水泥窯余熱回收汽輪機(jī)拖動(dòng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

1、水泥窯余熱回收汽輪機(jī)拖動(dòng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析本文介紹了一種水泥窯余熱回收汽輪機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，即利用水泥窯生產(chǎn)余熱所產(chǎn)的蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)做功直接驅(qū)動(dòng)高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)風(fēng)機(jī)、水泥磨以及循環(huán)風(fēng)機(jī)等，并以典型的5000t/d水泥生產(chǎn)線(xiàn)采用余熱回收拖動(dòng)機(jī)組項(xiàng)目為例,介紹了主要設(shè)備配置、工作流程等，并對(duì)其進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。1前言隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源問(wèn)題日益突出。在巨大的用能壓力下,如何提高生產(chǎn)過(guò)程中所排余熱回收及利用效率，緩解生產(chǎn)用電緊張的形勢(shì)，是一個(gè)值得深入探討的問(wèn)題。在水泥企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，各種能源的轉(zhuǎn)換和使用直至廢氣排放過(guò)程構(gòu)成水泥企業(yè)的能量流動(dòng)過(guò)程。在水泥窯生產(chǎn)過(guò)程中所排余熱主要有兩部分：窯頭篦冷機(jī)所排熱

2、空氣；窯尾預(yù)熱器C1筒所排廢氣,充分回收利用這兩部分熱量可顯著降低水泥生產(chǎn)能耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)。目前對(duì)于以上這兩部分余熱，主要通過(guò)設(shè)置窯頭余熱鍋爐、窯尾余熱鍋爐來(lái)回收并產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，然后通過(guò)汽輪機(jī)做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。但是在水泥企業(yè)的生產(chǎn)工序中，有許多風(fēng)機(jī)和磨機(jī)等高耗能設(shè)備，這些設(shè)備動(dòng)輒幾MW,若直接以電機(jī)驅(qū)動(dòng)將會(huì)消耗大量的電能，給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)造成沉重的負(fù)擔(dān)。如果能夠利用水泥余熱所產(chǎn)的蒸汽，選擇其中臺(tái)或多臺(tái)高耗能轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備直接利用工業(yè)汽輪機(jī)拖動(dòng)，這樣減小能量利用過(guò)程中的中間轉(zhuǎn)換損失，既能提高能源的利用率，也有利于降低對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的負(fù)荷，具有較好的熱經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效益。從能源有效利用的角度看，汽輪

3、機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備經(jīng)過(guò)以下能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：蒸汽一汽輪機(jī)一轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備；電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備經(jīng)過(guò)以下能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：蒸汽一汽輪機(jī)一發(fā)電機(jī)電力傳輸網(wǎng)絡(luò)一電動(dòng)機(jī)一轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備兩相比較，汽輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備減少了能量轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)，其能源的有效利用率更高。2汽輪機(jī)拖動(dòng)常見(jiàn)布置方式水泥窯余熱拖動(dòng)機(jī)組主要由工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)、齒輪減速箱、變速離合器、電機(jī)以及轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備等組成，按照布置方式的不同，可將轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)為雙出軸形式，汽輪機(jī)與電機(jī)布置在轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的兩側(cè)(見(jiàn)圖1),或者將汽輪機(jī)與電機(jī)布置在同側(cè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備(見(jiàn)圖2)。(1)兩側(cè)布置圖1水泥窯余熱拖動(dòng)機(jī)組兩側(cè)布置圖(2)同側(cè)布置2I汽輪*U 2 .為離分疆：3瓶培港t 4電動(dòng)機(jī)

4、15轉(zhuǎn)動(dòng)沒(méi)補(bǔ)圖2水泥窯余熱拖動(dòng)機(jī)組同側(cè)布置圖其中，低速聯(lián)軸器為膜片聯(lián)軸器，3s離合器可以保證在汽輪機(jī)不做功的情況下，將其解列出系統(tǒng)，降低電機(jī)拖動(dòng)負(fù)荷。上述布置方案，對(duì)拖動(dòng)用蒸汽參數(shù)波動(dòng)適應(yīng)性較大，并且若汽輪機(jī)并列運(yùn)行，則能夠有效降低電機(jī)電流，但投資成本較高，需進(jìn)行細(xì)致的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。3案例分析本文以國(guó)內(nèi)典型的5000t/d水泥生產(chǎn)線(xiàn)余熱回收汽輪機(jī)拖動(dòng)項(xiàng)目為例進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，該生產(chǎn)線(xiàn)采用第四代篦冷機(jī)，窯尾預(yù)熱器采用六級(jí)預(yù)熱器，出口煙風(fēng)溫度約為260C。余熱利用思路為：窯頭、窯尾煙氣余熱一余熱鍋爐一蒸汽一汽輪機(jī)一轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，考慮機(jī)組運(yùn)行的安全性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性，本方案中轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備確定為高溫風(fēng)機(jī)、

