能动方向本科毕业设计一份.docx
- 文档编号:12681746
- 上传时间:2023-04-21
- 格式:DOCX
- 页数:89
- 大小:3.12MB
能动方向本科毕业设计一份.docx
《能动方向本科毕业设计一份.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《能动方向本科毕业设计一份.docx(89页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
能动方向本科毕业设计一份
摘要
随着我国经济的迅速发展,我国的能源消耗量也大大增加,能源紧缺将是我国所面临的严重问题。
然而在工业生产过程中,例如水泥、硫酸、玻璃等工业产品的生产,有大量的余热资源以各种形式被排放到环境中,造成严重的能源浪费和环境污染。
所以,开展余热资源的回收利用研究,对于解决能源紧缺问题具有重要的现实意义。
我国连续20年水泥生产世界第一,水泥生产是最大的耗能用户,也是节能潜力最大的工业企业。
新型干法水泥生产技术是目前最为先进的水泥生产技术,但是仍然有占水泥生产线烧成系统35%的余热不能利用。
本文以新型干法水泥生产过程中产生的废气为热源,建立了余热发电系统模型,分析研究了采用单压、双压、闪蒸系统回收水泥生产余热的性能,对典型的系统进行了热力计算,研究了各主要参数对系统性能影响的规律;在给定的余热条件下,采用遗传算法对三种余热利用系统的主要参数进行了优化,得出了循环系统对外输出的最大功率以及最优参数;对各种余热利用系统进行了火用分析,得到了系统火用效率,余热锅炉的火用损失较大,是影响循环系统火用效率的关键;最后,对各种方案的优缺点进行了比较,为水泥生产余热发电系统的设计和参数选择提供了理论基础。
关键字:
水泥窑,单压循环,双压循环,闪蒸循环,遗传算法,火用
ABSTRACT
Withtheeconomydevelopmentofourcountry,theenergyconsumptionincreasegreatly,andtheenergyshortagewillbeaseriousproblemthatmustbefacedbyus.However,intheindustryproductionprocess,suchascement,glass,vitriolproduction,andsoon,thereisagreatdealofwasteheatwhichisdischargedintoenvironmentwithvariousforms,andtheseresultinseriousenergywasteandenvironmentpollution.Therefore,todevelopawasteheatrecoverymethodisofapracticalsignificanceforsolvingtheenergyshortageproblem,andalsoanimportantresearchtaskforthefuture.
Chinesecementoutputhasrankedthefirstinacontinuous20yearsthroughouttheworld.Cementproductionhasbeenoneofthemostenergyintensiveindustriesintheworld.Atthesametime,ithasanenormousenergy-savingpotential.Newdry-processisanadvancedtechnologyincementproductionrecently,butthereisstill35percentofthewasteheatcannotbeused.
Inthispaper,thewastegasfromthenewdry-processcementkilnistakenastheheatsource.Andthen,differentmodelsofthewasteheatrecoverypowergenerationsystemareestablished.Wehaveinvestigatedtheperformanceoftheheatrecoveryinwastegasbysingle-pressure、dual-pressureorflashcycleboiler.Primaryparametersthatinfluenceawasteheatrecoverypowergenerationsystem’sperformancearealsostudied.Inthegivenwasteheatcondition,geneticalgorithmisusedtooptimizetheprimaryparametersofawasteheatrecoverypowergenerationsystem.Foreachwasteheatrecoverysystem,themaximumnetworkoutputandthebestparametersareobtained.Exergyanalysisofthewasteheatrecoverypowergenerationsystemisalsomade.Theexergyefficiencyisobtained.Theresultsshowthatwasteheatboilerisacrucialequipmentforawasteheatrecoverypowergenerationsystemtodecreasethewholesystem’sexergyloss,ithasgreatinfluenceontheexergyefficiency.Andthispaperalsocomparestheadvantagesanddisadvantagesofeachscheme.Itprovidesatheoreticalbasisforthedesignandtheselectionofparametersinthecementkilnwasteheatrecoverysystem.
