1.1.
“热量”有两个方面的概念:一是“量”的概念,通常我们所讲的“热量”一般都是仅指量的概念;另一个是“质”的概念(这从热能—动力转换角度来讲是最重要的概念),它是与温度联系在一起的,它可以描述为:某一数量的热量,在不同温度下理论上可以转换为最大“有用功”的能力,这个“有用功”通常定义为 “
热量的“质”或称“
这里1000kcal/h 就是热量,而0.9135kW就是1000kcal/h 热量在
对于
N=[1-273K/(
这个1000kcal/h—
因此,同样是1000kcal/h 的热量,但由于其温度不同,前者为
如果不用1000kcal/h—
1.2
自然界中的能有热能、机械能、风能、电能、水能、化学能等多种形式,它们的最终目的都是要转变为有用功。因此,
对于某种工艺过程的废气余热,其
图1是废气在某一设备中进行可逆稳定的流动过程。即废气以状态1流入该设备,以状态2流出该设备;有另一个热源T将热量dq流入该设备,以有用功Ws流出该设备——这个过程一般可称为热能—动力转换过程。根据能量守恒定律,则流入设备和流出设备的能量是相等的,当忽略进口处和出口处废气的动能和位能差,则建立的能量方程(1)和熵方程(2)分别如下。
能量方程:h1+∫dq=h2+Ws (1)
熵方程:s1+∫(dq/T)=s2 (2)
设环境温度为T0并以T0乘方程(2)后与方程(1)相减可得:
h1-T0s1-∫[( T0?T)dq]+ ∫dq=h2-T0s2+Ws
即Ws=(h1-h2)-T0 (s1-s2) -∫[( T0?T)dq]+ ∫dq (3)
设废气余热没有外来热源T存在(如水泥窑纯低温废气余热发电系统),则∫( To?T) dq= ∫dq=0,则有:
Ws=(h1-h2)-T0 (s1-s2) (4)
再令流出设备的状态2等于环境状态0,那么式(4)变为:
Ws=(h1-h0)-T0 (s1-s0) (5)
由于过程是可逆的,因此其Ws即是废气热量在状态1下变化到环境状态时对环境所做的最大有用功,即状态1的废气
φ1=Ws=(h1-h0)-To(s1-s0)
根据定压过程焓及熵的定义式有:
φ1=(Cpt1?t1- Cpt0?t0)-To[Cpt1ln(T1?273)-Cpt0ln(T0?273)]
上式中废气定压比热Cpt1 和Cpt0在低温废气余热发电能力分析所涉及的温度范围内其数值相差较小,同时环境温度t0接近于
φ1≈Cpt1?t1.-T0Cpt1?ln(T1?T0) (6) 式中:t1——是指流入设备的废气摄氏温度,℃。 Cpt1——是指温度为t T0为环境绝对温度,K; T1—是指流入系统的废气绝对温度,K; 式(6)即是:任何一种工艺过程的废气余热理论上转换为电能的极限能力,而这个能力是纯理论的,是与发电系统采用水、水蒸气、有机物、木头、石头等无关的,也是与采用何种热能—动力循环方式无关的。 2 新型干法水泥窑低温废气余热最大发电能力 2.1 新型干法水泥窑低温废气余热理论极限发电能力Ne 任何一种热能—动力转换过程都是有做功能力损失的,而利用上述 对于熟料实际产量为5500 t/d、窑尾预热器出口废气参数为369000Nm3/h— 窑尾预热器出口废气 Nsp1=369000Nm3/h?(1/3600s)?{0.3523kcal/(Nm3?℃)? 窑尾预热器余热锅炉出口废气 Nsp2=369000Nm3/h?(1/3600s)?{0.3444kcal/(Nm3?℃)? 窑尾预热器废气余热的理论极限发电能力Nsp: Nsp=Nsp1-Nsp2=18135.8kW-9763kW=8372.8kW 冷却机出口废气 Naqc1=302600Nm3/h?(1/3600s)?{0.3145kcal/(Nm3?℃)? 窑头冷却机余热锅炉出口废气 Naqc2=302600Nm3/h?(1/3600s)?{0.3103kcal/(Nm3?℃)? 窑头冷却机废气余热理论极限发电能力Naqc: Naqc=Naqc1-Naqc2= Ne=Nsp+Naqc=8372.8kW+7802.2kW= 2.2 新型干法水泥窑低温废气余热最大发电能力Nmax (1)固有 (2)技术 (3)总固有 (4)总技术 (5)总 在水泥窑纯低温余热发电系统中仅考虑固有 综合上述分析,对于前述的实际熟料产量为5500t/d的水泥窑,其废气余热理论最大发电能力为Nmax=Ne-Ne?ηg = 前述的理论最大发电能力没有考虑技术 仍以前述的实际熟料产量为5500t/d的水泥窑为例,废气余热最大发电能力N=Ne-Ne?