水泥窑余热回收汽轮机拖动技术经济分析

1、水泥窑余热回收汽轮机拖动技术经济分析本文介绍了一种水泥窑余热回收汽轮机拖动系统，即利用水泥窑生产余热所产的蒸汽通过汽轮机做功直接驱动高温风机、窑尾排风风机、水泥磨以及循环风机等，并以典型的5000t/d水泥生产线采用余热回收拖动机组项目为例,介绍了主要设备配置、工作流程等，并对其进行技术经济分析。1前言随着中国经济的不断发展，能源问题日益突出。在巨大的用能压力下,如何提高生产过程中所排余热回收及利用效率，缓解生产用电紧张的形势，是一个值得深入探讨的问题。在水泥企业生产过程中，各种能源的转换和使用直至废气排放过程构成水泥企业的能量流动过程。在水泥窑生产过程中所排余热主要有两部分：窑头篦冷机所排热

2、空气；窑尾预热器C1筒所排废气,充分回收利用这两部分热量可显着降低水泥生产能耗，实现可持续发展和循环经济。目前对于以上这两部分余热，主要通过设置窑头余热锅炉、窑尾余热锅炉来回收并产生过热蒸汽，然后通过汽轮机做功带动发电机发电。但是在水泥企业的生产工序中，有许多风机和磨机等高耗能设备，这些设备动辄几MW,若直接以电机驱动将会消耗大量的电能，给当地电网造成沉重的负担。如果能够利用水泥余热所产的蒸汽，选择其中台或多台高耗能转动设备直接利用工业汽轮机拖动，这样减小能量利用过程中的中间转换损失，既能提高能源的利用率，也有利于降低对当地电网的负荷，具有较好的热经济性和社会效益。从能源有效利用的角度看，汽轮

3、机拖动转动设备经过以下能量转换环节：蒸汽一汽轮机一转动设备；电动机拖动转动设备经过以下能量转换环节：蒸汽一汽轮机一发电机电力传输网络一电动机一转动设备两相比较，汽轮机直接驱动转动设备减少了能量转换的中间环节，其能源的有效利用率更高。2汽轮机拖动常见布置方式水泥窑余热拖动机组主要由工业驱动汽轮机、齿轮减速箱、变速离合器、电机以及转动设备等组成，按照布置方式的不同，可将转动设备设计为双出轴形式，汽轮机与电机布置在转动设备的两侧(见图1),或者将汽轮机与电机布置在同侧驱动转动设备(见图2)。(1)两侧布置图1水泥窑余热拖动机组两侧布置图(2)同侧布置2I汽轮*U 2 .为离分疆：3瓶培港t 4电动机

4、15转动没补图2水泥窑余热拖动机组同侧布置图其中，低速联轴器为膜片联轴器，3s离合器可以保证在汽轮机不做功的情况下，将其解列出系统，降低电机拖动负荷。上述布置方案，对拖动用蒸汽参数波动适应性较大，并且若汽轮机并列运行，则能够有效降低电机电流，但投资成本较高，需进行细致的技术经济性分析。3案例分析本文以国内典型的5000t/d水泥生产线余热回收汽轮机拖动项目为例进行技术经济分析，该生产线采用第四代篦冷机，窑尾预热器采用六级预热器，出口烟风温度约为260C。余热利用思路为：窑头、窑尾烟气余热一余热锅炉一蒸汽一汽轮机一转动设备，考虑机组运行的安全性、可靠性以及经济性，本方案中转动设备确定为高温风机、

5、窑尾排风风机以及水泥磨。水泥窑生产过程中所排余热主要有两部分：窑头篦冷机所排热空气；窑尾预热器C1筒所排废气，具体参数如下表所示：表1水泥余热资源参数表1水泥余熟资源参数序号项目窑尾质气指标窑头质气指标1废气量（湿基）3iOOOONm?h200000Nmh质气温度260cssor（中部抽风）3废气含尘量50-150gNn：15-22gXm：4废气成分（湿基）67%2U<1CO-co：20-30S7口?3t3Y%17%3.1 主要设备水泥窑余热拖动系统的主要设备包括窑头余热锅炉、窑尾余热锅炉、驱动汽轮机、电机及其辅机等设备。（1）余热锅炉根据表1的烟风参数，余热锅炉的主蒸汽压力定为0.85

