采用六級預熱器的熟料生產線余熱鍋爐設計參數的確定

唐占甫（洛陽建材建筑設計研究院有限公司，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的余熱，要想實現廢氣能量的梯級利用，要想實現系統余熱利用效率最高，余熱鍋爐的參數選擇非常重要。五級預熱器的熟料生產線，預熱器的出口溫度在320℃左右，根據熱平衡模擬計算和熱工標定及實際運行情況，窯頭余熱鍋爐采用雙壓和設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熱水供窯頭鍋爐和窯尾鍋爐，窯尾鍋爐產生的蒸汽和窯頭鍋爐產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汽輪發電機，汽輪機采用補汽凝汽式汽輪機，額定主汽壓力1.6 MPa(a),主汽溫度320℃，額定補汽壓力0.35 MPa(a),補汽溫度155℃時余熱利用最徹底，熱效率最高。

六級預熱器的熟料生產線，預熱器的出口溫度低至270℃以下，再采用和五級預熱器一樣的設計參數會導致鍋爐排煙溫度較高，飽和水和蒸汽的產生量熱量上無法平衡，會因設計參數的選擇不當導致余熱不能很好利用。本文以冀東某采用六級預熱器的萬噸熟料線為例，對整個余熱發電系統進行熱平衡計算和參數確定，使整體的余熱利用熱效率最高。

2 余熱發電系統的確定

該水泥生產線對余熱發電系統的設計要求見表1。

表1 余熱發電系統設計參數要求

根據水泥線對余熱系統的設計要求，進行余熱系統的設計。從熱工理論分析，雙壓工藝可使相對高溫熱源產生較高參數的蒸汽，使相對低溫熱源產生較低參數的蒸汽，實現廢氣能量梯級利用，系統余熱利用效率最高，在五級預熱器的余熱發電系統中多采用雙壓，本次計算保留雙壓系統。雙壓余熱發電系統見圖1。

圖1 雙壓余熱發電系統圖

3 余熱鍋爐參數的確定

主汽壓力和主汽溫度越高，汽輪機效率越高，五級預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 ℃，窯尾余熱鍋爐產生1.7 MPa,溫度300 ℃的蒸汽到窯頭余熱鍋爐再過熱，由于預熱器出口煙風溫度320 ℃，整體選擇這個主汽壓力和主汽溫度水和汽剛好平衡，熱效率最高。而六級預熱器出口煙風溫度只有250 ℃，再選擇這個鍋爐出口蒸汽參數產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線的要求，所以需要熱平衡試算出一個采用六級預熱器后的最佳窯頭鍋爐和窯尾鍋爐蒸汽出口溫度和壓力。

無論五級預熱器或六級預熱器，窯頭冷卻機的參數變化不大，對本次采用的四代篦冷機進行熱工模擬計算，模擬出窯頭余熱鍋爐最佳的進口風溫和風量，一般理論上四代篦冷機單位熟料廢氣量（標況下）按2.2 m3/kg考慮[1]（校核計算實際為2.45 m3/kg），經過公司多年研究和建模熱平衡計算，考慮二、三次風及不能用于余熱發電的風外，還有42.3%的風量可以用于余熱發電，折合為1.00 m3/kg（為保守計算，按0.92 m3/kg計算），考慮二、三次風及不能用于余熱發電的風外，用于窯頭發電的高溫點為571℃（煤磨在窯尾時），低點溫度為110℃，折合總的風量為460 000 m3/h。考慮熱工模擬的偏差，設計計算風量為425 000 m3/h，溫度360℃。模擬計算結果見圖2。

圖2 冷卻機熱工模擬結果圖

六級預熱器和五級預熱器出口煙氣溫度相差較大，設定窯尾余熱鍋爐產生飽和蒸汽，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線的要求，熱平衡試算結果見表2。

表2 窯尾余熱鍋爐試算結果對比

根據窯尾余熱鍋爐的試算結果，最終余熱鍋爐定的參數為，窯尾余熱鍋爐0.9 MPa，窯尾余熱鍋爐產生飽和蒸汽，飽和蒸汽產量26.5t/h。結合窯頭冷卻機煙氣量和煙氣溫度，熱平衡綜合平衡計算后，給水溫度135℃，給水來自窯頭余熱鍋爐的給水加熱器。計算實際排煙溫190℃，完全能夠滿足煤磨及原料磨的用熱風，窯尾余熱鍋爐產生的飽和蒸汽在窯頭余熱鍋爐過熱產生過熱蒸汽。

窯頭余熱鍋爐，總的風量（標況下）為425 000 m3/h，平均溫度360℃用于計算。窯頭余熱鍋爐設置一個取風口，設置一臺窯頭余熱鍋爐，余熱鍋爐設置公用省煤器，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；計算高壓蒸汽產生量74.83 t/h，低壓蒸汽產生量6.5t/h。窯頭余熱鍋爐實際排煙溫度85℃，排煙溫度滿足水泥生產線對余熱發電的要求。窯頭余熱鍋爐熱水加熱段給水溫度42℃。

計算發電量12 500 kW，裝機容量15 MW。折合噸熟料實際發電量25.06 kWh。

4 結論

目前國內外采用六級預熱器的水泥熟料線配套余熱發電成熟的案例較少，借鑒五級預熱器的余熱發電工藝和鍋爐參數，因六級預熱器出口煙氣溫度較低，會導致水汽不能平衡，余熱利用效率較低。設計上需進行嚴格的熱平衡計算，選擇最合適的余熱鍋爐參數才能保證水汽的平衡，才能保證較高的余熱利用效率。