唐占甫（洛陽建材建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 洛陽 471003）

1 引言

余熱鍋爐的熱源為窯頭窯尾大量低品質(zhì)的余熱，要想實(shí)現(xiàn)廢氣能量的梯級利用，要想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)余熱利用效率最高，余熱鍋爐的參數(shù)選擇非常重要。五級預(yù)熱器的熟料生產(chǎn)線，預(yù)熱器的出口溫度在320℃左右，根據(jù)熱平衡模擬計(jì)算和熱工標(biāo)定及實(shí)際運(yùn)行情況，窯頭余熱鍋爐采用雙壓和設(shè)置公共省煤器及公共過熱器，窯頭鍋爐的公共省煤器出口高溫?zé)崴└G頭鍋爐和窯尾鍋爐，窯尾鍋爐產(chǎn)生的蒸汽和窯頭鍋爐產(chǎn)生的蒸汽匯合后至窯頭公共過熱器再過熱后作為主蒸汽進(jìn)汽輪發(fā)電機(jī)，汽輪機(jī)采用補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)，額定主汽壓力1.6 MPa(a),主汽溫度320℃，額定補(bǔ)汽壓力0.35 MPa(a),補(bǔ)汽溫度155℃時(shí)余熱利用最徹底，熱效率最高。

六級預(yù)熱器的熟料生產(chǎn)線，預(yù)熱器的出口溫度低至270℃以下，再采用和五級預(yù)熱器一樣的設(shè)計(jì)參數(shù)會導(dǎo)致鍋爐排煙溫度較高，飽和水和蒸汽的產(chǎn)生量熱量上無法平衡，會因設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇不當(dāng)導(dǎo)致余熱不能很好利用。本文以冀東某采用六級預(yù)熱器的萬噸熟料線為例，對整個(gè)余熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行熱平衡計(jì)算和參數(shù)確定，使整體的余熱利用熱效率最高。

2 余熱發(fā)電系統(tǒng)的確定

該水泥生產(chǎn)線對余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求見表1。

表1 余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)要求

根據(jù)水泥線對余熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行余熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從熱工理論分析，雙壓工藝可使相對高溫?zé)嵩串a(chǎn)生較高參數(shù)的蒸汽，使相對低溫?zé)嵩串a(chǎn)生較低參數(shù)的蒸汽，實(shí)現(xiàn)廢氣能量梯級利用，系統(tǒng)余熱利用效率最高，在五級預(yù)熱器的余熱發(fā)電系統(tǒng)中多采用雙壓，本次計(jì)算保留雙壓系統(tǒng)。雙壓余熱發(fā)電系統(tǒng)見圖1。

圖1 雙壓余熱發(fā)電系統(tǒng)圖

3 余熱鍋爐參數(shù)的確定

主汽壓力和主汽溫度越高，汽輪機(jī)效率越高，五級預(yù)熱器常用額定主汽壓力1.6 MPa,主汽溫度320℃，來源于窯尾余熱鍋爐出口蒸汽壓力1.6 MPa，1.7 MPa的飽和溫度204 ℃，窯尾余熱鍋爐產(chǎn)生1.7 MPa,溫度300 ℃的蒸汽到窯頭余熱鍋爐再過熱，由于預(yù)熱器出口煙風(fēng)溫度320 ℃，整體選擇這個(gè)主汽壓力和主汽溫度水和汽剛好平衡，熱效率最高。而六級預(yù)熱器出口煙風(fēng)溫度只有250 ℃，再選擇這個(gè)鍋爐出口蒸汽參數(shù)產(chǎn)生的蒸汽窯頭余熱鍋爐沒有能力完成過熱，水汽無法平衡，鍋爐排煙溫度無法滿足水泥生產(chǎn)線的要求，所以需要熱平衡試算出一個(gè)采用六級預(yù)熱器后的最佳窯頭鍋爐和窯尾鍋爐蒸汽出口溫度和壓力。

