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        一臺(tái)水泥窯鍋爐余熱利用率的測(cè)試研究

        2022-05-12 09:41:32薛紅香張霞張哲李繼生
        機(jī)電工程技術(shù) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:窯頭余熱利用率

        薛紅香,張霞,張哲,李繼生

        (泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院,山東泰安271000)

        0 引言

        能源的短缺是目前全世界都面臨的一項(xiàng)嚴(yán)重考驗(yàn),在這樣一個(gè)大背景下謀求發(fā)展,開發(fā)新能源是一個(gè)方面,更重要的是在節(jié)約能源上下足功夫。事實(shí)上,節(jié)約能源是一個(gè)國(guó)家能夠可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一,如果還堅(jiān)持傳統(tǒng)的能源利用方式,不能使資源有效地循環(huán)利用,就會(huì)使社會(huì)的整個(gè)資源環(huán)境加劇惡化,并且會(huì)造成能源快速枯竭。因此,推廣節(jié)能設(shè)備是勢(shì)在必行的一大舉措。

        目前,國(guó)內(nèi)余熱節(jié)能鍋爐的設(shè)計(jì)和研發(fā)已經(jīng)逐漸成熟,余熱鍋爐,是指利用工業(yè)過(guò)程中的各種廢氣、廢料或廢液中的余熱及其可燃物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的熱量把水加熱到一定溫度的鍋爐。余熱是在工業(yè)生產(chǎn)中未被充分利用就排放掉的熱量,它屬于二次能源,是一次能源和可燃物料轉(zhuǎn)換后的產(chǎn)物,余熱鍋爐是對(duì)社會(huì)和環(huán)境的一大貢獻(xiàn)。

        國(guó)內(nèi)外對(duì)工業(yè)鍋爐能效測(cè)試及節(jié)能改造的研究較多[1-3];對(duì)循環(huán)流化床鍋爐能效分析,并計(jì)算鍋爐的各項(xiàng)熱損失和熱效率,分析影響熱效率的主要因素[4];研究了中小型煤粉電站鍋爐能效、熱損失及改造前后熱效率的比較研究[5]。但是國(guó)內(nèi)外對(duì)余熱鍋爐利用率的測(cè)試分析極少涉及,尤其是對(duì)水泥窯鍋爐,關(guān)于窯頭AQC鍋爐和窯尾SP鍋爐同時(shí)進(jìn)行余熱利用率測(cè)試及計(jì)算更是沒有。因此研究水泥窯余熱鍋爐利用率的測(cè)試及計(jì)算,對(duì)余熱鍋爐運(yùn)行工況各參數(shù)進(jìn)行測(cè)試及分析,及時(shí)掌握鍋爐運(yùn)行的狀況,對(duì)余熱利用率的提高具有指導(dǎo)性意義。

        1 測(cè)試鍋爐基本概況

        該水泥窯余熱鍋爐于2013年10月投用,水泥窯余熱鍋爐由窯頭和窯尾兩臺(tái)鍋爐組成。窯頭鍋爐型號(hào)為QC220/380-38.5(4.7)-1.6(0.35)/360(190)(以下簡(jiǎn)稱AQC鍋爐),鍋爐額定蒸發(fā)量38 500(4 700)kg/h,額定蒸汽壓力1.6(0.35)MPa,額定蒸汽溫度360(190)℃,余熱煙氣進(jìn)口量220 000 Nm3/h,余熱煙氣進(jìn)口溫度380℃,設(shè)計(jì)余熱利用率74.1%;窯尾鍋爐型號(hào)為QC3600/300-18.8(6.8)-1.7(0.35)/280(190)(以下簡(jiǎn)稱SP爐),鍋爐額定蒸發(fā)量18 800(6 800)kg/h,額定蒸汽壓力1.7(0.35)MPa,額定蒸汽溫度280(190)℃,余熱煙氣量360 000 Nm3/h,余熱煙氣進(jìn)口溫度300℃,設(shè)計(jì)余熱利用率37.2%。

        1.1 鍋爐系統(tǒng)

        近年來(lái)人們對(duì)低碳環(huán)保的呼聲愈來(lái)愈高漲,國(guó)家對(duì)社會(huì)活動(dòng)所產(chǎn)生的碳排放量嚴(yán)格控制。倡導(dǎo)低能耗、低污染、低排放的經(jīng)濟(jì)模式。因此,鍋爐行業(yè)在保證鍋爐安全運(yùn)行的前提下產(chǎn)生了低排放和節(jié)約能源的理念。水泥窯余熱鍋爐能夠使廢氣熱量充分的被利用,一方面保證熱量利用更充分;另一方面也降低了燃料的消耗成本。其次也減少了氮氧化合物和硫氧化物的排放,同時(shí)余熱鍋爐的煙氣處理裝置對(duì)最后的尾氣進(jìn)行了凈化處理。