KEYWORDS:
cementkiln,single-pressurecycle,dual-pressurecycle,flashcycle,geneticalgorithm,exergy
第1章前言
1.1研究背景
能源是社会经济发展的重要物质基础,是人类赖以生存的必要条件。
能源开发与利用程度是人类进步和文明的一个重要标志。
能源的生产与消费,又将直接制约社会经济的发展和人民物质文化生活水平的提高。
因此,能源问题己成为当今世界普遍关注的重大问题。
改革开发以来,我国经济迅速发展,但经济发展是以能源的大量消耗为代价的,自1980年以来,我国的能源总消耗量每年增长约6%,是世界平均增长率的近3倍。
我国的能源储量与未来几十年的发展需求之间已经存在一个巨大的缺口,而且这个缺口将越来越大。
有专家测算出我国国内能源的缺口量:
在21世纪初期超过1亿吨标准煤,2030年将约为2.5亿吨标准煤,到2050年将约为4.6亿吨标准煤。
我国的能源缺口在逐年增大,进口依存度将逐步扩大,仅在石油需求上,我国今后新增的石油需求量几乎要全部依靠进口,到2020年前后,我国的石油进口量将超过3亿吨,一跃成为世界第一大石油进口国[1]。
这表明我国能源的消耗量越来越大,而作为主要能源的煤、石油和天然气的储备已不能满足经济发展的要求,所以能源紧缺将会是我国所面临的严重问题,它将会制约我国社会经济的可持续发展。
尽管能源已经出现紧缺,然而在工业生产过程中,例如水泥、硫酸、玻璃等工业产品的生产,仍然有大量的余热资源以各种形式被排放到环境中,造成严重的能源浪费和环境热污染。
我国许多企业为高耗能企业,然而我国余热利用率比较低,仅为30%左右,与日本的57%和美国的51%相比还相差很远。
所以,对余热资源进行回收和利用是解决能源紧缺的重要举措,它关系到国民经济的发展和人民生活水平的提高,具有重要的现实意义。
余热是工业企业在生产过程中,由各种热能转换设备、耗能设备和化学反应设备中产生的可以回收而未被用尽的能量资源,其数量非常巨大,据统计余热量约占总能耗的20%以上。
余热资源的形式多样,按照物理状态可以分为:
固体余热资源(如高温炉渣,废料,炉料的显然和潜热),液体余热资源(如废热水、可燃废液及冷却介质和凝结水的余热),气体余热资源(如高温烟气,废汽)。
另外,按照余热的温度水平可以分为:
高温余热(温度高于650℃),中温余热(温度为300~650℃)和低温余热(温度低于300℃)。
对于高温余热资源的回收利用,随着节能工作的深入开展,目前技术己经相对成熟,而对于数量更大的中低温余热资源,特别是温度在350℃以下的中低温余热,大约占余热总量50%,由于其品位低,大部分被排放到了环境中,不仅造成能源的巨大浪费,而且造成严重的环境污染。
因此,中低温余热回收技术已经成为节能领域研究的重要课题。
具有发展前景的中低温余热发电技术,就是使用余热锅炉对工业生产中排放的余热进行回收,生产出一定压力和温度的蒸汽,拖动汽轮发电机进行发电。
这不仅可以减小环境中的热污染、有害气体和粉尘排放,而且对于缓解我国电力供应的紧张局面,满足国民经济的可持续发展具有积极的意义。
我国是水泥生产大国,随着我国基础建设的进一步发展,我国对水泥的消耗量将进一步增加,据中国国家统计局网站消息显示:
2007年全国规模以上水泥企业总产量13.6亿吨,增速为13.48%。
随着一大批小水泥厂的关闭,以及新型干法生产技术的推广,水泥生产单位煤耗已经大为降低,新型干法水泥已占水泥总产量的50%以上,在生产工艺上的提高空间有限,但是由于水泥生产中会产生大量温度低于350℃的废气,如果能采取有效措施回收利用这些废气所携带的能量,则可以进一步大幅度降低能耗。
因此,对水泥窑中低温余热利用技术的研究越来越受到人们的重视。
“十五”期末,国家发布的《节能中长期专项规划》中明确提出,要积极推广水泥窑余热发电技术,并要求新建2000t/d及以上水泥生产线中必须配套建设低温余热发电装置,这为水泥窑余热电站的建设提供了政策支持。