6、MPa,其中窑头锅炉采用立式结构，自然循环，烟气下进上出，受热面管束采用鳍片管，传热效果好；窑尾锅炉也采用立式结构，自然循环，烟气上进下出，受热面管束采用光管，窑头、窑尾锅炉的具体参数如下表所示：表2窑头、窑尾余热锅炉参数序号项目单位窑尾余热锅炉窑头余热锅炉1烟气流量Nm-h330000Nm;h200000Nm?h2进口烟温r2601c3S01C3出口烟温c194cIWC4蒸汽流量th14.3621315蒸汽压力ME#0.S5o.s?6蒸汽温度C2403607公共省煤器麹水量th35.67S公共省煤器入口水温C9锅炉压损Pa(2)驱动汽轮机高温风机、窑尾排风风机采用图2所示的同侧布置方式，将原

7、风机电动机改造成双伸轴，汽轮机和电机布置在风机左侧；减速器和汽轮机端采用3s离合器联接，减速器、电机以及风机之间采用膜片联轴器联接。水泥磨也采用图2所示的同侧布置方式，配置1台电动发电机(容量为3500kW),便于启动、富裕发电、事故时用，汽轮机、电动/发电机同侧布置；汽轮机与减速器之间采用3S离合器连接，减速器、电动/发电机以及水泥磨之间采用膜片联轴器联接，其中水泥磨自带的减速器含有手动离合装置。表3汽轮机及被拖动设备参数序号设备名称参数敷量备注曷温风机轴功率；2400kW1台1.1躯动汽轮机输出功率；1台1.2汽轮机避速器输入轴转速；62：'l0tmm输出转速范围；山】口I台随汽轮

8、机配套尾排风机轴功率；U：OkW1台2.1躯动汽轮机输出功率；匚。如:1台2.2汽轮机减速器输入轴转速；4?C0rrtim输出转速范围;74：rQiin1台随汽轮机配套水泥磨轴功率；3000kW1套3.1躯动汽轮机所需功率；1套3.2电动发电机容量；3500kW1台3.3汽抡机激速器输入轴转速min输出轴转速；1典Or;i1套随汽轮机配套3.4自带的激速器输入轴转速115C0rmin输出轴转速；15舟口1套3.2 工作流程(1) 起动时：当水泥窑刚起动时，余热回收系统还没有过热蒸汽产生，拖动汽轮机通过离合器与系统脱开；此时电机投入使用，电机单独拖动高温风机、窑尾排风机工作，使水泥窑系统起动、直

9、至正常工作，有热烟气产生；然后将热烟气送入余热锅炉产生过热蒸汽，将过热蒸汽送至汽轮机入口，使其膨胀做功；(2) 正常工作时：随着过热蒸汽量逐渐增大，汽轮机输出功率和转速也逐渐增大，当汽轮机转速达到一定程度时，离合器自动啮合，汽机与电机、风机连接投入使用；当汽轮机输出功率足够时，切断电机电源，汽轮机单独拖动高温风机、窑尾排风机、水泥磨工作（ 3）蒸汽量不足时：当水泥线生产线波动，过热蒸汽量不足时，连接电机电源，电机投入使用，此时汽轮机、电机双驱动高温风机、窑尾排风机以及水泥磨；（ 4）蒸汽量富裕时：汽轮机除拖动高温风机、窑尾排风机以及水泥磨正常运行外，富裕的蒸汽拖动电动/发电机，使其机械能全部转