        為了進(jìn)一步提高余熱利用率,該水泥窯AQC鍋爐與SP鍋爐均采用采用雙壓系統(tǒng),雙壓系統(tǒng)是按照能量梯級(jí)利用的原理,在同一臺(tái)余熱鍋爐中設(shè)置兩個(gè)不同壓力等級(jí)的汽水系統(tǒng),分別進(jìn)行汽水循環(huán),產(chǎn)生高壓段和低壓段兩種過(guò)熱蒸汽;高壓段過(guò)熱蒸汽作為主蒸汽、低壓段過(guò)熱蒸汽作為補(bǔ)汽分別進(jìn)入補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī),推動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電,雙壓余熱發(fā)電系統(tǒng)使能量得到合理利用,余熱回收效率提高。AQC鍋爐中高壓低溫過(guò)熱器出口過(guò)熱蒸汽(約19.7 t/h)與來(lái)自SP鍋爐過(guò)熱蒸汽(約18.8 t/h)混合后(總的蒸發(fā)量38.5 t/h)進(jìn)入高壓段高溫過(guò)熱器。

        1.2 測(cè)試試驗(yàn)任務(wù)及目的

        依據(jù)GB/T10863《煙道式余熱鍋爐熱工試驗(yàn)方法》采用正平衡法對(duì)該臺(tái)水泥窯余熱鍋爐(窯頭AQC鍋爐和窯尾SP鍋爐)進(jìn)行運(yùn)行工況余熱利用率測(cè)試,測(cè)試主要運(yùn)行參數(shù)和計(jì)算該鍋爐的余熱利用率。

        1.3 測(cè)試依據(jù)

        此次測(cè)試依據(jù)為TSGG0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》和GB/T10863《煙道式余熱鍋爐熱工試驗(yàn)方法》及雙方簽訂的合同中有關(guān)技術(shù)要求[6-7]。

        1.4 測(cè)試流程

        測(cè)試試驗(yàn)人員根據(jù)該臺(tái)水泥窯余熱鍋爐受熱面的布置情況、試驗(yàn)任務(wù)和目的要求、現(xiàn)場(chǎng)具體情況以及測(cè)試依據(jù)編制該臺(tái)鍋爐的余熱利用率測(cè)試方案,確定測(cè)試方法和測(cè)試項(xiàng)目以及試驗(yàn)用儀器儀表設(shè)備(儀器儀表應(yīng)在校驗(yàn)合格的有效期限內(nèi))。測(cè)試流程如下:(1)該臺(tái)水泥窯余熱鍋爐資料審查;(2)編寫測(cè)試試驗(yàn)方案;(3)方案審核;(4)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn);(5)測(cè)試數(shù)據(jù)的整理計(jì)算與分析;(6)出具測(cè)試報(bào)告;(7)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)束。若測(cè)試試驗(yàn)方案審核不通過(guò),測(cè)試人員重新編寫測(cè)試試驗(yàn)方案,直到方案審核合格后方可進(jìn)行下一步工作。

        2 測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程

        2.1 測(cè)試試驗(yàn)要求

        余熱利用率的測(cè)試試驗(yàn)應(yīng)滿足以下要求:(1)余熱鍋爐汽水系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)密、無(wú)泄漏、煙風(fēng)系統(tǒng)消除不正常的泄漏;(2)所有受熱面在試驗(yàn)前均處于正常運(yùn)行的清潔狀態(tài);(3)確定余熱鍋爐主、輔機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常,余熱資源正常、穩(wěn)定;(4)正式試驗(yàn)前余熱鍋爐達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

        2.2 測(cè)試過(guò)程說(shuō)明

        本次該余熱鍋爐余熱利用率采用正平衡法進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)計(jì)算。測(cè)試時(shí)間為該余熱鍋爐(AQC鍋爐與SP鍋爐)各實(shí)際運(yùn)行工況下測(cè)試,測(cè)試時(shí)間均為4 h,AQC鍋爐與SP鍋爐測(cè)量讀數(shù)次數(shù)均為17次,間隔讀數(shù)時(shí)間均為15 min。AQC鍋爐和SP鍋爐余熱利用率測(cè)試工況說(shuō)明如表1所示,測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置說(shuō)明如表2所示。

        表1 余熱利用率測(cè)試工況說(shuō)明

        表2 測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置說(shuō)明

        3 測(cè)試數(shù)據(jù)整理及計(jì)算

        3.1 窯頭AQC鍋爐測(cè)試數(shù)據(jù)