1.2发展水平与研究现状
我国水泥窑余热发电大致经历了中空窑高温余热发电、预热器及预分解窑带补燃炉
中低温余热发电、预热器及预分解窑低温余热发电三个发展阶段。
我国在20世纪20~30年代由于电力紧张,建设了一批干法中空窑余热发电水泥厂,其水泥窑废气温度为800℃~900℃、熟料热耗为6700kJ/kg~8400kJ/kg,所配套的高温余热发电系统的发电能力为每吨熟料100kWh~130kWh。
以后,由于我国的电力短缺,中空窑余热发电有了较大发展。
直到90年代初,预分解窑带补燃炉余热发电技术在我国开始应用。
随着人们节能和环保意识的提高,世界上单纯以余热利用为目的的预热器及预分解窑低温余热发电在上世纪80年代初有了较大发展,其水泥窑废气温度为350℃左右。
我国水泥工业纯低温余热发电始于1998年初宁国水泥厂从日本川崎公司引进的4000t/d生产线,该系统为4级窑外分解工艺,余热锅炉和汽轮机均为进口。
在国内,经过十几年的开发、研究,对于水泥窑余热发电来讲,纯低温余热发电技术无论是热力循环系统还是设备都已成熟可靠,尤其是补气式汽轮机的研制成功,使我国余热发电技术及装备总体上的技术水平已经赶上国际先进工业国家。
我国近年来新建投产的新型干法水泥生产线,在生产技术和装备等许多方面,已逐步接近国际先进水平,但我国的新型干法水泥厂可燃废料的替代率和生产用电的自供率很低,与发达国家相比,存在很大差距。
纯低温余热发电是利用窑头、窑尾排放废气余热发电,无需消耗燃料。
在预分解窑系统上加设纯中低温余热发电,能将水泥生产的综合热利用率从60%左右提高到90%以上,经济效益明显。
纯中低温余热发电量现已达到30~40kWh/t熟料,使水泥生产线的自供电量达到1/3以上,经济效益是很可观的。
文献[4]介绍了水泥窑常规扩展余热发电系统和非常规余热发电系统,常规的扩展余热发电系统可以采取窑头冷却机设两个或多个中部取风口回收不同品位的余热,窑尾废气分流,回收水泥窑筒体或三次风管外表面的辐射热等方法;非常规余热发电系统可以采用导热油和有机工质循环、卡琳纳(Kalina)循环等,这些措施都可以进一步提高余热利用率。
文献[5]介绍了水泥窑纯低温余热锅炉存在的问题,随着水泥窑的生产工艺、生产方法、原料、燃料条件的变化,以及水泥窑产生的烟气余热的品质随水泥产量变化产生很大的波动,给纯低温余热锅炉的余热利用带来了很多困难。
纯低温余热锅炉应尽可能适应水泥窑的变化,产生稳定的蒸汽参数,对汽轮机产生较小的影响。
在余热锅炉的设计中,还要考虑锅炉布置形式的选取,锅炉水循环的方式,锅炉本体漏风,锅炉积灰、清灰以及磨损问题。
文献[6]中TahsinEngin和VedatAri等人以水平旋转水泥窑系统的能量分析为基础,阐述了干法水泥窑主要的热源损失有水泥窑废气(19.15%),冷却机出来的热空气(5.61%),窑表面的对流及热辐射(10.47%)以及回收这些废热的可行方法。
对于前两种废热可以用一个常规的余热回收蒸汽发生器系统来回收;对于窑表面的废热,可以通过加装第二道外壳来减少热损失,综合起来,可以回收总能量的15.6%。
文献[9]介绍了影响单压余热发电系统主蒸汽参数选择的外部因素包括进口烟风特性、出口烟风特性、锅炉制造成本、汽轮机汽耗率以及其他内部因素,同时也说明了主蒸汽参数的选取原则。
文献[10]推导了双压无再热联合循环余热锅炉的出力与参数的关系,具体分析了高压系统出力与参数的关系、低压系统出力与参数的关系以及高压系统对低压系统的影响,在通常情况下,应该将高压系统的出力用足,而不采用牺牲高压系统出力来换取低压系统出力的做法,阐述了双压无再热联合循环余热锅炉参数优化的目的、方法及步骤。
文献[11]介绍了闪蒸技术的流程,闪蒸锅炉汽水流量、排烟温度等参数的计算方法,分析了闪蒸压力、闪蒸水的抽取位置对系统整体性能的影响。
文中指出闪蒸压力低一些较好,通常选在0.3~0.4MPa之间较为合适,从低温省煤器出口抽取未饱和水进入闪蒸器比较经济,论证了闪蒸技术的可行性。
