,这不符合国家标准的要求,除回转窑外,这并非因为存在技术难度,增加设备的保温并不困难,有的立窑为了改善窑内的热工状况和节约能耗,把窑体表面做了认真的保温,达到了外表面温度接近环境温度。过去由于是在烧成反应过程的低温区段进行保温,对降低热耗方面效果不大,保温节省热量中的相当一部分转化为废气热损失,提高了废气温度,同时又为了节约投资,所以没有足够的重视。但是现今的情况有了变化,首先是国家的能源政策,要求大力节约能耗,如果因为保温增加了废气温度,则余热发电的采用却能够充分利用废气的余热,所以应该认真进行烧成系统设备的保温。除此以外,还应该重视提高窑筒体的隔热效果,目前窑筒体外表面温度很高,热损失很大,尤其是在窑内没有窑皮的区段,外表面温度全部在250℃以上,高的部分接近400℃,不仅增加了热损失,也对设备维护不利,如何采用有效的隔热措施来解决这个问题,应该引起重视。
4.机炉合一
当前在利用废气余热的时候,总因为废气温度不高,影响了利用废热的效率,今后随着工艺技术的提高,废气温度还可能进一步降低,同时在考虑对于表面热损失的利用方面又存在难于利用的问题,而产生表面热损失的热源却具有相当高的温度,因此如果工艺和余热利用统一考虑,把分解炉和余热锅炉的过热区段结合成一个整体,用锅炉的汽管代替分解炉内的部分耐火砖,也即把本来产生的表面热损失的热量转化为对于蒸汽的加热,这样就可以获得较高过热温度的蒸汽,提高余热利用的效率。当然在目前这仅是一种设想,是否可行还要依靠工艺和锅炉热工的共同研究。
 


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