        該臺(tái)水泥窯窯頭AQC鍋爐余熱利用率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試原始數(shù)據(jù)如表3所示。

        表3 窯頭AQC鍋爐現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試原始數(shù)據(jù)

        3.2 窯尾SP鍋爐測(cè)試數(shù)據(jù)

        該臺(tái)水泥窯窯尾SP鍋爐余熱利用率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試原始數(shù)據(jù)如表4所示。

        表4 窯尾SP鍋爐現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試原始數(shù)據(jù)

        3.3 余熱利用率數(shù)學(xué)模型的建立

        該臺(tái)水泥窯余熱鍋爐采用正平衡法測(cè)試與計(jì)算,依據(jù)GB/T10863《煙道式余熱鍋爐熱工試驗(yàn)方法》該臺(tái)鍋爐余熱利用率ξ計(jì)算數(shù)學(xué)模型如下:

        式中:ξ為余熱利用率,%;Q1為有效輸出熱量,kJ/h;Qr為輸入熱量,kJ/h。

        3.3.1 輸入熱量

        式中:V為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積流量,m3/h;Cr為余熱資源的比熱,kJ/(m3?℃);tr為余熱資源溫度,℃;tk為環(huán)境溫度,℃。

        Qnet.ar為余熱資源中所含可燃物質(zhì)的收到基低溫發(fā)熱量,kJ/m3,則有:

        式中:QCO為余熱資源中CO含量,%;QH2為余熱資源中H2含量,%;Qqt為余熱資源中所含有的其他可燃?xì)怏w的發(fā)熱量,kJ/m3。

        3.1.2 有效輸出熱量Q1

        式中:Q1為有效輸出熱量,kJ/h;D為過(guò)熱蒸汽流量(實(shí)測(cè)蒸發(fā)量),kg/h;Gq為過(guò)熱蒸汽取樣量,kg/h;Dgj為過(guò)熱蒸汽減溫水流量,kg/h;hgq為過(guò)熱蒸汽熱焓(實(shí)測(cè)),kJ/kg;hgs為蒸汽鍋爐給水熱焓(實(shí)測(cè)),kJ/kg;hgj為過(guò)熱蒸汽減溫水熱焓,kJ/kg;Dzy為自用蒸汽流量,kg/h;hzy為自用蒸汽熱焓,kJ/kg;?為爐水的汽化潛熱,kJ/kg;ω為飽和蒸汽濕度,%;Gs為爐水取樣量,kg/h;hbq為飽和蒸汽熱焓(實(shí)測(cè)),kJ/kg;

        3.4 余熱利用率的計(jì)算

        3.4.1 窯頭AQC鍋爐

        由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)和建立的余熱利用率數(shù)學(xué)模型,將窯頭AQC鍋爐所測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)代入數(shù)學(xué)模型式(2)和式(3)得AQC鍋爐的輸入熱量Qr=137 936 764.6 kJ/h;將所測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)代入數(shù)學(xué)模型式(4)得AQC鍋爐的輸出熱量Q1=137 936 764.6 kJ/h

        將計(jì)算得到的Qr和Q1的數(shù)值代入數(shù)學(xué)模型式(1),計(jì)算該窯頭AQC鍋爐的余熱利用率ξ為:

        3.4.2 窯尾SP鍋爐

        該臺(tái)窯尾SP鍋爐余熱利用率ξ的計(jì)算方法同3.4.1,由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)和建立的余熱利用率數(shù)學(xué)模型計(jì)算得:SP鍋爐輸入熱量Qr=163 396 262.5 kJ/h;SP鍋爐的輸出熱量Q1=52 012 108.1 kJ/h;SP鍋爐余熱利用率ξ=33.70%。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        余熱鍋爐是余熱再利用,是節(jié)約能源、降低消耗、實(shí)現(xiàn)資源綜合利用的節(jié)能型設(shè)備,既可以降低工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的成本、提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,又可以降低余熱廢氣的排煙溫度和排塵濃度,減少空氣污染和溫室效應(yīng),使企業(yè)做到資源循環(huán)利用,實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

        該臺(tái)水泥窯余熱鍋爐本次運(yùn)行工況余熱利用率測(cè)試試驗(yàn),窯頭AQC鍋爐余熱利用率71.43%,與該AQC鍋爐的設(shè)計(jì)熱效率值74.1%相差3.60%;窯尾SP余熱利用率33.70%,與該SP鍋爐的設(shè)計(jì)熱效率值37.2%相差9.40%,由測(cè)試計(jì)算數(shù)據(jù)得到該臺(tái)水泥窯窯頭AQC鍋爐和窯尾SP鍋爐的余熱利用率與設(shè)計(jì)數(shù)值相差均在10%以內(nèi),余熱利用率極高,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

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