一臺水泥窯鍋爐余熱利用率的測試研究

薛紅香，張霞，張哲，李繼生

（泰安市特種設(shè)備檢驗研究院，山東泰安271000）

0 引言

能源的短缺是目前全世界都面臨的一項嚴(yán)重考驗，在這樣一個大背景下謀求發(fā)展，開發(fā)新能源是一個方面，更重要的是在節(jié)約能源上下足功夫。事實上，節(jié)約能源是一個國家能夠可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，如果還堅持傳統(tǒng)的能源利用方式，不能使資源有效地循環(huán)利用，就會使社會的整個資源環(huán)境加劇惡化，并且會造成能源快速枯竭。因此，推廣節(jié)能設(shè)備是勢在必行的一大舉措。

目前，國內(nèi)余熱節(jié)能鍋爐的設(shè)計和研發(fā)已經(jīng)逐漸成熟，余熱鍋爐，是指利用工業(yè)過程中的各種廢氣、廢料或廢液中的余熱及其可燃物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的熱量把水加熱到一定溫度的鍋爐。余熱是在工業(yè)生產(chǎn)中未被充分利用就排放掉的熱量，它屬于二次能源，是一次能源和可燃物料轉(zhuǎn)換后的產(chǎn)物，余熱鍋爐是對社會和環(huán)境的一大貢獻(xiàn)。

國內(nèi)外對工業(yè)鍋爐能效測試及節(jié)能改造的研究較多[1-3]；對循環(huán)流化床鍋爐能效分析，并計算鍋爐的各項熱損失和熱效率，分析影響熱效率的主要因素[4]；研究了中小型煤粉電站鍋爐能效、熱損失及改造前后熱效率的比較研究[5]。但是國內(nèi)外對余熱鍋爐利用率的測試分析極少涉及，尤其是對水泥窯鍋爐，關(guān)于窯頭AQC鍋爐和窯尾SP鍋爐同時進(jìn)行余熱利用率測試及計算更是沒有。因此研究水泥窯余熱鍋爐利用率的測試及計算，對余熱鍋爐運行工況各參數(shù)進(jìn)行測試及分析，及時掌握鍋爐運行的狀況，對余熱利用率的提高具有指導(dǎo)性意義。

1 測試鍋爐基本概況

該水泥窯余熱鍋爐于2013年10月投用，水泥窯余熱鍋爐由窯頭和窯尾兩臺鍋爐組成。窯頭鍋爐型號為QC220/380-38.5(4.7)-1.6(0.35)/360(190)（以下簡稱AQC鍋爐），鍋爐額定蒸發(fā)量38 500（4 700）kg/h，額定蒸汽壓力1.6(0.35)MPa，額定蒸汽溫度360(190)℃，余熱煙氣進(jìn)口量220 000 Nm3/h，余熱煙氣進(jìn)口溫度380℃，設(shè)計余熱利用率74.1%；窯尾鍋爐型號為QC3600/300-18.8(6.8)-1.7(0.35)/280(190)（以下簡稱SP爐），鍋爐額定蒸發(fā)量18 800(6 800)kg/h，額定蒸汽壓力1.7(0.35)MPa，額定蒸汽溫度280(190)℃，余熱煙氣量360 000 Nm3/h，余熱煙氣進(jìn)口溫度300℃，設(shè)計余熱利用率37.2%。

1.1 鍋爐系統(tǒng)

近年來人們對低碳環(huán)保的呼聲愈來愈高漲，國家對社會活動所產(chǎn)生的碳排放量嚴(yán)格控制。倡導(dǎo)低能耗、低污染、低排放的經(jīng)濟(jì)模式。因此，鍋爐行業(yè)在保證鍋爐安全運行的前提下產(chǎn)生了低排放和節(jié)約能源的理念。水泥窯余熱鍋爐能夠使廢氣熱量充分的被利用，一方面保證熱量利用更充分；另一方面也降低了燃料的消耗成本。其次也減少了氮氧化合物和硫氧化物的排放，同時余熱鍋爐的煙氣處理裝置對最后的尾氣進(jìn)行了凈化處理。