文献[12]通过对余热锅炉的火用分析,推导出余热锅炉参数与火用回收量的关系模型,并分别给出对应不同烟气入口温度,饱和蒸汽锅炉和过热蒸汽锅炉回收火用值和工作参数的选择图表,分析提高余热锅炉火用效率的途径和方法。
上述文献对水泥窑中低温余热利用中存在的问题,三种典型的余热利用方案,即单压、双压、闪蒸三种系统各自的经济性指标以及参数变化对系统性能的影响做了一些分析,还提出了火用分析的方法,得到了一定的结果,但是,上述结果都是在各自不同的余热条件下得出的,并没有在同一个余热条件下对三种余热利用方案进行详细的、全面的热力计算,并找出对系统性能影响最大的参数,再进行具体的优化比较得出最适合的余热利用方案,这样,所得出的结果没有比较性。
而且大部分文献只进行了热力学第一定律下的计算,得到了功率、效率等经济性指标,没有做系统的火用分析,由热力学第二定律可知,没有进行火用分析的系统分析方法是不完整的。
因此,还需要对三个系统及其火用效率进行详细的对比分析与研究。
1.3本文的主要工作
本文以5000t/d级水泥窑为研究对象,通过分析单压、双压、闪蒸循环系统的热力平衡关系,建立了系统的热力学模型,研究了系统参数与系统性能之间的基本规律;采用遗传算法,分别优化了各模型的蒸汽压力、流量、节点温差等热力参数,得出了优化结果;运用火用单元分析法对各系统进行了详细的火用损失计算,并对各种模型的优缺点进行了比较。
本文完成的主要工作有:
(1)余热利用循环系统及其性能分析:
编制了余热利用循环热力计算程序,对余热利用方案中三种典型的循环系统进行了热力分析,对影响循环性能的主要参数进行了研究,得到了系统参数与系统性能之间的基本规律;
(2)对余热利用系统进行了参数优化:
编制了余热利用系统参数优化程序,采用遗传算法对系统主要参数进行了优化,得出了整个循环对外输出的最大功率以及各系统的最优参数;
(3)对余热利用系统进行了火用分析:
通过火用单元分析法,对三种方案下的循环系统内部各典型部件进行了火用损失计算,进而得到了整个系统的火用效率,通过火用分析,指出了减小系统火用损,提高系统性能的方向。
1.4各章的主要内容
第二章介绍单压、双压、闪蒸三种系统的模型以及热力计算程序,给出了每个程序的流程图。
通过分析一定参数范围内的功率变化,给出透平功率随参数变化的规律,为后文优化做铺垫。
第三章介绍了遗传算法的概念、原理、基本步骤以及程序的编制过程,并通过遗传算法对三种余热利用系统进行了优化,得到了各系统的最大功率及最优参数,比较了各自的优化结果,给出了确定的余热条件下的最佳余热利用方案。
第四章介绍火用的概念及火用分析的方法,并对三种余热利用系统分别进行了火用分析,得到了系统的火用效率,提出了改善系统性能的方向。
第五章是对前面几章工作的总结及结论。
第2章余热利用循环系统的热力计算
目前,在水泥行业纯低温余热发电技术领域中,热力系统主要有单压系统、双压锅炉系统以及热水闪蒸系统3种配置方式。
本文以目前国内比较先进的窑外分解窑水泥熟料生产技术为例,其废气有两股,分别来自窑头冷却机和窑尾预热器,温度一般在300-400℃之间,并且随生产工况的不同而有所波动。
具体的余热条件如下:
(1)窑头冷却机有两路废气,其废气参数如下:
中温端:
废气量(额定工况):
~171000m3/h;
废气温度:
340℃~360℃~380℃;
低温端:
废气量(额定工况):
~110250m3/h;
废气温度:
100~120~180℃;
上述废气中,中温端可全部用于发电,低温端废气因废气温度太低且波动范围相对太大、同时考虑水泥熟料冷却调整风量的需要,可以不再考虑回收利用。
(2)窑尾预热器排出的废气:
废气量(额定工况):
~317000m3/h;
废气温度:
320~340~380℃;
上述废气经余热锅炉后温度降至210~220℃用于水泥原料烘干。
本文对窑头冷却机的中温端余热和窑尾预热器排出的余热进行计算和优化。
余热废气按空气来近似,密度取空气的密度1.293kg/m3。
