新型干法水泥窯低溫廢氣余熱最大發(fā)電能力的討論

1、新型干法水泥窯低溫廢氣余熱最大發(fā)電能力的討論 大連易世達(dá)新能源發(fā)展股份有限公司 唐金泉 1的導(dǎo)入及其概念 1.1. 概念的導(dǎo)入 “熱量”有兩個方面的概念：一是“量”的概念，通常我們所講的“熱量”一般都是僅指 量的概念；另一個是“質(zhì)”的概念(這從熱能一動力轉(zhuǎn)換角度來講是最重要的概念)，它是與溫 度聯(lián)系在一起的，它可以描述為：某一數(shù)量的熱量，在不同溫度下理論上可以轉(zhuǎn)換為最大“有 用功”的能力，這個“有用功”通常定義為 “ ”。在火力發(fā)電領(lǐng)域，這個“有用功”或者“ ” 也可以稱為發(fā)電能力。 熱量的“質(zhì)”或稱“ ”的概念，說明了：對于相同的熱量，如果溫度不同，其發(fā)電能力 是有極大差別的，是研究熱能一動

2、力轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)理論之一，舉例如下。 1kg/h 1000 C 的熱水,其所含熱量為 1kg/h x 1000 cx 1kcal/(kg. C )=1000kcal/h 。這個 1000kcal/h 1000 C熱量值，在理論上轉(zhuǎn)化為最大電能的能力為：N=1-273K/(1000 C+ 273K) x 1000kcal/h x 4.1868kJ/kcal- 3600s=0.9135kW。 這里1000kcal/h 就是熱量，而0.9135kW就是1000kcal/h 熱量在1000 C時的質(zhì)量一即 。 這個 1000kCal/h 1000 C的熱量，理論上的熱電轉(zhuǎn)換效率為0.9135kW x 86

3、0kcal/kWh - 1000kCal/h=78.56%。 對于 10kg/h 100 C的熱水，其含有的熱量同樣為 10kg/h x 100 C x 1kcal/(kg. C )=1000kcal/h ，但這個 1000kcal/h 100 C熱量，理論上轉(zhuǎn)化為最大電能的能力 則為： N=1-273K/(100 C+ 273K) x 1000 kcal/h x 4.1868 kJ/kcal- 3600s=0.3118kW。 這個1000kcal/h 100 C的熱量，理論上的熱電轉(zhuǎn)換效率僅為0.3118kWx 860 kcal/kWh - 1000 kcal/h =26.8%。 因此，同樣

4、是1000kcal/h的熱量，但由于其溫度不同，前者為1000 C、后者為100C, 其發(fā)電能力就相差很大，前者為0.9135kW，而后者只有0.3118kW ;其熱電轉(zhuǎn)換效率前者為 78.56%，而后者只有26.8%。 如果不用1000kcal/h 1000 C的熱量來直接發(fā)電而是經(jīng)過一個換熱過程后將其變成 1000kcal/h 100C的熱量（類似于水泥窯 330360C左右的廢氣經(jīng)鍋爐換熱后變成了300C左 右的水蒸氣），再用1000kcal/h 100 C的熱量來發(fā)電（類似于水泥窯廢氣再由300 C左右的水 蒸氣發(fā)電），那么：本來如果由1000kcal/h 1000C的熱量直接發(fā)電時最

5、高可發(fā)電0.9135kW, 但經(jīng)過換熱后由1000kcal/h 100C的熱量來發(fā)電時最高發(fā)電只能為0.3118kW 了。也就是說： 這個換熱過程由于有1000 C 100 C =900 C換熱溫差的存在，造成了 0.9135kW 0.3118KkW=0.6017kW發(fā)電能力的損失。這個過程說明：只要有換熱溫差存在，就有發(fā)電能力的 損失；在研究熱能一動力轉(zhuǎn)換過程中，前述0.6017kW發(fā)電能力的損失稱為由于換熱溫差形成的 固有旳損失，其與0.9135kW的比值0.6017kW/0.9135kW=65.9%稱為固有 損失率。顯然，換熱 過程中的換熱溫差越大，發(fā)電能力損失或固有損失越大。 1.2