為了進(jìn)一步提高余熱利用率，該水泥窯AQC鍋爐與SP鍋爐均采用采用雙壓系統(tǒng)，雙壓系統(tǒng)是按照能量梯級利用的原理，在同一臺余熱鍋爐中設(shè)置兩個不同壓力等級的汽水系統(tǒng)，分別進(jìn)行汽水循環(huán)，產(chǎn)生高壓段和低壓段兩種過熱蒸汽；高壓段過熱蒸汽作為主蒸汽、低壓段過熱蒸汽作為補(bǔ)汽分別進(jìn)入補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)，推動汽輪機(jī)做功發(fā)電，雙壓余熱發(fā)電系統(tǒng)使能量得到合理利用，余熱回收效率提高。AQC鍋爐中高壓低溫過熱器出口過熱蒸汽（約19.7 t/h）與來自SP鍋爐過熱蒸汽（約18.8 t/h）混合后（總的蒸發(fā)量38.5 t/h）進(jìn)入高壓段高溫過熱器。

1.2 測試試驗任務(wù)及目的

依據(jù)GB/T10863《煙道式余熱鍋爐熱工試驗方法》采用正平衡法對該臺水泥窯余熱鍋爐（窯頭AQC鍋爐和窯尾SP鍋爐）進(jìn)行運行工況余熱利用率測試，測試主要運行參數(shù)和計算該鍋爐的余熱利用率。

1.3 測試依據(jù)

此次測試依據(jù)為TSGG0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》和GB/T10863《煙道式余熱鍋爐熱工試驗方法》及雙方簽訂的合同中有關(guān)技術(shù)要求[6-7]。

1.4 測試流程

測試試驗人員根據(jù)該臺水泥窯余熱鍋爐受熱面的布置情況、試驗任務(wù)和目的要求、現(xiàn)場具體情況以及測試依據(jù)編制該臺鍋爐的余熱利用率測試方案，確定測試方法和測試項目以及試驗用儀器儀表設(shè)備（儀器儀表應(yīng)在校驗合格的有效期限內(nèi)）。測試流程如下：（1）該臺水泥窯余熱鍋爐資料審查；（2）編寫測試試驗方案；（3）方案審核；（4）現(xiàn)場測試試驗；（5）測試數(shù)據(jù)的整理計算與分析；（6）出具測試報告；（7）測試試驗結(jié)束。若測試試驗方案審核不通過，測試人員重新編寫測試試驗方案，直到方案審核合格后方可進(jìn)行下一步工作。

2 測試試驗過程

2.1 測試試驗要求

余熱利用率的測試試驗應(yīng)滿足以下要求：（1）余熱鍋爐汽水系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)密、無泄漏、煙風(fēng)系統(tǒng)消除不正常的泄漏；（2）所有受熱面在試驗前均處于正常運行的清潔狀態(tài)；（3）確定余熱鍋爐主、輔機(jī)運轉(zhuǎn)正常，余熱資源正常、穩(wěn)定；（4）正式試驗前余熱鍋爐達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 測試過程說明

本次該余熱鍋爐余熱利用率采用正平衡法進(jìn)行測試試驗計算。測試時間為該余熱鍋爐（AQC鍋爐與SP鍋爐）各實際運行工況下測試，測試時間均為4 h，AQC鍋爐與SP鍋爐測量讀數(shù)次數(shù)均為17次，間隔讀數(shù)時間均為15 min。AQC鍋爐和SP鍋爐余熱利用率測試工況說明如表1所示，測試項目及測點布置說明如表2所示。

表1 余熱利用率測試工況說明

表2 測試項目及測點布置說明

3 測試數(shù)據(jù)整理及計算

3.1 窯頭AQC鍋爐測試數(shù)據(jù)

該臺水泥窯窯頭AQC鍋爐余熱利用率現(xiàn)場測試原始數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 窯頭AQC鍋爐現(xiàn)場測試原始數(shù)據(jù)

3.2 窯尾SP鍋爐測試數(shù)據(jù)

