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印度一水泥厂的能量平衡和余热发电概况
Shaleen Khurana, Rangan Banerjee *, Uday Gaitonde
印度孟买市Powai区Bombay街11T号，邮政编码：400076，印度理工学院，能量系统工程系
2001年5月25日收到原稿，2001年11月3日收到修改稿，2001年11月19日录用
摘要：水泥行业是一个能量密集型行业，每生产一吨水泥大约需要4GJ的热量。利用排放的废气余热进行余热发电的热力学分析是不太容易的。现在也少有关于这方面的研究。基于此背景，本文系统地研究了印度一个年产1Mt水泥的水泥厂生产系统的能量平衡情况。根据在这个工厂所获取的数据绘制了桑基能量平衡图。研究发现，大约有35% 的输入水泥生产系统的总能量都随废热气流的排放而被浪费掉了。同时该工厂通过一个蒸汽循环系统，利用废热回收蒸汽发电机从蒸汽中回收热量进行余热发电。该水泥工厂的余热发电系统大约产生了4.4兆瓦的电力，这些发电量满足该水泥工厂大约30%的电力需求，并且提高了工厂10%的一次能量利用效率。
关键词：水泥，能量平衡，预热回收，余热发电
1 前 言
水泥行业是一个能量密集型的行业。根据有关数据统计，印度水泥行业的燃料消耗量占印度制造业总燃料消耗量的10.3%的份额。印度水泥工厂的能源成本要占水泥总制造成本约26%的份额。在主要能量使用方面，水泥工厂能量投入中大约占25%的投入能量是电力，75%的能量投入是（燃料燃烧产生的）热能。至于水泥工厂的具体能量消耗，不同水泥工厂采用不同的生料处理方法而具有不同能量消耗量。由于干料处理方法和湿料处理方法各有不同，大约消耗3.40GJ/t ~ 5.29GJ /t不等的能量。印度水泥工业的节能减排水平与世界的先进水平还存在差距。在印度水泥工业中，最好的水泥工厂的能量消耗是3.06 GJ/t，而在世界上一些发达国家中，水泥工厂能量消耗量低于2.95 GJ/t。导致印度水泥工厂更高能量消耗量的很大一部分原因是水泥原材料的品质不好和燃料的质量不高。在水泥生产系统中，从排出的废气中回收热量被认为是一种潜在的提高能量利用率的方法。然而目前很少有对正在生产的水泥窑进行热力学分析从而评估废热的回收量以及废热回收率的研究。基于此背景，本文系统地研究并建立了一个正在生产的水泥窑的能量平衡分析，并且评估了可以进行废热回收发电的废热气流所能够产生的电量。
作者通讯方式：Tel.: 91-22-576-7883; fax: 91-22-572-6875
电子邮箱：.rangan@me.iitb.ac.in, rangan@me.iitb.ernet.in (R. Banerjee).
水泥生产过程可分为三个基本步骤：生料的预处理、高温煅烧及熟料烧成、熟料的粉磨和混合材的混合。从采石场获得的矿石原材料经破碎、碾磨，然后根据生料处理方法的不同混合成泥浆（湿法处理）或是粉尘（干法处理）。接下来就是把该混合物经旋风预热器预热和分解炉高温煅烧分解处理，然后投入水泥回转窑中经过高温烧成熟料。回转窑中熟料烧成的最高温度可以高达1450℃以上。从回转窑中出来的熟料块经过篦式冷却机冷却后，再与需要添加的混合材在水泥磨中混合并碾磨到一定细度的粉料，然后，收集并进行水泥粉料的包装。水泥生产过程中，高温煅烧过程大约消耗了99%的燃料而生产过程中所需的电力，主要用于原材料的预处理操作(33%)、熟料粉碎和研磨设备(38%)等过程。高温处理过程是需要另外22%的总电力需求。因此，水泥的高温煅烧过程是生产过程中能量密集度最高的一步。
2 系统研究范围和数据来源
本文所研究的对象是印度中央邦第二单元的迈哈尔水泥工厂。该水泥工厂的原材料、气体和煤粉等的物料流动和工厂组成结构概况图在图1展示出来。该水泥工厂采用新型干法水泥生产技术，使用具有五级旋风筒的旋风预热器和分解炉，可以达到日产3800t水泥的产量。据了解，该工厂每生产一吨水泥熟料所消耗的能量约为3.7GJ，并且生产每吨水泥消耗87kW/h（0.31GJ）的电量。因为该水泥工厂是印度国内生产效率最好的水泥工厂之一，所以适合于作为研究的参考案例。
图1迈哈尔水泥工厂组成结构概况图
本文所研究的能量平衡范围是图1中所示虚线矩形框的范围。它主要是热处理单元，包括：旋风预热器、分解炉、回转窑和冷却机。流进系统包括原材料的进入，空气进入冷却器、煤进入分解炉和回转窑等。流出系统包括熟料从冷却器中出来，从预热器排出的废气和从冷却器排出的热空气。能量平衡所研究的系统和所有系统所采用的数据总结在图2。进入系统的煤的工业分析组成和流出系统的出窑熟料的化学成分组成在图3、图4中展示出来。而旋风预热器所排放废气的成分在表1中给出。
图2 进入系统的各种流的初始信息
图3 煤的工业分析组成
图4 熟料的化学组成
表1 预热器排出的烟气组成
3 物料平衡
从工厂实地标定的各种物料流的原始数据用于在研究系统中执行物料平衡的计算。 以下的反应是在研究系统中发生的：
煅烧反应:
假设煤完全燃烧所发生的反应：
通过化学计量计算可以计算出剩余的流量。旋风预热器排放气体的组成成分则可以知道，通过氮、氧和二氧化碳的物料平衡计算就可以得到排出气体的流量。从熟料组成成分和生成反应则可以计算估计出生料组成的多少和输入流量的多少。最终计算得出的流量输入输出结果汇总在图5。
