新型干法水泥窑低温废气余热最大发电能力的讨论

来源： 来源: 大连易世达新能源发展股份有限公司 发布时间：2009年07月15日

    1  的导入及其概念

    1.1. 概念的导入

     “热量”有两个方面的概念：一是“量”的概念，通常我们所讲的“热量”一般都是仅指量的概念；另一个是“质”的概念（这从热能—动力转换角度来讲是最重要的概念），它是与温度联系在一起的，它可以描述为：某一数量的热量，在不同温度下理论上可以转换为最大“有用功”的能力，这个“有用功”通常定义为 “ ”。在火力发电领域，这个 “有用功”或者“ ”也可以称为发电能力。

    热量的“质”或称“ ”的概念，说明了：对于相同的热量，如果温度不同，其发电能力是有极大差别的，是研究热能—动力转换的基础理论之一，举例如下。

    1kg/h—1000℃的热水,其所含热量为1kg/h×1000℃×1kcal/(kg.℃)=1000kcal/h。这个1000kcal/h—1000℃热量值，在理论上转化为最大电能的能力为：N=[1-273K/(1000℃＋273K)]×1000kcal/h×4.1868kJ/kcal÷3600s=0.9135kW。

    这里1000kcal/h 就是热量，而0.9135kW就是1000kcal/h 热量在1000℃时的质量—即 。这个1000kCal/h—1000℃的热量，理论上的热电转换效率为0.9135kW×860kcal/kWh÷1000kCal/h=78.56%。

    对于10kg/h—100℃的热水,其含有的热量同样为10kg/h×100℃×1kcal/(kg.℃)=1000kcal/h，但这个1000kcal/h—100℃热量，理论上转化为最大电能的能力则为:

    N=[1-273K/(100℃＋273K)]×1000 kcal/h×4.1868 kJ/kcal÷3600s=0.3118kW。

    这个1000kcal/h—100℃的热量，理论上的热电转换效率仅为0.3118kW×860 kcal/kWh÷1000 kcal/h =26.8%。

    因此，同样是1000kcal/h 的热量，但由于其温度不同，前者为1000℃、后者为100℃，其发电能力就相差很大，前者为0.9135kW，而后者只有0.3118kW；其热电转换效率前者为78.56%，而后者只有26.8%。

    如果不用1000kcal/h—1000℃的热量来直接发电而是经过一个换热过程后将其变成1000kcal/h—100℃的热量（类似于水泥窑330～360℃左右的废气经锅炉换热后变成了300℃左右的水蒸气），再用1000kcal/h—100℃的热量来发电（类似于水泥窑废气再由300℃左右的水蒸气发电），那么：本来如果由1000kcal/h—1000℃的热量直接发电时最高可发电0.9135kW，但经过换热后由1000kcal/h—100℃的热量来发电时最高发电只能为0.3118kW了。也就是说：这个换热过程由于有1000℃－100℃=900℃换热温差的存在，造成了0.9135kW－0.3118KkW=0.6017kW发电能力的损失。这个过程说明：只要有换热温差存在，就有发电能力的损失；在研究热能—动力转换过程中，前述0.6017kW发电能力的损失称为由于换热温差形成的固有损失，其与0.9135kW的比值0.6017kW/0.9135kW=65.9%称为固有损失率。显然，换热过程中的换热温差越大，发电能力损失或固有损失越大。

    1.2 的概念

    自然界中的能有热能、机械能、风能、电能、水能、化学能等多种形式，它们的最终目的都是要转变为有用功。因此，就是对某一状态的能在可逆条件下过渡到环境状态时能够最大限度地转变为有用功即能质这一共性的量度。电能是质量最高的能，从热力学角度，认为电能可以100%的转变为有用功，因此发电功率也就可以认为是。

    对于某种工艺过程的废气余热，其的计算方法如下：

    图1是废气在某一设备中进行可逆稳定的流动过程。即废气以状态1流入该设备，以状态2流出该设备；有另一个热源T将热量dq流入该设备，以有用功Ws流出该设备——这个过程一般可称为热能—动力转换过程。根据能量守恒定律，则流入设备和流出设备的能量是相等的，当忽略进口处和出口处废气的动能和位能差，则建立的能量方程（1）和熵方程（2）分别如下。

 

    能量方程：h1+∫dq=h2+Ws                                 (1)

    熵方程：s1+∫(dq/T)=s2                                                          (2)

