• ···LHWC水泥廠余熱發電項目熱工檢測和效益評估
2015-3-20 12:50:43   作者:盛潔,公磊,李昌勇   出處:《新世紀水泥導報》2010年第3期      熱     ★★★
摘要:對LHWC水泥廠2 500 t/d新型干法窯的熱工標定數據分析,熟料產量超過3 000 t/d以上,已經超過設計產量指標20%,產量指標達到了國內先進水平。 C1筒出口廢氣溫度降低到300 ℃左右,顯著降低了預熱器廢氣熱損失;各級預熱器的換熱效率比較高,但是其阻力損失也比較大。篦冷機的熱回收效率比較低,高溫風機也沒有多少富余。若增加余熱發電系統,必須更換高溫風機或者對系統進行優化以降低系統的阻力。從余熱發電的效益評估來看增加余熱發電系統,只需兩年半到三年半就可回收成本。
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    盛 潔  公 磊  李昌勇
    (南京工業大學材料科學與工程學院,210009) 
     

    0 引言
        LHWC水泥有限公司2500 t/d新型干法窯于2005年建成投產,由窯頭熟料冷卻機和窯尾預熱器排放的350 ℃以下廢氣,其熱量約占水泥熟料燒成系統總熱耗的30%以上。為了能充分利用這些熱量,實現水泥熟料的節能降耗,廠方打算增加純低溫余熱發電系統。本文根據對燒成系統的綜合熱工檢測結果進行分析,為純低溫余熱發電系統工程提供可靠的基礎參數,并對增加余熱發電工程進行經濟效益分析。

    1 系統熱工標定的主要參數
        我們對LHWC水泥廠2 500 t/d的生產線進行了現場熱工標定(表1~表4),標定期間,原料與煤粉質量穩定,系統運行也較穩定,標定結果具有代表性和可靠性。

    2 熱工標定數據分析
        LHWC公司2 500 t/d預分解窯系統的運行情況良好,運轉率超過90%以上,熟料產量超過3 000 t/d以上,已經超過設計產量指標20%。C1筒出口廢氣溫度降低到300 ℃左右,顯著降低了預熱器廢氣熱損失,系統的熟料燒成熱耗3 227.8 kJ/kg,低于國內一般帶五級旋風預熱預分解系統的2 500 t/d級新型干法窯的平均水平(3 260~3 350 kJ/kg熟料),指標也是比較優良的,但與國際水平2 842 kJ/kg相比[1],還是有一定的差距。熱耗較低的主要原因是出預熱器廢氣量比較少,C1筒出口廢氣溫度也比較低(304 ℃),這是該燒成系統熱耗較低的重要原因;其次,分解爐煤粉燃燒情況比較理想,各級預熱器氣固換熱比較充分,這也是預熱器系統溫度較低的重要原因。

    2.1 關于預熱器
        該生產線C1預熱器的廢氣溫度(304 ℃)對2500 t/d級新型干法窯而言屬于較好水平,說明預熱器系統的氣固換熱情況、各撒料裝置功能發揮情況都是比較好的(表5)。

        從旋風筒結構看,該系統的旋風筒采用了四心大渦殼結構,以求提高系統分離效果,這樣的總體思路是可取的,分離效果也是比較理想的,加上良好的氣固換熱效果,為系統穩定運行和提高性能指標奠定了較扎實的基礎。這也是系統產能和熱耗指標都比較好的重要原因之一。系統漏風量比較小,有利于旋風筒的物料分離和換熱效果[2]。

        應該指出的是,該系統的阻力損失明顯偏大,遠高于常規預熱器系統。這對系統的影響主要表現
    在電耗上。從實際運行情況看,當前窯內存在比較明顯的還原氣氛,窯尾時有爆燃現象,說明從系統用風來看熟料產量已經達到極限。在增加余熱發電系統后,由于窯尾余熱鍋爐阻力損失一般為800~1 200 Pa,系統的熟料產量將會因阻力損失過大而受到一定影響。

    2.2 關于高溫風機運行現狀
        該系統所選高溫風機的全壓正常為7000 Pa,風量46萬m3/h,電機功率1 250 kW。由于系統預熱器阻力偏高,高溫風機的風壓、電機電流也已經基本達到額定值。若要增加余熱發電鍋爐,一般需要增加阻力損失800~1 200 Pa(相當于當前系統壓力13%~18%),屆時風機風壓、風機電流均將大幅超過額定能力的上限。因而余熱鍋爐投入運行后對生產參數的穩定、對系統產能可能會有一定的不利影響,但如果在增加余熱發電設備的同時優化系統結構,降低系統的阻力損失[4],則不僅能夠保持當前的高產量,還有可能達到更加理想的熟料產量和質量指標。

        總之,從燒成系統來看,該生產線的總體指標達到了國內先進水平,但熟料冷卻效果不好、窯尾
    系統阻力大等問題是目前急需解決的。否則增加余熱發電系統后,系統熟料產能和熟料質量都將受到
    較明顯的影響。

    2.3 關于篦式冷卻機
    熟料冷卻效果不夠理想,出冷卻機熟料溫度高達187.8 ℃,冷卻機熱回收效率2(見表6)只有58.73%,即使把煤磨的熱風也全部認為是有效回收熱,熱回收效率也處在比較差的水平(60.96%)。冷卻機用風量2.093 Nm3/kg熟料,余風排放量1.201 Nm3/kg熟料,通過與國內部分篦冷機比較(表6)可以看出,該冷卻機熱回收情況總體上水平較差。

