近年來，國內水泥工業(yè)的建設規(guī)模和技術水平都有較大的進步，現(xiàn)代新型干法水泥生產線的綜合能耗已有了較大幅度的降低，但由于生產規(guī)模的擴大，燒成系統(tǒng)仍有大量的低溫廢氣余熱被排放，得不到充分利用。 另一方面，水泥生產時又要消耗大量的電能，而當前國內電力供應緊張，電價持續(xù)上漲，已嚴重制約了水泥工業(yè)的發(fā)展。同時結合國家實施的節(jié)能、環(huán)保等一系列的政策措施，就使得低溫廢氣余熱發(fā)電技術的研究、開發(fā)、推廣應用尤為必要。被排放的低溫廢氣余熱如果用于發(fā)電，余熱的有效利用率究竟有多少，以噸熟料發(fā)電能力來評價為何會出現(xiàn)差異？被排放的低溫廢氣余熱最大發(fā)電能力到底有多大？……這是每位業(yè)主都非常關心的問題。因此，本文將通過一些有針對性的定量計算，來分析余熱的有效利用率及余熱發(fā)電效率。
1　有效發(fā)電功率的計算
　　鍋爐有效利用的熱量用于產生蒸汽并驅動汽輪機發(fā)電系統(tǒng)產生電能。一定熱量下產生電能的多少，取決于熱力發(fā)電系統(tǒng)的效率。
　　蒸汽動力裝置的理想循環(huán)就是朗肯循環(huán)，其動力設備如圖1。根據(jù)焓熵圖以及水蒸氣性質表計算得到朗肯循環(huán)的各點狀態(tài)參數(shù)，計算方法如圖2。朗肯循環(huán)的T-s圖見圖3。
　　點1：P1=1.7MPa、T1=330℃
　　h1=3 100.70kJ/kg、s1=6.970 1kJ/(kg·K)。
　　點2：P2=0.008MPa、T2=41.53℃
　　h2=2 180.78kJ/kg、s2=6.970 1kJ/(kg·K)。
　　點3：P3=0.008MPa、T3=41.53℃
　　h3=173.87kJ/kg、s3=0.592 5kJ/(kg·K)。
　　點4：P4=1.7MPa、T4=41.59℃
　　h4=175.57kJ/kg、s4=0.592 5kJ/(kg·K)。
　　點2act：P2act=0.008MPa、h2act=2 373.7kJ/kg
　　s2act=7.55kJ/(kg·K)。
　　忽略不計水泵功，循環(huán)熱效率η的近似計算公式為：
　　η===31.43%
1.1　鍋爐效率ηgi
　　余熱鍋爐吸收的熱量，考慮2%的鍋爐排污率等熱損失，其余全變成蒸汽去發(fā)電，則此處可認為鍋爐效率ηgi=98%。
1.2　管道效率ηgd
　　一般情況下若不計工質損失為99%，考慮到水泥廠純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)相距較遠，主蒸氣有壓降、溫降，此處取ηgd=98%
1.3　循環(huán)熱效率ηt
　　因朗肯循環(huán)的1點狀態(tài)參數(shù)，溫度影響較大，廢氣溫度在350℃左右，決定了朗肯循環(huán)的1點蒸汽溫度＜330℃，而蒸汽壓力（無論是1.3MPa或2.0MPa）h1變化不大。取ηt=31.43%
1.4　汽輪機的絕對內效率ηoi
　　一般情況下為75%～85%，水泥廠用低溫汽輪機取ηoi=80%
1.5　汽輪機的機械效率ηj
　　一般情況下為96%～99%，此處取ηj=98%
1.6　發(fā)電機效率ηd
　　與冷卻方式有關，對于中小容量的空氣冷卻機組其效率在97%～98%，一般取ηd=98%
1.7　總效率η
　　將以上各項效率考慮以后，則大型干法水泥生產線純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的總效率為：
　　η=ηgi×ηgd×ηt×ηoi×ηj×ηd
　　=0.98×0.98×0.314 3×0.8×0.98×0.98=23.19%
　　若汽輪機的絕對內效率取ηoi=75%，則系統(tǒng)的總效率為21.74%。