    设环境温度为T0并以T0乘方程（2）后与方程（1）相减可得：

    h1-T0s1-∫[( T0÷T)dq]+ ∫dq=h2-T0s2+Ws

    即Ws=(h1-h2)-T0 (s1-s2) -∫[( T0÷T)dq]+ ∫dq             (3)

    设废气余热没有外来热源T存在（如水泥窑纯低温废气余热发电系统），则∫( To÷T) dq= ∫dq=0，则有：

    Ws=(h1-h2)-T0 (s1-s2)                                     (4)

    再令流出设备的状态2等于环境状态0，那么式（4）变为：

    Ws=(h1-h0)-T0 (s1-s0)                                     (5)

    由于过程是可逆的，因此其Ws即是废气热量在状态1下变化到环境状态时对环境所做的最大有用功，即状态1的废气 ：

    φ1=Ws=(h1-h0)-To(s1-s0) 

    根据定压过程焓及熵的定义式有：

    φ1=(Cpt1·t1- Cpt0·t0)-To[Cpt1ln(T1÷273)-Cpt0ln(T0÷273)]

    上式中废气定压比热Cpt1 和Cpt0在低温废气余热发电能力分析所涉及的温度范围内其数值相差较小，同时环境温度t0接近于0℃或273K，因此上式可近似写成：

    φ1≈Cpt1·t1.-T0Cpt1·ln(T1÷T0)                        (6)

    式中：t1——是指流入设备的废气摄氏温度，℃。

    Cpt1——是指温度为t1℃时的废气之定压比热，kJ/（kg·℃）或kJ/m3（标）·℃；

    T0为环境绝对温度，K；

    T1—是指流入系统的废气绝对温度，K；

    式（6）即是：任何一种工艺过程的废气余热理论上转换为电能的极限能力，而这个能力是纯理论的，是与发电系统采用水、水蒸气、有机物、木头、石头等无关的，也是与采用何种热能—动力循环方式无关的。

    2 新型干法水泥窑低温废气余热最大发电能力

    2.1  新型干法水泥窑低温废气余热理论极限发电能力Ne

    任何一种热能—动力转换过程都是有做功能力损失的，而利用上述 的概念同时不考虑做功能力损失所确定出的做功能力称为为理论极限发电能力。

    对于熟料实际产量为5500 t/d、窑尾预热器出口废气参数为369000Nm3/h—330℃、窑尾烘干废气温度为210℃、窑头冷却机出口总废气参数为302600Nm3/h—290℃的水泥窑，当仅利用窑尾预热器、窑头冷却机废气余热发电时，其废气余热的理论极限发电能力计算如下(设环境温度T0=298K—25℃)。

    2.1.1 窑尾预热器废气余热理论极限发电能力

    窑尾预热器出口废气（即理论极限发电能力）Nsp1：

    Nsp1=369000Nm3/h×(1/3600s)×｛0.3523kcal/(Nm3·℃)×330℃－298K×0.3523kcal/(Nm3·K)× ln((330+273)K/298K)｝×4.1868kJ/kcal=18135.8kW

    窑尾预热器余热锅炉出口废气（即理论极限发电能力）Nsp2：

    Nsp2=369000Nm3/h×(1/3600s)×｛0.3444kcal/(Nm3·℃)×210℃－298K×0.3444kcal/(Nm3·K)× ln((210+273)K/298K)｝×4.1868 kJ/kcal =9763kW

    窑尾预热器废气余热的理论极限发电能力Nsp：

    Nsp=Nsp1-Nsp2=18135.8kW-9763kW=8372.8kW

    2.1.2 窑头冷却机废气余热理论极限发电能力

    冷却机出口废气（即理论极限发电能力）Naqc1：

    Naqc1=302600Nm3/h×(1/3600s)×｛0.3145kcal/(Nm3·℃)×290℃－298K×0.3145kcal/(Nm3·K)× ln((290+273)K/298K)｝×4.1868kJ/kcal=11113.8kW

    窑头冷却机余热锅炉出口废气（即理论极限发电能力）Naqc2：

    Naqc2=302600Nm3/h×(1/3600s)×｛0.3103kcal/(Nm3·℃)×85℃－298K×0.3103kcal/(Nm3·K)× ln((85+273)K/298K)｝×4.1868 kJ/kcal =3311.6kW