(ηg +ηj)= 3 我国新型干法水泥窑纯低温余热发电技术目前的实际水平 3.1 第一代水泥窑纯低温余热发电技术的实际水平 对于第一代余热发电技术,只利用了水泥窑窑尾预热器及窑头熟料冷却机排出的废气中的部分余热,在具体技术细节上也同时还存在如下问题: (1)由于采用0.689~1.27MPa—280~ (2)由于汽轮机主蒸汽温度不能调整,使主蒸汽温度波动范围远远超出保证汽轮机寿命所允许的波动范围,因此汽轮机寿命(主要是叶片寿命)受到影响。 (3)由于汽轮机采用低压低温主蒸汽参数,使汽轮机不具备采用滑参数(滑参数是指:在保证汽轮机寿命和效率的前提下,汽轮机进汽压力和温度允许有很大的变化范围,这一点,对水泥窑纯低温余热电站的运行非常重要)运行的条件(如:当设计采用主蒸汽压力和温度为0.689MPa (4)由于热力系统配置的原因,第一代余热发电电站在实际运行中,一方面窑头熟料冷却机约 (5)由于热力系统配置的原因,窑头余热锅炉、窑尾余热锅炉给水系统不得不采用混合给水系统,使两台锅炉的运行互相影响,造成电站运行不稳定同时难以适应水泥生产的工况波动。 (6)窑尾余热锅炉出口废气温度不可调整,不适应水泥生产原燃料烘干所需废气温度的变化(原燃料水分高时,烘干需要的废气温度高;原燃料水分低时,烘干需要的废气温度低;当原燃料生产系统停运时则不需要烘干废气),使废气余热不能最大限度地转化为电能。 (7)由于窑尾余热锅炉给水来自于窑头冷却机锅炉,同时一般情况下窑尾余热锅炉蒸汽温度又不能满足汽轮机运行要求,因此当点窑、窑尾临时止料或窑头锅炉故障时电站不能投入运行,从而影响电站相对于水泥窑的运转率。 (8)由于电站设计或总承包单位设计经验(或是有意的行为)的原因,在余热锅炉受热面配置(锅炉重量)、管道配置、保温结构及选材等方面不能满足电站的实际要求,使电站实际发电能力达不到应该达到的设计计算指标,同时也使电站的运转率、设备使用寿命达不到应该达到的指标。 由于有上述问题的存在,类比新型干法水泥窑技术水平,目前我国第一代水泥窑纯低温余热发电技术相当于上个世纪80年代末、90年代初新型干法水泥窑的技术水平。 3.2 第二代水泥窑纯低温余热发电技术的实际水平 第二代余热发电技术也仍然只利用了水泥窑窑尾预热器及窑头熟料冷却机排出的废气中的部分余热,在具体技术细节上虽然解决了第一代余热发电技术存在的绝大部分问题,但由于技术水平的限制也还同时存在着以下问题。 (1)窑筒体余热、窑头熟料冷却机废气经收尘器排出的废气余热还没有回收利用。 (2)虽然采用1.57~2.45MPa—340~ (3) 由于窑尾余热锅炉主蒸汽需至窑头冷却机过热器过热,同时窑尾余热锅炉蒸汽温度不能满足汽轮机运行要求,因此当点窑、或窑头冷却机过热器故障时电站不能投入运行,也影响电站相对于水泥窑的运转率。 由于有上述问题的存在,目前我国第二代水泥窑纯低温余热发电技术相当于本世纪初新型干法水泥窑的技术水平。 4 实现水泥熟料生产电能零消耗的途径 实现生产水泥熟料只消耗750 kcal/kg的燃料而不消耗电能的目标,或实现水泥窑吨熟料余热发电量达到58kWh/t的途径,笔者认为只有如下几个途径: (1)在水泥行业进一步开发、推广、应用节电技术,使吨熟料生产电力消耗由目前的58kWh/t左右降到55KWh/t以下; (2)研究、开发生料烘干工艺和设备,使生料烘干废气温度能够从目前的200~ (3)研究、开发回收窑头冷却机收尘器排出的 (4)研究、开发回收窑筒体余热并用于发电的技术和装备,这项技术理论上可以使吨熟料余热发电量提高3~4kWh/t; (5) 研究、开发能够使AQC锅炉、SP锅炉各自独立运行的措施,以提高电站相对于水泥窑的运转率; (6)尝试研究、开发新的热能—动力循环系统,以降低 (7)尝试研究、开发热物理性质即适合回收低温余热以降低 在目前第二代技术的基础上,配套完成(2)~(5)项技术措施后构成我国水泥窑第三代纯低温余热发电技术,其实际设计计算发电指标将达到: 当窑尾预热器废气温度为320~330℃时,吨熟料发电能力为48~52.5kWh/t。届时,我国水泥窑纯低温废气余热发电技术水平将与新型干法水泥生产技术水平同步发展。 5 结论 (1)根据热量的“质”或称“ (2)任一种工艺过程的废气余热,其理论上转换为电能的极限能力,是与发电系统采用的工质或采用的热能—动力循环方式无关的。 (3)对熟料实际产量为5500 t/d、窑尾预热器出口废气温度为 (4)目前我国利用第一代技术并已建成投产的余热电站的吨熟料实际发电量只有22~33kWh/t,均没有达到28~35kWh/t的实际设计计算指标值;利用第二代技术并已建成投产的余热电站的吨熟料实际发电量为37~45kWh/t,基本达到38~45kWh/t的实际设计计算指标要求。 (5)要实现水泥熟料生产电能的零消耗目标,应从多种途径着手研究和开发探索。 编者按:
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