5、窯尾排風(fēng)風(fēng)機(jī)以及水泥磨。水泥窯生產(chǎn)過(guò)程中所排余熱主要有兩部分：窯頭篦冷機(jī)所排熱空氣；窯尾預(yù)熱器C1筒所排廢氣，具體參數(shù)如下表所示：表1水泥余熱資源參數(shù)表1水泥余熟資源參數(shù)序號(hào)項(xiàng)目窯尾質(zhì)氣指標(biāo)窯頭質(zhì)氣指標(biāo)1廢氣量（濕基）3iOOOONm?h200000Nmh質(zhì)氣溫度260cssor（中部抽風(fēng)）3廢氣含塵量50-150gNn：15-22gXm：4廢氣成分（濕基）67%2U<1CO-co：20-30S7口?3t3Y%17%3.1 主要設(shè)備水泥窯余熱拖動(dòng)系統(tǒng)的主要設(shè)備包括窯頭余熱鍋爐、窯尾余熱鍋爐、驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)、電機(jī)及其輔機(jī)等設(shè)備。（1）余熱鍋爐根據(jù)表1的煙風(fēng)參數(shù)，余熱鍋爐的主蒸汽壓力定為0.85

6、MPa,其中窯頭鍋爐采用立式結(jié)構(gòu)，自然循環(huán)，煙氣下進(jìn)上出，受熱面管束采用鰭片管，傳熱效果好；窯尾鍋爐也采用立式結(jié)構(gòu)，自然循環(huán)，煙氣上進(jìn)下出，受熱面管束采用光管，窯頭、窯尾鍋爐的具體參數(shù)如下表所示：表2窯頭、窯尾余熱鍋爐參數(shù)序號(hào)項(xiàng)目單位窯尾余熱鍋爐窯頭余熱鍋爐1煙氣流量Nm-h330000Nm;h200000Nm?h2進(jìn)口煙溫r2601c3S01C3出口煙溫c194cIWC4蒸汽流量th14.3621315蒸汽壓力ME#0.S5o.s?6蒸汽溫度C2403607公共省煤器麹水量th35.67S公共省煤器入口水溫C9鍋爐壓損Pa(2)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)風(fēng)機(jī)采用圖2所示的同側(cè)布置方式，將原

7、風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)改造成雙伸軸，汽輪機(jī)和電機(jī)布置在風(fēng)機(jī)左側(cè)；減速器和汽輪機(jī)端采用3s離合器聯(lián)接，減速器、電機(jī)以及風(fēng)機(jī)之間采用膜片聯(lián)軸器聯(lián)接。水泥磨也采用圖2所示的同側(cè)布置方式，配置1臺(tái)電動(dòng)發(fā)電機(jī)(容量為3500kW),便于啟動(dòng)、富裕發(fā)電、事故時(shí)用，汽輪機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)同側(cè)布置；汽輪機(jī)與減速器之間采用3S離合器連接，減速器、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)以及水泥磨之間采用膜片聯(lián)軸器聯(lián)接，其中水泥磨自帶的減速器含有手動(dòng)離合裝置。表3汽輪機(jī)及被拖動(dòng)設(shè)備參數(shù)序號(hào)設(shè)備名稱(chēng)參數(shù)敷量備注曷溫風(fēng)機(jī)軸功率；2400kW1臺(tái)1.1軀動(dòng)汽輪機(jī)輸出功率；1臺(tái)1.2汽輪機(jī)避速器輸入軸轉(zhuǎn)速；62：'l0tmm輸出轉(zhuǎn)速范圍；山】口I臺(tái)隨汽輪