    窑头冷却机废气余热理论极限发电能力Naqc：

    Naqc=Naqc1-Naqc2=11113.8kW-3311.6kW=7802.2kW

    2.1.3 水泥窑废气余热理论极限发电能力Ne

    Ne=Nsp+Naqc=8372.8kW+7802.2kW=16175kW(折全成吨熟料余热发电量为70.58kWh/t)。

    2.2  新型干法水泥窑低温废气余热最大发电能力Nmax

    2.2.1损失及效率

    （1）固有损失和固有损失率概念。§2.1计算的水泥窑废气余热理论极限发电能力，没有考虑实际工程中由于各种换热设备内有换热温差存在而产生的(即发电能力—下同)损失，也没有考虑汽轮机动力转换过程中产生的内部蒸汽膨胀损失等。这二种损失统称为固有损失，其与理论极限发电能力之比称为固有损失率。固有损失是不能够通过技术手段避免的，也即无论采用何种热能—动力循环方式、也无论采用何种循环工质，或采取其它任何技术措施，这个损失都是存在而且不会减少的。

    （2）技术损失和技术损失率概念。同样§2.1计算中也没有考虑到汽轮机动力转换过程中产生的散热、内部漏汽、机械、自用动力损失，以及系统内锅炉、废气及汽水管道散热、漏废气、漏汽等损失和发电机损失等。这些损失统称为技术损失，其与理论极限发电能力之比称为技术损失率。技术损失是可以通过采取技术手段尽量降低的，如:改变热能—动力循环方式、改变循环工质，或采取加强保温、减少漏汽和漏气、减少自用动力、减少压力损失等具体技术措施。

    （3）总固有损失△Ng及固有损失率ηg。对于热源温度较低的热力发电系统(如水泥窑纯低温余热发电系统)，由于各换热设备(包括锅炉)换热温差较小，系统的固有损失相对较小。经严格计算，在锅炉内换热温差窄点不小于15℃的情况下，系统总的固有损失△Ng不小于理论极限发电能力Ne的25%，即固有损失率ηg为不低于25%。对于燃烧燃料的火力发电厂，由于锅炉换热温差很大，系统总的固有损失要占到42%以上，也即固有损失率ηg为不低于42%。对于中空窑850℃高温废气余热发电要占到36%以上，相应的固有损失率ηg为不低于36%。

    （4）总技术损失△Nj及技术损失率ηj。根据电站系统的实际配置，系统总技术损失△Nj一般为理论极限发电能力Ne的10%以上，也即技术损失率ηj为不低于10%。

    （5）总损失△N及效率η。对于热能—动力转换系统，总的损失为：△N = △Ng+△Nj，而效率也即理论极限发电能力Ne中能够实际转换为电能的比例η=1-（ηg+ηj）= (Ne-△N)/ Ne。对于水泥窑纯低温余热发电系统，总损失△N不低于理论极限发电能力Ne的35%，也即效率η为不超过65%；燃烧燃料的火力发电厂，总损失△N不低于理论极限发电能力的52%，即效率η为不超过48% (即总损失△N过高是燃烧燃料的火力发电厂,尽管已采用超超临界参数,而其热效率仍不能超过48%的原因所至)；中空窑850℃高温废气余热发电，总损失△N不低于理论极限发电能力的46%，效率η为不超过54%。

    2.2.2 水泥窑纯低温余热发电系统理论最大发电能力Nmax

    在水泥窑纯低温余热发电系统中仅考虑固有损失时的发电能力称为理论最大发电能力Nmax。之所以仅考虑固有损失，是因为：前述的水泥窑纯低温余热发电系统固有损失率25%是以锅炉内可能的最小换热温差15℃为基础的，是与实际工程采用的热能—动力循环方式及工质无关的。

    综合上述分析，对于前述的实际熟料产量为5500t/d的水泥窑，其废气余热理论最大发电能力为Nmax=Ne－Ne×ηg =16175kW －16175kW×25%=12131kW，或者说: 对于带有5级或5级以上预热器的新型干法水泥窑，当仅利用窑头窑尾废气余热且在满足水泥生产原燃料烘干的条件下，吨熟料余热理论最大发电能力为不超过53kWh/t。

    2.2.3  水泥窑纯低温余热发电系统实际最大发电能力N

    前述的理论最大发电能力没有考虑技术损失造成的发电能力损失，但在实际工程中，如前所述，技术损失是不可能不存在的，只是由于采取的热能—动力循环方式、工质及工程具体技术措施不同而有损失多少不同之差。因此，既考虑固有损失又考虑技术损失的发电能力称为实际最大发电能力N。