6、的概念 自然界中的能有熱能、機(jī)械能、風(fēng)能、電能、水能、化學(xué)能等多種形式，它們的最終目的 都是要轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉ΑＲ虼?，就是對某一狀態(tài)的能在可逆條件下過渡到環(huán)境狀態(tài)時能夠最大 限度地轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉茨苜|(zhì)這一共性的量度。電能是質(zhì)量最高的能，從熱力學(xué)角度，認(rèn)為電能可 以100%的轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉?，因此發(fā)電功率也就可以認(rèn)為是。 對于某種工藝過程的廢氣余熱，其琲i的計算方法如下： 圖1是廢氣在某一設(shè)備中進(jìn)行可逆穩(wěn)定的流動過程。即廢氣以狀態(tài)1流入該設(shè)備，以狀態(tài) 2流出該設(shè)備；有另一個熱源T將熱量dq流入該設(shè)備，以有用功 Ws流出該設(shè)備一一這個過程 一般可稱為熱能一動力轉(zhuǎn)換過程。根據(jù)能量守恒定律，則流入設(shè)備和流出設(shè)備

7、的能量是相等的， 當(dāng)忽略進(jìn)口處和出口處廢氣的動能和位能差，則建立的能量方程（1）和熵方程（2）分別如下。 圖i可逆穩(wěn)定流動過程的能量及熵平衡圖 能量方程： hi+/ dq=h2+Ws(i) 熵方程：s計/ (dq/T)=s 2 設(shè)環(huán)境溫度為To并以To乘方程(2)后與方程(1)相減可得： hi-T 0S1- / ( T o+ T)dq+/ dq=h2-ToS2+Ws 即 Ws=(h-h 2)-T o (s 1-S2) - / ( T o - T)dq+ / dq(3) ，則 / ( To- T) dq= 設(shè)廢氣余熱沒有外來熱源T存在(如水泥窯純低溫廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)) / dq=0，則有： W=

8、(hi-h2)-To (s i-s 2)(4) 再令流出設(shè)備的狀態(tài)2等于環(huán)境狀態(tài)O，那么式(4)變?yōu)椋?Vs=(h i-h o)-T o (s i-s o)(5) 由于過程是可逆的，因此其Ws即是廢氣熱量在狀態(tài)i下變化到環(huán)境狀態(tài)時對環(huán)境所做的最 大有用功，即狀態(tài)i的廢氣 ： i=Ws=(h-h o)-T o(s i-s o) 根據(jù)定壓過程焓及熵的定義式有: 0 i=(Cpti 11- Cp to to)-ToCp ti|n(T 1* 273)-Cpto|n(T o* 273) 上式中廢氣定壓比熱 Cpi和Cpo在低溫廢氣余熱發(fā)電能力分析所涉及的溫度范圍內(nèi)其數(shù)值 相差較小，同時環(huán)境溫度to接近于

9、0C或273K,因此上式可近似寫成： 0 尺 Cpti t i.-ToCpti ln(T i * To)(6) 式中：t1是指流入設(shè)備的廢氣攝氏溫度，C。 Cpti 是指溫度為tiC時的廢氣之定壓比熱，kJ/ (kgC)或kJ/m3 (標(biāo))C； To為環(huán)境絕對溫度，K; T1是指流入系統(tǒng)的廢氣絕對溫度，K; 式(6)即是：任何一種工藝過程的廢氣余熱理論上轉(zhuǎn)換為電能的極限能力，而這個能力是 純理論的，是與發(fā)電系統(tǒng)采用水、水蒸氣、有機(jī)物、木頭、石頭等無關(guān)的，也是與采用何種熱 能一動力循環(huán)方式無關(guān)的。 2新型干法水泥窯低溫廢氣余熱最大發(fā)電能力 2.1 新型干法水泥窯低溫廢氣余熱理論極限發(fā)電能力Ne

10、任何一種熱能一動力轉(zhuǎn)換過程都是有做功能力損失的，而利用上述的概念同時不考慮做 功能力損失所確定出的做功能力稱為為理論極限發(fā)電能力。 對于熟料實際產(chǎn)量為 5500 t/d、窯尾預(yù)熱器出口廢氣參數(shù)為369000NriVh 330 C、窯尾烘 干廢氣溫度為 210C、窯頭冷卻機(jī)出口總廢氣參數(shù)為302600Nm/h 290 C的水泥窯，當(dāng)僅利用 窯尾預(yù)熱器、窯頭冷卻機(jī)廢氣余熱發(fā)電時，其廢氣余熱的理論極限發(fā)電能力計算如下(設(shè)環(huán)境溫 度 To=298K 25 C )。 2.1.1窯尾預(yù)熱器廢氣余熱理論極限發(fā)電能力 窯尾預(yù)熱器出口廢氣(即理論極限發(fā)電能力)NSp1： NSp1=369000Nh x (1/3