8、機(jī)配套尾排風(fēng)機(jī)軸功率；U：OkW1臺(tái)2.1軀動(dòng)汽輪機(jī)輸出功率；匚。如:1臺(tái)2.2汽輪機(jī)減速器輸入軸轉(zhuǎn)速；4?C0rrtim輸出轉(zhuǎn)速范圍;74：rQiin1臺(tái)隨汽輪機(jī)配套水泥磨軸功率；3000kW1套3.1軀動(dòng)汽輪機(jī)所需功率；1套3.2電動(dòng)發(fā)電機(jī)容量；3500kW1臺(tái)3.3汽掄機(jī)激速器輸入軸轉(zhuǎn)速min輸出軸轉(zhuǎn)速；1典Or;i1套隨汽輪機(jī)配套3.4自帶的激速器輸入軸轉(zhuǎn)速115C0rmin輸出軸轉(zhuǎn)速；15舟口1套3.2 工作流程(1) 起動(dòng)時(shí)：當(dāng)水泥窯剛起動(dòng)時(shí)，余熱回收系統(tǒng)還沒(méi)有過(guò)熱蒸汽產(chǎn)生，拖動(dòng)汽輪機(jī)通過(guò)離合器與系統(tǒng)脫開(kāi)；此時(shí)電機(jī)投入使用，電機(jī)單獨(dú)拖動(dòng)高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)工作，使水泥窯系統(tǒng)起動(dòng)、直

9、至正常工作，有熱煙氣產(chǎn)生；然后將熱煙氣送入余熱鍋爐產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，將過(guò)熱蒸汽送至汽輪機(jī)入口，使其膨脹做功；(2) 正常工作時(shí)：隨著過(guò)熱蒸汽量逐漸增大，汽輪機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)速也逐漸增大，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度時(shí)，離合器自動(dòng)嚙合，汽機(jī)與電機(jī)、風(fēng)機(jī)連接投入使用；當(dāng)汽輪機(jī)輸出功率足夠時(shí)，切斷電機(jī)電源，汽輪機(jī)單獨(dú)拖動(dòng)高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)、水泥磨工作（ 3）蒸汽量不足時(shí)：當(dāng)水泥線(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)波動(dòng)，過(guò)熱蒸汽量不足時(shí)，連接電機(jī)電源，電機(jī)投入使用，此時(shí)汽輪機(jī)、電機(jī)雙驅(qū)動(dòng)高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)以及水泥磨；（ 4）蒸汽量富裕時(shí)：汽輪機(jī)除拖動(dòng)高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)以及水泥磨正常運(yùn)行外，富裕的蒸汽拖動(dòng)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，使其機(jī)械能全部轉(zhuǎn)

10、變?yōu)殡娔?，所發(fā)電能供其他設(shè)備使用。（ 5）水泥磨停運(yùn)、故障時(shí)：當(dāng)水泥磨故障或停運(yùn)時(shí)，通過(guò)手動(dòng)離合裝置使水泥磨脫開(kāi)檢修，此時(shí)汽輪機(jī)正常工作拖動(dòng)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)工作，使其機(jī)械能全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽l(fā)電能供其他設(shè)備使用。3.3 節(jié)能效果余熱回收拖動(dòng)與發(fā)電機(jī)組相比，少了發(fā)電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋㈦妱?dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的兩次能量轉(zhuǎn)變過(guò)程所產(chǎn)生的損失，以及電能傳輸過(guò)程中的線(xiàn)路損失。兩者的節(jié)能比較主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的傳動(dòng)效率上，余熱回收拖動(dòng)機(jī)組傳動(dòng)效率高，而余熱回收發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)效率則較低，具體見(jiàn)下表。表4余熱回收拖動(dòng)與發(fā)電系統(tǒng)性能比較序號(hào)余熱回收汽機(jī)拖動(dòng)序號(hào)余熱回收發(fā)電1汽輪機(jī)內(nèi)效率2）S2°o1汽輪機(jī)

11、內(nèi)效率尸”79%汽輪機(jī)輸出功率出話(huà)】6435.01汽輪機(jī)輸出功率kW.i6157.0433發(fā)電機(jī)效率ec97%44計(jì)算發(fā)電功率占VO5P72.33汽輪機(jī)與風(fēng)機(jī)之間離5發(fā)電機(jī)出口至變頻器200co0W%合器的機(jī)械損失的電幽線(xiàn)踣損失小）6汽輪機(jī)與風(fēng)機(jī)之間減6變頻器、變頻電機(jī)效率速機(jī)的機(jī)械損失工0。%損失（%）4.00307*得到的有用功率底V，61SU.1S7得至的有用功率出話(huà),5704.778年運(yùn)行時(shí)間（7200S年運(yùn)行時(shí)間由）72009年節(jié)省發(fā)電量低*ha4449729L99g年節(jié)省發(fā)電量位*力a）41074311.02108°o10且S%11年節(jié)省電量位Wha-40937514.1