無論五級預(yù)熱器或六級預(yù)熱器，窯頭冷卻機(jī)的參數(shù)變化不大，對本次采用的四代篦冷機(jī)進(jìn)行熱工模擬計(jì)算，模擬出窯頭余熱鍋爐最佳的進(jìn)口風(fēng)溫和風(fēng)量，一般理論上四代篦冷機(jī)單位熟料廢氣量（標(biāo)況下）按2.2 m3/kg考慮[1]（校核計(jì)算實(shí)際為2.45 m3/kg），經(jīng)過公司多年研究和建模熱平衡計(jì)算，考慮二、三次風(fēng)及不能用于余熱發(fā)電的風(fēng)外，還有42.3%的風(fēng)量可以用于余熱發(fā)電，折合為1.00 m3/kg（為保守計(jì)算，按0.92 m3/kg計(jì)算），考慮二、三次風(fēng)及不能用于余熱發(fā)電的風(fēng)外，用于窯頭發(fā)電的高溫點(diǎn)為571℃（煤磨在窯尾時(shí)），低點(diǎn)溫度為110℃，折合總的風(fēng)量為460 000 m3/h。考慮熱工模擬的偏差，設(shè)計(jì)計(jì)算風(fēng)量為425 000 m3/h，溫度360℃。模擬計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 冷卻機(jī)熱工模擬結(jié)果圖

六級預(yù)熱器和五級預(yù)熱器出口煙氣溫度相差較大，設(shè)定窯尾余熱鍋爐產(chǎn)生飽和蒸汽，采用熱平衡試算法來滿足水和蒸汽的平衡，以及余熱鍋爐排煙溫度需滿足水泥生產(chǎn)線的要求，熱平衡試算結(jié)果見表2。

表2 窯尾余熱鍋爐試算結(jié)果對比

根據(jù)窯尾余熱鍋爐的試算結(jié)果，最終余熱鍋爐定的參數(shù)為，窯尾余熱鍋爐0.9 MPa，窯尾余熱鍋爐產(chǎn)生飽和蒸汽，飽和蒸汽產(chǎn)量26.5t/h。結(jié)合窯頭冷卻機(jī)煙氣量和煙氣溫度，熱平衡綜合平衡計(jì)算后，給水溫度135℃，給水來自窯頭余熱鍋爐的給水加熱器。計(jì)算實(shí)際排煙溫190℃，完全能夠滿足煤磨及原料磨的用熱風(fēng)，窯尾余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽在窯頭余熱鍋爐過熱產(chǎn)生過熱蒸汽。

窯頭余熱鍋爐，總的風(fēng)量（標(biāo)況下）為425 000 m3/h，平均溫度360℃用于計(jì)算。窯頭余熱鍋爐設(shè)置一個(gè)取風(fēng)口，設(shè)置一臺窯頭余熱鍋爐，余熱鍋爐設(shè)置公用省煤器，用于加熱窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐的給水。

窯頭余熱鍋爐采用雙壓鍋爐+熱水加熱段，窯頭余熱鍋爐熱水加熱段給水溫度42℃。窯頭余熱鍋爐高壓蒸汽溫度為330℃，壓力為0.9 MPa；低壓蒸汽溫度為155℃，壓力為0.45 MPa；計(jì)算高壓蒸汽產(chǎn)生量74.83 t/h，低壓蒸汽產(chǎn)生量6.5t/h。窯頭余熱鍋爐實(shí)際排煙溫度85℃，排煙溫度滿足水泥生產(chǎn)線對余熱發(fā)電的要求。窯頭余熱鍋爐熱水加熱段給水溫度42℃。

計(jì)算發(fā)電量12 500 kW，裝機(jī)容量15 MW。折合噸熟料實(shí)際發(fā)電量25.06 kWh。

4 結(jié)論

目前國內(nèi)外采用六級預(yù)熱器的水泥熟料線配套余熱發(fā)電成熟的案例較少，借鑒五級預(yù)熱器的余熱發(fā)電工藝和鍋爐參數(shù)，因六級預(yù)熱器出口煙氣溫度較低，會導(dǎo)致水汽不能平衡，余熱利用效率較低。設(shè)計(jì)上需進(jìn)行嚴(yán)格的熱平衡計(jì)算，選擇最合適的余熱鍋爐參數(shù)才能保證水汽的平衡，才能保證較高的余熱利用效率。