11、600s) x 0.3523kcal/(Nm 3 - C) x 330C- 298KX 0.3523kcal/(Nm 3 -K) x ln(330+273)K/298K) x 4.1868kJ/kcal=18135.8kW 窯尾預(yù)熱器余熱鍋爐出口廢氣(即理論極限發(fā)電能力)Nsp2： Ntp2=369000Nm/h X (1/3600s) X 0.3444kcal/(Nm3 C ) X 210 C 298K X 3 0.3444kcal/(Nm K) X ln(210+273)K/298K) X 4.1868 kJ/kcal =9763kW 窯尾預(yù)熱器廢氣余熱的理論極限發(fā)電能力NSp: NSp=

12、NSp1-Nsp2=18135.8kW-9763kW=8372.8kW 2.1.2窯頭冷卻機(jī)廢氣余熱理論極限發(fā)電能力 冷卻機(jī)出口廢氣州1 (即理論極限發(fā)電能力)Nqc1： 3 Naqc1=302600NmYh X (1/3600s) X 0.3145kcal/(Nm3 C ) X 290 C 298K X 0.3145kcal/(Nm3 K) X In(290+273)K/298K) X 4.1868kJ/kcal=11113.8kW 窯頭冷卻機(jī)余熱鍋爐出口廢氣(即理論極限發(fā)電能力)Naqc2 : Nqc2=302600Nm3/h X (1/3600s) X 0.3103kcal/(Nm3 C

13、 ) X 85 C 298K X 0.3103kcal/(Nm3 K) X ln(85+273)K/298K) X 4.1868 kJ/kcal =3311.6kW 窯頭冷卻機(jī)廢氣余熱理論極限發(fā)電能力Naqc : N5qc=Mqc1-Naqc2=11113.8kW-3311.6kW=7802.2kW 2.1.3水泥窯廢氣余熱理論極限發(fā)電能力Z N3=Nsp+Naqc=8372.8kW+7802.2kW=16175kW(折全成噸熟料余熱發(fā)電量為70.58kWh/t)。 2.2 新型干法水泥窯低溫廢氣余熱最大發(fā)電能力Nmax 2.2.1 損失及空I效率 (1) 固有 損失和固有損失率概念。 2.1

14、計算的水泥窯廢氣余熱理論極限發(fā)電能力， 沒有考慮實際工程中由于各種換熱設(shè)備內(nèi)有換熱溫差存在而產(chǎn)生的(即發(fā)電能力一下同)損 失，也沒有考慮汽輪機(jī)動力轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的內(nèi)部蒸汽膨脹損失等。這二種損失統(tǒng)稱為固有 損失，其與理論極限發(fā)電能力之比稱為固有損失率。固有損失是不能夠通過技術(shù)手段避 免的，也即無論采用何種熱能一動力循環(huán)方式、也無論采用何種循環(huán)工質(zhì)，或采取其它任何技 術(shù)措施，這個損失都是存在而且不會減少的。 (2) 技術(shù);訶損失和技術(shù)損失率概念。同樣 2.1計算中也沒有考慮到汽輪機(jī)動力轉(zhuǎn)換過 程中產(chǎn)生的散熱、內(nèi)部漏汽、機(jī)械、自用動力損失，以及系統(tǒng)內(nèi)鍋爐、廢氣及汽水管道散熱、 漏廢氣、漏汽等損失和發(fā)

15、電機(jī)損失等。這些損失統(tǒng)稱為技術(shù)損失，其與理論極限發(fā)電能 力之比稱為技術(shù)損失率。技術(shù)損失是可以通過采取技術(shù)手段盡量降低的，如：改變熱能一 動力循環(huán)方式、改變循環(huán)工質(zhì)，或采取加強(qiáng)保溫、減少漏汽和漏氣、減少自用動力、減少壓力 損失等具體技術(shù)措施。 (3) 總固有損失 Ng及固有損失率n g。對于熱源溫度較低的熱力發(fā)電系統(tǒng)(如水泥 窯純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng))，由于各換熱設(shè)備(包括鍋爐)換熱溫差較小，系統(tǒng)的固有損失相對較 小。經(jīng)嚴(yán)格計算，在鍋爐內(nèi)換熱溫差窄點不小于15C的情況下，系統(tǒng)總的固有損失 Ng不小 于理論極限發(fā)電能力 Ne的25%即固有 損失率n g為不低于25%對于燃燒燃料的火力發(fā)電 廠，由于鍋爐