    仍以前述的实际熟料产量为5500t/d的水泥窑为例，废气余热最大发电能力N=Ne－Ne×(ηg +ηj)=16175kW －16175kW×(25%+10%)=10513kW，或者说: 对于带有5级或5级以上预热器的新型干法水泥窑，余热发电系统就以水及水蒸气为工质并采用目前通常采用的以郎肯循环为基础发展而来的低温废气余热发电循环方式，在仅利用窑尾预热器及窑头熟料冷却机排出的废气并满足水泥生产原燃料烘干的条件下，吨熟料余热最大发电能力为不超过46kWh/t。

    3  我国新型干法水泥窑纯低温余热发电技术目前的实际水平

    3.1  第一代水泥窑纯低温余热发电技术的实际水平

    对于第一代余热发电技术，只利用了水泥窑窑尾预热器及窑头熟料冷却机排出的废气中的部分余热，在具体技术细节上也同时还存在如下问题：

     (1)由于采用0.689～1.27MPa—280～330℃低压低温主蒸汽参数，锅炉内水及水蒸气的饱和温度(水变成蒸汽的温度)只有170～198℃，使锅炉内的废气与水及水蒸气的平均换热温差增大，即循环系统的系统总固有损失△Ng增大。因此当窑尾预热器废气温度为320～330℃时，目前实际发电量只达到了22～33kWh/t,不能达到实际设计计算指标28～35KWh/t的发电量。

    (2)由于汽轮机主蒸汽温度不能调整，使主蒸汽温度波动范围远远超出保证汽轮机寿命所允许的波动范围，因此汽轮机寿命(主要是叶片寿命)受到影响。

    (3)由于汽轮机采用低压低温主蒸汽参数，使汽轮机不具备采用滑参数（滑参数是指：在保证汽轮机寿命和效率的前提下，汽轮机进汽压力和温度允许有很大的变化范围，这一点，对水泥窑纯低温余热电站的运行非常重要）运行的条件（如:当设计采用主蒸汽压力和温度为0.689MPa-317℃时，实际运行变化范围只能达到0.49～0.78MPa、292～330℃），保证汽轮机效率和寿命的允许主蒸汽参数运行变化的范围很小，这样发电系统的运转率、可靠性、汽轮机效率和寿命、对水泥窑生产波动的适应性等都不理想的。

    (4)由于热力系统配置的原因，第一代余热发电电站在实际运行中，一方面窑头熟料冷却机约130℃以下废气余热没有得到私分利用，另一方面锅炉给水除氧又不得不采用真空或者化学加药除氧方式。这样，不但难以保证锅炉给水品质连续稳定满足锅炉运行要求，又加大了电站运行成本。

    （5）由于热力系统配置的原因，窑头余热锅炉、窑尾余热锅炉给水系统不得不采用混合给水系统，使两台锅炉的运行互相影响，造成电站运行不稳定同时难以适应水泥生产的工况波动。

    （6）窑尾余热锅炉出口废气温度不可调整，不适应水泥生产原燃料烘干所需废气温度的变化(原燃料水分高时，烘干需要的废气温度高；原燃料水分低时，烘干需要的废气温度低；当原燃料生产系统停运时则不需要烘干废气)，使废气余热不能最大限度地转化为电能。

    (7)由于窑尾余热锅炉给水来自于窑头冷却机锅炉，同时一般情况下窑尾余热锅炉蒸汽温度又不能满足汽轮机运行要求，因此当点窑、窑尾临时止料或窑头锅炉故障时电站不能投入运行，从而影响电站相对于水泥窑的运转率。

    (8)由于电站设计或总承包单位设计经验(或是有意的行为)的原因，在余热锅炉受热面配置(锅炉重量)、管道配置、保温结构及选材等方面不能满足电站的实际要求，使电站实际发电能力达不到应该达到的设计计算指标，同时也使电站的运转率、设备使用寿命达不到应该达到的指标。

    由于有上述问题的存在，类比新型干法水泥窑技术水平，目前我国第一代水泥窑纯低温余热发电技术相当于上个世纪80年代末、90年代初新型干法水泥窑的技术水平。

    3.2 第二代水泥窑纯低温余热发电技术的实际水平

    第二代余热发电技术也仍然只利用了水泥窑窑尾预热器及窑头熟料冷却机排出的废气中的部分余热，在具体技术细节上虽然解决了第一代余热发电技术存在的绝大部分问题，但由于技术水平的限制也还同时存在着以下问题。