图5 流量输入输出结果汇总
4 能量平衡
以在1标准大气压、温度为0℃的情况下，计算出系统各物料的焓（0 kJ/kg为基准），建立该系统的焓平衡。从Peray表中查阅获得各种组分的特定焓值。系统各种物料流的温度可以由热工测量测得，进厂煤的热值也可以从工厂所进行的化学分析的数据中获取（图2）。通过查阅工程手册的相关系数，再计算出在这个反应过程中的所需要的能量。不同物料输入流都是按照每生产1kg熟料基准来折算。系统总体的能量平衡总结在表2。
表2 能量平衡表
|
流的种类 |
流量 |
比热容 |
温度 |
焓 |
|
|
（kg/kg熟料） |
（kJ/kg K） |
（℃） |
（kJ/kg熟料） |
|
进入系统 |
|
|
|
|
|
生料 |
1.56 |
0.9 |
50 |
66 |
|
一次风 |
2.98 |
1.0 |
30 |
89 |
|
煤 |
0.15 |
0.9 |
50 |
7 |
|
煤的燃烧 |
低位发热量 = 23800kJ/kg煤 |
|
3611 |
|
|
总计 |
|
|
|
3773 |
|
|
|
|
|
|
|
流出系统 |
|
|
|
|
|
熟料 |
1.00 |
0.8 |
100 |
82 |
|
预热器排出的废气 |
2.27 |
1.0 |
280 |
636 |
|
冷却机的热空气 |
1.42 |
1.0 |
400 |
568 |
|
反应能量 |
|
|
|
1850 |
|
总计 |
|
|
|
3136 |
组分有效利用的能量平衡计算可以通过熟料煅烧程度等信息计算得到，进入回转窑的生料是30%的煅烧程度和出窑的是96%的煅烧程度。我们假设，煅烧的能量均匀分布在回转窑的煅烧温度范围的，计算每个分量的煅烧能量。同时，假定煤在煅烧过程中是完全燃烧的，无论是在分解炉还是回转窑中。这样处理后计算的结果来进行系统的能量平衡。
整个系统的能量平衡被总结为一个桑基能量平衡图（图6）各个部分的能量值表示为在分解炉和回转窑燃烧的煤中释放的总能量的百分数。燃烧煤炭所释放的能量约为3600kJ/kg熟料。
图6 桑基能量平衡图
在焓流图中可以看到，系统的能量输入和输出在总体上有一个很好的一致性，大约600kJ/kg熟料的能量不一致，这相当于投入能量的15%。若考虑到数据来源的性质，在简化的过程中，能量平衡可以被认为是达到了很好的一致性。而一些没有考虑到的误差来源主要是回转窑窑体辐射散热损失和在不同的气流中排出的能量流失。
一个用来评估系统能量利用性能的参数是主要的能量利用效率，其定义如下：
式中，表示用于反应的能量，表示余热发电产生的电量，表示传统发电厂的发电效率，设定为35%，Q是输入的能量。
采用目前的生产方法，水泥生产的主要过程的能量消耗大约占输入总能量的50%，剩下的35%能量以烟气和热空气的形式排出而散失了。如果从这些烟气和热空气中回收热量将会提高整个系统的整体效率。以烟气和热空气两种形式而散失的能量可以计算成热焓从而算出散失能量占输入煤燃烧所产生的热量Q的比例。用热焓来表示排出的焓，即排出烟气的焓和排出热空气的焓。
旋风预热器排出烟气所带走的能量 = =18%.
冷却机排出的热空气所带走的热量 = =16%。
旋风预热器中废气一般用于将输送到旋风预热器中预热生料和废气冷却的热交换过程，所以，烟气的冷却温度受到旋风预热器级数影响。由于工厂结构上的设计的限制和综合考虑，大多数现代水泥厂的旋风预热器都是采用5级旋风筒设计。可以看到，旋风预热器系统具有很高的能量利用效率，没有明显的能量损失。助燃空气进入旋风预热器的温度是900℃，而物料在换热后的温度大约是800℃，这就意味着该过程是热力学效率过程。输入旋风预热器的唯一能量损失是以废气（18%）的形式存在的（筒体散热基本忽略）。有人建议通过余热回收系统替代预热器系统，从而修正这个过程来提高废热回收的效率。 但是，考虑到水泥生产过程的规范性和生产的效率（高低），预热器系统是较为合理的。现在，人们则大多数倾向于从现有系统结构中的各种物料流进行分析，看看其中是否可以用作回收热量的选项，而不是修改预热器系统结构。对旋风预热器的热力学分析表明，其换热过程符合热力学第二定律，且旋风预热器的换热效率较高。因此，不建议对旋风预热器系统进行撤去，建议对于现有组件进行改进，以提高其换热效率。
5 余热发电
旋风预热器所排放的废气热流和冷却机排放的热空气流是回收热量的选项。这两种废热气流可以用于余热发电，且据了解，该水泥工厂采用一种废热回收蒸汽发电机（WHRSG）来进行余热发电。利用这两种废热气流所携带的热量与水进行余热交换，加热水产生蒸汽，再通过一个汽轮发电机来发电。余热发电的结构示意图如图7所示。值得一提的是，两种废热流的特性是不一样的，譬如，旋风预热器所排出废气具有大量的灰尘（70g /nm3），因此，余热发电设备应该为这两种不同性质的热气流而来设计分离的交换器。
图7 余热发电系统示意图
根据废气热流的温度，选择一个合适的蒸汽循环。设置热交换的夹点时，应该考虑的是，夹点处热量交换的最低温差为20℃。蒸汽
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