16、換熱溫差很大，系統(tǒng)總的固有損失要占到42%A上，也即固有損失率n g為 不低于42%對于中空窯850C高溫廢氣余熱發(fā)電要占到36%上，相應(yīng)的固有損失率n g為 不低于36% (4) 總技術(shù)損失 Nj及技術(shù) 損失率n j。根據(jù)電站系統(tǒng)的實際配置，系統(tǒng)總技術(shù)損 失厶N(yùn)j 一般為理論極限發(fā)電能力 Ne的10%以上，也即技術(shù)損失率n j為不低于10% (5) 總損失 N及 效率n。對于熱能一動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，總的損失為： N= Ng+ Nj，而 效率也即理論極限發(fā)電能力Ne中能夠?qū)嶋H轉(zhuǎn)換為電能的比例n =1-( n g+n j )= (Ne- N)/ Ne。對于水泥窯純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，總損失 N不低于理

17、論極限發(fā)電能力Ne的35% 也即 效率n為不超過65%燃燒燃料的火力發(fā)電廠，總損失 N不低于理論極限發(fā)電能力 的52%即炯效率n為不超過48%(即總姍損失 N過高是燃燒燃料的火力發(fā)電廠，盡管已采用 超超臨界參數(shù),而其熱效率仍不能超過 48%勺原因所至)；中空窯850C高溫廢氣余熱發(fā)電， 總 損失 N不低于理論極限發(fā)電能力的 46% 炯效率n為不超過54% 2.2.2水泥窯純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)理論最大發(fā)電能力Nmax 在水泥窯純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中僅考慮固有損失時的發(fā)電能力稱為理論最大發(fā)電能力 Nmax之所以僅考慮固有損失，是因為：前述的水泥窯純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)固有損失率25% 是以鍋爐內(nèi)可能的最小

18、換熱溫差15 C為基礎(chǔ)的，是與實際工程采用的熱能一動力循環(huán)方式及工 質(zhì)無關(guān)的。 綜合上述分析，對于前述的實際熟料產(chǎn)量為5500t/d的水泥窯，其廢氣余熱理論最大發(fā)電 能力為 Nmax=N (3) 研究、開發(fā)回收窯頭冷卻機(jī)收塵器排出的100C左右廢氣余熱并用于發(fā)電的技術(shù)和裝備， 這項技術(shù)理論上可以使噸熟料余熱發(fā)電量提高23kWh/t ; (4) 研究、開發(fā)回收窯筒體余熱并用于發(fā)電的技術(shù)和裝備，這項技術(shù)理論上可以使噸熟料余 熱發(fā)電量提高 34kWh/t ; (5) 研究、開發(fā)能夠使 AQC鍋爐、SP鍋爐各自獨立運行的措施，以提高電站相對于水泥窯 的運轉(zhuǎn)率； (6) 嘗試研究、開發(fā)新的熱能一動力循環(huán)系統(tǒng)，以降低損失,這項技術(shù)理論上可以使噸熟 料余熱發(fā)電量提高 34kWh/t ; (7) 嘗試研究、開發(fā)熱物理性質(zhì)即適合回收低溫余熱以降低損失，又安全、環(huán)保、廉價、 易得同時不需對現(xiàn)有工程材料生產(chǎn)、 裝備制造進(jìn)行大的改動的工質(zhì)，這項技術(shù)理論上可以使噸熟 料余熱發(fā)電量提高 34kWh/t。 在目前第二代技術(shù)的基礎(chǔ)上，配套完成(2)(5)項技術(shù)措施后構(gòu)成我國水泥窯第三代純低 溫余熱發(fā)電技術(shù)，其實際設(shè)計計算發(fā)電指標(biāo)將達(dá)到： 當(dāng)窯尾預(yù)熱器廢氣溫度為320