　　綜合分析大型干法水泥生產線純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的總效率為：21%~23%。
2　廢氣余熱利用分析
　　由于各個水泥生產線的規(guī)模、工藝流程、原燃料特性、氣象條件等原始資料不盡相同，廢氣排放量、廢氣成分和溫度也有所差異。為了方便分析計算，使余熱利用情況以數(shù)量化的形式展現(xiàn)，下面以5 000t/d熟料生產線為例，對水泥窯廢氣熱量進行定量分析計算。其它規(guī)模生產線的分析可大致依此類推比較。
2.1　窯尾預熱器和窯頭熟料冷卻機廢氣排放的熱量
2.1.1　窯尾預熱器廢氣排放的熱量
　　目前國內水泥生產線的燃料有采用煙煤的，也有采用無煙煤的，煤質不同，燃燒后產生的煙氣量也有所差異，高揮發(fā)分的煤和質量較次的煤其煙氣產生量較多。另外受預熱器系統(tǒng)換熱效率和分離效率的影響，不同的工藝配置將使出預熱器系統(tǒng)的廢氣溫度有所不同。經過現(xiàn)場調研和查閱資料，我們了解到目前國內新型干法水泥生產線單位熟料窯尾預熱器排出廢氣量約為1.34~1.63Nm3/kg熟料，那么對于5 000t/d熟料生產線，其出窯尾預熱器的廢氣量約為28~34萬Nm3/h，溫度約320~350℃。熱量計算時所采用的比熱值取決于廢氣各成分的含量，經過對一些生產線的取值計算比較，比熱值差異不太多。具體熱量計算取值如下：
　　窯尾預熱器排出的廢氣：32萬Nm3/h，溫度330℃，比熱1.51kJ/Nm3·℃。
　　窯尾預熱器排出的廢氣熱量：159.5×106kJ/h。
　　其中，用于烘干原料水分(5%水分)的熱量：45.5×106kJ/h。
　　扣除烘干原料熱量后，窯尾排放的廢氣熱量：114×106kJ/h。
2.1.2　窯頭熟料冷卻機廢氣排放的熱量
　　目前多數(shù)生產線配置的第三代充氣梁篦冷機熱回收效率可達72%~75%，單位熟料冷卻風量降至1.9~2.2Nm3/kg熟料，余風排放量也相應降低。由于不同生產線的工藝配置和原燃料特性的不同，窯用二次風和分解爐用三次風也有所不同，加之煤磨在窯頭或窯尾的配置不同，均對余風排放量有所影響，但其大致范圍在1.34~1.48Nm3/kg熟料，那么對于5 000t/d熟料生產線，其余風排放量約為28~31萬Nm3/h，溫度約200~250℃。冷卻機排出氣體主要是空氣，所以比熱可按自由空氣的比熱取值。熱量計算時取值如下：
　　窯頭熟料冷卻機排出的廢氣：30萬Nm3/h，溫度250℃，比熱1.3kJ/Nm3·℃
　　窯頭熟料冷卻機排出的廢氣熱量：97.5×106kJ/h
2.1.3　窯頭窯尾總排放的廢氣熱量
　　經過上述計算可知，窯頭窯尾實際排放的廢氣總熱量為211.5×106kJ/h，折合單位熟料總排放的廢氣熱量為1 015.2kJ/kg熟料。
　　現(xiàn)代新型干法水泥熟料生產線燒成熱耗~3 010kJ/kg熟料，那么窯頭窯尾總排放的廢氣熱量占水泥熟料燒成熱耗的百分比為33.7%。
2.2　余熱鍋爐有效利用熱量
2.2.1　窯尾SP爐有效利用熱量
　　由于窯尾出SP爐的廢氣要用于烘干原料，因此，要根據(jù)原料水分含量，通過原料磨系統(tǒng)的熱平衡計算，確定出SP爐的廢氣溫度。根據(jù)當前國內多數(shù)5 000t/d生產線的工藝配置情況，當煤磨在窯頭、原料磨采用立磨時，確定出SP爐的廢氣溫度按230℃計。如果煤磨在窯尾，或原料磨采用管磨時，還須結合原料磨和煤磨系統(tǒng)的熱平衡計算，另行確定出SP爐的廢氣溫度，此處為簡化計算，不再一一列出。確定了進出SP爐的廢氣量、廢氣溫度、漏風量、廢氣含塵濃度等參數(shù)后，即可根據(jù)鍋爐熱平衡計算，求得SP爐有效利用的廢氣熱量。計算取值和結果見表1。
...... 摘處《中國水泥》 2005年 05月號