        冷卻機的性能指標不僅影響熟料冷卻效果,而且對系統能耗影響很大[3]。如果熟料冷卻效果得以改善,出冷卻機熟料溫度較當前降低70 ℃,則相當于多回收熱量59.2 kJ/kg熟料(相當于每天節煤8.06 t),無論是對降低能耗還是提高余熱發電量都將是十分可觀的。

    3 余熱發電
        根據熱工檢測結果,計算得到可用于余熱發電的熱量總量如表7所示。

        根據測定結果計算得出,預熱器廢氣管可利用熱焓全部轉化成電能可發電6 846.0 kW,窯頭廢氣的理想發電量(理論值)為11 876.3 kW,二者之和為18 722.3 kW。實際上,發電系統,尤其是純低溫余熱發電系統需要考慮鍋爐及管道系統散熱損失、相變熱損失、汽輪機效率等影響之后方可最后確定比較合理的汽輪機規格。正常大型電廠發電系統的熱效率可達30%~35%左右;水泥廠純低溫余熱發電系統由于廢氣溫度低、產生的蒸氣壓力低、氣體參數波動大等原因,余熱發電系統的熱效率相對要低一些,約16%~23%。國內早期的余熱發電系統效率較低,只有14%~18%,目前國內TJ、YSD等系列的低溫余熱發電系統的熱效率一般為16%~20%,個別系統可達20%~21%。先進的低溫余熱發電技術,由于采用高效閃蒸技術,使得熱利用效率和發電參數的穩定性均明顯提高,純低溫余熱發電系統的熱回收效率一般能達到22%左右,個別廢氣溫度較高的系統甚至達到25%~27%。本燒成系統若采用效率與先進技術指標相當的純低溫余熱發電系統,熱回收效率按22%考慮,則與該燒成系統標定期間參數相適應的發電量可達4 118.9 kW。再考慮冷卻機系統通過結構優化減少熟料帶走熱損失,則發電量還有增加的余地,因而,從適當留有余地的角度考慮,建議發電機組功率按4 500 kW選型。

    4 效益評估
        LHWC水泥廠2 500 t/d(實際生產能力約為3000 t/d)水泥生產線余熱發電的發電機組功率若按4 500 kW選型,總投資一般為每千瓦發電裝機5 500~6 500元人民幣[5]。同時要考慮銀行貸款利息,貸款利息按本金的15%計算。

        預計總投資為:4 500×(5 500~6 500)×1.15 ≈(2 846~3 364)萬元人民幣。

        具體投資數額視項目具體情況(項目所在地、水源、地質情況、場地情況、水泥熟料生產線情況、水泥廠現有電源情況等)不同而不同。

        水泥廠余熱發電系統運行后是不形成現金銷售收入的,其形成的收入實際是水泥廠少向電網支付的相當于電站供電量的電費,而形成的利潤則是水泥廠少向電網支付的電費與電站發電成本的差額。水泥廠余熱發電系統投入生產運行后的發電成本主要由以下幾部分組成:

        (1)折舊費:按十年折舊考慮,每度電折舊費一般為0.09~0.11元人民幣;

        (2)運行費:由電站投入生產運行后消耗的水、機油、化學藥品、人工、維修等費用組成,根據地水價、人工費等價格條件及發電裝機容量,運行費每度電一般為0.05~0.07元人民幣;

        (3)其它費用的支出,包括電網調度管理費等每度電一般為0.05~0.08元人民幣。

        按照上述各項費用,項目投入生產運行后的發電成本為0.19~0.26元人民幣。按余熱發電系統運轉率90%,正常平均發電功率按4 000 kW計,則年發電量:4 000×24×365×90%=3 153.6萬kWh。

        按照平均電價0.55元/kWh計,除去發電成本,每度電的凈利潤為0.29~0.36元人民幣,年利潤:(0.29~0.36)×3153.6萬kWh=(925~1134)萬元人民幣。

        成本回收年限:(2846~3364)萬元÷(925~1134)萬元=(2.5~3.6)年。

        大約在兩年半到三年半的時間里就可以把全部的成本回收。

    5 結束語
        通過對LHWC水泥廠2 500 t/d新型干法窯的熱工標定數據分析,熟料產量超過3 000 t/d以上,已經超過設計產量指標20%,產量指標達到了國內先進水平。

        (1)C1級筒出口廢氣溫度降低到300 ℃左右,顯著降低了預熱器廢氣熱損失;各級預熱器的換熱效率比較高,但是其阻力損失也比較大。

        (2)篦冷機的熱回收效率比較低,高溫風機也沒有多少富余。若增加余熱發電系統,必須要更換高溫風機或者對系統進行優化以降低系統的阻力。

        (3)從余熱發電的效益評估來看增加余熱發電系統,只需兩年半到三年半就可回收成本。

    參考文獻
    [1] 曾學敏. 水泥工業能源消耗現狀與節能潛力[J]. 中國水泥,2006, (3): 16-21.
    [2] 李昌勇,曹百言,陳傳文.漏風對旋風預熱器工作特性的影響[J].水泥,1989, (8): 23-28.
    [3] 邢國梁, 李昌勇, 王洛陽. 等. 高電石渣摻量1 200 t/d生產線熱工標定[J].水泥,2008, (4): 20-22.
    [4] 王洛陽,李昌勇.巢湖鐵道水泥廠1500t/d新型干法窯系統余熱發電前景分析[J].新世紀水泥導報,2008, (3):8-10.
    [5] 朱碧文.水泥廠純低溫余熱發電系統及經濟性簡析[J]. 中國招標,2008, (32): 30-31.

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