該臺水泥窯窯尾SP鍋爐余熱利用率現(xiàn)場測試原始數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 窯尾SP鍋爐現(xiàn)場測試原始數(shù)據(jù)

3.3 余熱利用率數(shù)學(xué)模型的建立

該臺水泥窯余熱鍋爐采用正平衡法測試與計算，依據(jù)GB/T10863《煙道式余熱鍋爐熱工試驗方法》該臺鍋爐余熱利用率ξ計算數(shù)學(xué)模型如下：

式中：ξ為余熱利用率，%；Q1為有效輸出熱量，kJ/h；Qr為輸入熱量，kJ/h。

3.3.1 輸入熱量

式中：V為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積流量，m3/h；Cr為余熱資源的比熱，kJ/(m3?℃)；tr為余熱資源溫度，℃；tk為環(huán)境溫度，℃。

Qnet.ar為余熱資源中所含可燃物質(zhì)的收到基低溫發(fā)熱量，kJ/m3，則有：

式中：QCO為余熱資源中CO含量，%；QH2為余熱資源中H2含量，%；Qqt為余熱資源中所含有的其他可燃?xì)怏w的發(fā)熱量，kJ/m3。

3.1.2 有效輸出熱量Q1

式中：Q1為有效輸出熱量，kJ/h；D為過熱蒸汽流量（實測蒸發(fā)量），kg/h；Gq為過熱蒸汽取樣量，kg/h；Dgj為過熱蒸汽減溫水流量，kg/h；hgq為過熱蒸汽熱焓（實測），kJ/kg；hgs為蒸汽鍋爐給水熱焓（實測），kJ/kg；hgj為過熱蒸汽減溫水熱焓，kJ/kg；Dzy為自用蒸汽流量，kg/h；hzy為自用蒸汽熱焓，kJ/kg；?為爐水的汽化潛熱，kJ/kg；ω為飽和蒸汽濕度，%；Gs為爐水取樣量，kg/h；hbq為飽和蒸汽熱焓（實測），kJ/kg；

3.4 余熱利用率的計算

3.4.1 窯頭AQC鍋爐

由現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和建立的余熱利用率數(shù)學(xué)模型，將窯頭AQC鍋爐所測相關(guān)數(shù)據(jù)代入數(shù)學(xué)模型式（2）和式（3）得AQC鍋爐的輸入熱量Qr=137 936 764.6 kJ/h；將所測相關(guān)數(shù)據(jù)代入數(shù)學(xué)模型式（4）得AQC鍋爐的輸出熱量Q1=137 936 764.6 kJ/h

將計算得到的Qr和Q1的數(shù)值代入數(shù)學(xué)模型式（1），計算該窯頭AQC鍋爐的余熱利用率ξ為：

3.4.2 窯尾SP鍋爐

該臺窯尾SP鍋爐余熱利用率ξ的計算方法同3.4.1，由現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和建立的余熱利用率數(shù)學(xué)模型計算得：SP鍋爐輸入熱量Qr=163 396 262.5 kJ/h；SP鍋爐的輸出熱量Q1=52 012 108.1 kJ/h；SP鍋爐余熱利用率ξ=33.70%。

4 結(jié)束語

余熱鍋爐是余熱再利用，是節(jié)約能源、降低消耗、實現(xiàn)資源綜合利用的節(jié)能型設(shè)備，既可以降低工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的成本、提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，又可以降低余熱廢氣的排煙溫度和排塵濃度，減少空氣污染和溫室效應(yīng)，使企業(yè)做到資源循環(huán)利用，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

該臺水泥窯余熱鍋爐本次運行工況余熱利用率測試試驗，窯頭AQC鍋爐余熱利用率71.43%，與該AQC鍋爐的設(shè)計熱效率值74.1%相差3.60%；窯尾SP余熱利用率33.70%，與該SP鍋爐的設(shè)計熱效率值37.2%相差9.40%，由測試計算數(shù)據(jù)得到該臺水泥窯窯頭AQC鍋爐和窯尾SP鍋爐的余熱利用率與設(shè)計數(shù)值相差均在10%以內(nèi)，余熱利用率極高，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。