    (1)窑筒体余热、窑头熟料冷却机废气经收尘器排出的废气余热还没有回收利用。

    (2)虽然采用1.57～2.45MPa—340～390℃次中压中温主蒸汽参数使锅炉内水及水蒸气的饱和温度提高至210～225℃，相应地使锅炉内的废气与水及水蒸气的平均换热温差减小，循环系统的系统总固有损失△Ng减小，实际设计计算指标提高到：当窑尾预热器废气温度为320～330℃时吨熟料发电量为38～42kWh/t，但由于仍然没有使总固有损失△Ng减小到接近理论极限发电能力的25%，因此其实际设计计算指标也没有达到实际应该达到的实际最大发电能力：吨熟料发电量46kWh/t。

    (3) 由于窑尾余热锅炉主蒸汽需至窑头冷却机过热器过热，同时窑尾余热锅炉蒸汽温度不能满足汽轮机运行要求，因此当点窑、或窑头冷却机过热器故障时电站不能投入运行，也影响电站相对于水泥窑的运转率。

    由于有上述问题的存在，目前我国第二代水泥窑纯低温余热发电技术相当于本世纪初新型干法水泥窑的技术水平。

    4 实现水泥熟料生产电能零消耗的途径

    实现生产水泥熟料只消耗750 kcal/kg的燃料而不消耗电能的目标，或实现水泥窑吨熟料余热发电量达到58kWh/t的途径，笔者认为只有如下几个途径：

    (1)在水泥行业进一步开发、推广、应用节电技术，使吨熟料生产电力消耗由目前的58kWh/t左右降到55KWh/t以下；

    (2)研究、开发生料烘干工艺和设备，使生料烘干废气温度能够从目前的200～210℃左右降至160～170℃（这项技术理论上可以使吨熟料余热发电量提高4～5kWh/t）；

    (3)研究、开发回收窑头冷却机收尘器排出的100℃左右废气余热并用于发电的技术和装备，这项技术理论上可以使吨熟料余热发电量提高2～3kWh/t；

    (4)研究、开发回收窑筒体余热并用于发电的技术和装备,这项技术理论上可以使吨熟料余热发电量提高3～4kWh/t；

    (5) 研究、开发能够使AQC锅炉、SP锅炉各自独立运行的措施，以提高电站相对于水泥窑的运转率；

    (6)尝试研究、开发新的热能—动力循环系统，以降低 损失,这项技术理论上可以使吨熟料余热发电量提高3～4kWh/t；

    (7)尝试研究、开发热物理性质即适合回收低温余热以降低 损失，又安全、环保、廉价、易得同时不需对现有工程材料生产、装备制造进行大的改动的工质,这项技术理论上可以使吨熟料余热发电量提高3～4kWh/t。

    在目前第二代技术的基础上，配套完成(2)～(5)项技术措施后构成我国水泥窑第三代纯低温余热发电技术，其实际设计计算发电指标将达到：

    当窑尾预热器废气温度为320～330℃时，吨熟料发电能力为48～52.5kWh/t。届时，我国水泥窑纯低温废气余热发电技术水平将与新型干法水泥生产技术水平同步发展。

    5 结论

    （1）根据热量的“质”或称“ ”的概念可知，对于相同的热量，如果温度不同，其发电能力是有极大差别的。

    （2）任一种工艺过程的废气余热，其理论上转换为电能的极限能力，是与发电系统采用的工质或采用的热能—动力循环方式无关的。

    （3）对熟料实际产量为5500 t/d、窑尾预热器出口废气温度为330℃、窑尾烘干废气温度为210℃、窑头冷却机出口总废气温度为290℃的水泥窑，当仅利用窑尾预热器、窑头冷却机废气余热发电时,完全不考虑做功能力损失的废气余热理论极限发电能力为70.58kWh/t；仅考虑固有损失而不考虑技术损失时，其废气余热理论最大发电能力为53kWh/t；再考虑技术损失，且是以水及水蒸气为工质并采用目前常用的以郎肯循环为基础发展而来的低温废气余热发电循环方式时，吨熟料余热最大发电能力不超过46kWh/t。

    （4）目前我国利用第一代技术并已建成投产的余热电站的吨熟料实际发电量只有22～33kWh/t，均没有达到28～35kWh/t的实际设计计算指标值；利用第二代技术并已建成投产的余热电站的吨熟料实际发电量为37～45kWh/t，基本达到38～45kWh/t的实际设计计算指标要求。

    （5）要实现水泥熟料生产电能的零消耗目标，应从多种途径着手研究和开发探索。

 

    编者按：字为造字，词库中没有改字

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