12、511年節(jié)省電量kWh1J77SS366.1312電費(fèi)0.5512電費(fèi)0?513年節(jié)省電費(fèi)225156317813年節(jié)省電費(fèi)2078360137注：變頻器及變頻電機(jī)均按西門(mén)子高效變頻器及變頻電機(jī)效率考慮。從上表可看出，汽機(jī)拖動(dòng)比余熱發(fā)電效率損失少6.57.5%;同時(shí)汽機(jī)拖動(dòng)獲得的有用功率比余熱發(fā)電多7.6%左右，顯然更節(jié)能。3.4 經(jīng)濟(jì)性分析3.4.1 投資兩種余熱利用方式的投資對(duì)比列于表5。從表中可以看出，余熱拖動(dòng)比余熱發(fā)電約高800萬(wàn)元。表5余熱回收拖動(dòng)與發(fā)電系統(tǒng)投資比較（單位：萬(wàn)元人民幣）序號(hào)項(xiàng)目余熱拖動(dòng)余熱發(fā)電都注1余熱鍋爐及輔機(jī)108010S0汽輪機(jī)及輔機(jī)1S39O003發(fā)電機(jī)015

13、04水處理系統(tǒng)S5S53冷卻塔及循環(huán)水泵站1101106電氣鈿24Q7儀表200130S材料費(fèi)51042。g建筑工程費(fèi)54173510安裝工程費(fèi)S1261011其他費(fèi)用湖5SP12基本頊備費(fèi)（3%）17415113工程靜態(tài)投資600052003.4.2運(yùn)行成本運(yùn)行成本主要考慮化水消耗的藥劑費(fèi)、水費(fèi)、人工及維護(hù)成本等，兩種余熱利用方式的運(yùn)行成本對(duì)比見(jiàn)表6。從表中可以看出，余熱發(fā)電的年供電成本比余熱拖動(dòng)的要高出250.7萬(wàn)元左右，余熱發(fā)電的單位供電成本比余熱拖動(dòng)的要高出0.072元/kW.h左右。表6余熱回收拖動(dòng)與發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行成本比較余熱拖動(dòng)余熱發(fā)電序號(hào)項(xiàng)目侏電總成本（元年）單位供電成本阮松）侏

14、電星成本（元年）單位供電成本阮期初1消耗材料4979S30.01216497gg3O.OB1S飛水6634510.01621S634510.017563工資福利費(fèi)3000000.007335400000.0142?4維修費(fèi)用S50D0O0.02076S50000U.0224Ps備用谷里茬及五項(xiàng)基金22673040V506產(chǎn)品平均成本2311434Q.056481873BUJ2S注：產(chǎn)品平均成本不含折舊及財(cái)務(wù)成本。綜上所述，余熱拖動(dòng)項(xiàng)目較余熱發(fā)電項(xiàng)目投資增加800萬(wàn)元，每年收入增加173.2萬(wàn)元，經(jīng)營(yíng)成本減少250.73萬(wàn)元，余熱拖動(dòng)項(xiàng)目的收益率要優(yōu)于余熱發(fā)電方案。4結(jié)論本文提出了一種新的水泥窯余熱回收汽輪機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，另外介紹了汽輪機(jī)拖動(dòng)常見(jiàn)布置方式，并通過(guò)實(shí)例對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析，總結(jié)如下：（1）水泥窯余熱回收汽輪機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)主要是利用水泥窯余熱所產(chǎn)的蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)做功直接驅(qū)動(dòng)高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)風(fēng)機(jī)以及水泥磨，具體能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)為：窯頭、窯尾余熱一余熱鍋爐一蒸汽一汽輪機(jī)一被拖動(dòng)設(shè)備;2）余熱回收拖動(dòng)與發(fā)電機(jī)組相比，少了發(fā)電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋㈦妱?dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的兩次能量轉(zhuǎn)變過(guò)程所產(chǎn)生的損失，以及電能傳輸過(guò)程中的線(xiàn)路損失。兩者的節(jié)能比較主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的傳動(dòng)效率上，余熱回