10、变为电能，所发电能供其他设备使用。（ 5）水泥磨停运、故障时：当水泥磨故障或停运时，通过手动离合装置使水泥磨脱开检修，此时汽轮机正常工作拖动电动/发电机工作，使其机械能全部转变为电能，所发电能供其他设备使用。3.3 节能效果余热回收拖动与发电机组相比，少了发电机的机械能转变为电能、电动机的电能转变为机械能的两次能量转变过程所产生的损失，以及电能传输过程中的线路损失。两者的节能比较主要体现在系统的传动效率上，余热回收拖动机组传动效率高，而余热回收发电机组的传动效率则较低，具体见下表。表4余热回收拖动与发电系统性能比较序号余热回收汽机拖动序号余热回收发电1汽轮机内效率2）S2°o1汽轮机

11、内效率尸”79%汽轮机输出功率出话】6435.01汽轮机输出功率kW.i6157.0433发电机效率ec97%44计算发电功率占VO5P72.33汽轮机与风机之间离5发电机出口至变频器200co0W%合器的机械损失的电幽线踣损失小）6汽轮机与风机之间减6变频器、变频电机效率速机的机械损失工0。%损失（%）4.00307*得到的有用功率底V，61SU.1S7得至的有用功率出话,5704.778年运行时间（7200S年运行时间由）72009年节省发电量低*ha4449729L99g年节省发电量位*力a）41074311.02108°o10且S%11年节省电量位Wha-40937514.1

12、511年节省电量kWh1J77SS366.1312电费0.5512电费0?513年节省电费225156317813年节省电费2078360137注：变频器及变频电机均按西门子高效变频器及变频电机效率考虑。从上表可看出，汽机拖动比余热发电效率损失少6.57.5%;同时汽机拖动获得的有用功率比余热发电多7.6%左右，显然更节能。3.4 经济性分析3.4.1 投资两种余热利用方式的投资对比列于表5。从表中可以看出，余热拖动比余热发电约高800万元。表5余热回收拖动与发电系统投资比较（单位：万元人民币）序号项目余热拖动余热发电都注1余热锅炉及辅机108010S0汽轮机及辅机1S39O003发电机015

13、04水处理系统S5S53冷却塔及循环水泵站1101106电气钿24Q7仪表200130S材料费51042。g建筑工程费54173510安装工程费S1261011其他费用湖5SP12基本顼备费（3%）17415113工程静态投资600052003.4.2运行成本运行成本主要考虑化水消耗的药剂费、水费、人工及维护成本等，两种余热利用方式的运行成本对比见表6。从表中可以看出，余热发电的年供电成本比余热拖动的要高出250.7万元左右，余热发电的单位供电成本比余热拖动的要高出0.072元/kW.h左右。表6余热回收拖动与发电系统的运行成本比较余热拖动余热发电序号项目侏电总成本（元年）单位供电成本阮松）侏

14、电星成本（元年）单位供电成本阮期初1消耗材料4979S30.01216497gg3O.OB1S飞水6634510.01621S634510.017563工资福利费3000000.007335400000.0142?4维修费用S50D0O0.02076S50000U.0224Ps备用谷里茬及五项基金22673040V506产品平均成本2311434Q.056481873BUJ2S注：产品平均成本不含折旧及财务成本。综上所述，余热拖动项目较余热发电项目投资增加800万元，每年收入增加173.2万元，经营成本减少250.73万元，余热拖动项目的收益率要优于余热发电方案。4结论本文提出了一种新的水泥窑余热回收汽轮机拖动系统，另外介绍了汽轮机拖动常见布置方式，并通过实例对其经济效益进行了分析，总结如下：（1）水泥窑余热回收汽轮机拖动系统主要是利用水泥窑余热所产的蒸汽通过汽轮机做功直接驱动高温风机、窑尾排风风机以及水泥磨，具体能量转换环节为：窑头、窑尾余热一余热锅炉一蒸汽一汽轮机一被拖动设备;2）余热回收拖动与发电机组相比，少了发电机的机械能转变为电能、电动机的电能转变为机械能的两次能量转变过程所产生的损失，以及电能传输过程中的线路损失。两者的节能比较主要体现在系统的传动效率上，余热回