其比焓,比熵等按参考文献[14]中拟合公式计算得到。
本文的汽水流程中,水和水蒸汽的热力性质采用IF-97标准,该标准具有计算速度快,结果准确等优点,工况点的计算误差都在0.5%以内,满足工程实际需要。
2.1单压系统模型及热力计算
2.1.1单压系统模型的建立
在三种系统中,单压发电系统由于其构成简单、主机设备成熟可靠、电站运行维护简单、适应水泥窑的波动能力强以及投资低、发电成本低及操作运行人员少等优点而被普遍采用。
目前水泥窑余热利用中普遍采用的单压系统热力流程如图2-1所示,其简化模型如图2-2所示。
图2-1单压系统热力流程
图2-2单压系统简化模型
在本热力系统中,窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉生产相同参数的主蒸汽,混合后进入汽轮机,主蒸汽在汽轮机内做功后经除氧,由给水泵为窑头余热锅炉供水,窑头余热锅炉生产的热水再为窑头余热锅炉蒸汽段和窑尾余热锅炉供水,两台余热锅炉生产出合格的主蒸汽,从而形成一个完整的热力循环。
这个热力系统的特点是汽轮机只设置一个进汽口,窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉只生产参数相同的主蒸汽。
那么考虑水泥窑废气余热的调配及利用、余热锅炉的设计、电站热力系统的配置等因素的唯一的目的,就是提高主蒸汽品质及产量。
主蒸汽品质及产量在外部条件确定的情况下,完全决定了余热发电系统的发电功率。
由于过小的热端温差和节点温差会导致换热器面积过大,初投资增大,因此设定热端温差和节点温差不能低于10℃,本文单压系统中节点温差取为10℃。
为了防止变工况时省煤器内发生部分给水蒸发汽化,同时考虑系统出功的最大化,选择接近点温差不能低于5℃,本文单压系统中接近点温差取为5℃。
两个锅炉主蒸汽最终混合后进入汽轮机,两锅炉主蒸汽温度给为定值320℃。
汽轮机效率设为0.85,设定排汽干度不能低于0.85。
同时,考虑到排烟温度的限制,AQC炉的排烟温度不得低于85℃。
在单压余热锅炉的整个换热过程中,烟气温度和汽水温度曲线如下图所示:
图2-3单压系统工质换热温度曲线
图中,Tin为烟气进口温度,Tout为烟气出口温度,Tf为给水温度,Tc为主蒸汽温度。
系统中主要计算式如下:
(1)蒸汽流量的计算:
(2-1)
其中:
G:
蒸汽流量,kg/s;Gg:
锅炉废气流量,kg/s;hg1:
过热器出口处废气焓kJ/kg;hg2:
节点处废气焓,kJ/kg;hs1:
主蒸汽焓,kJ/kg;h2:
进入汽包前水焓,kJ/kg。
(2)汽轮机输出功率的计算:
(2-2)
其中:
Gz为汽轮机进汽流量,kg/s;h1为汽轮机进汽焓,kJ/kg;h2为汽轮机实际排汽焓,kJ/kg。
(3)排汽干度:
(2-3)
其中:
x为排汽干度;ha为排汽压力下饱和水焓,kJ/kg;hb为排汽压力下饱和蒸汽焓,kJ/kg。
2.1.2单压系统的热力计算
在进行系统的热力计算以前,先做如下假设:
(1)忽略管路的压损和热损;
(2)透平的效率认为不变;
(3)忽略水泵的焓升和耗功;
(4)各个换热器的最小温差为5℃;
(5)环境温度和压力为定值;
此处的假设在后文的双压、闪蒸系统热力计算中也适用。
下面给出单压系统热力计算的已知条件,如表2-1:
表2-1单压系统热力计算的原始数据
项目
单位
数值
SP炉进口烟气温度
℃
340
SP炉烟气流量
m3/h
317000
SP炉出口烟气温度
℃
220
主蒸汽温度
℃
320
AQC炉进口烟气温度
℃
360
AQC炉烟气流量
m3/h
171000
烟气密度
kg/m3
1.293
AQC锅炉的节点温差
℃
10
AQC锅炉的接近点温差
℃
5
透平效率
0.85
排气压力
MPa
0.005
冷凝器端差
℃
5
环境温度
℃
15
环境压力
MPa
0.1
单压系统的计算流程图如下所示:
图2-4单压系统热力计算程序流程图
2.1.3单压系统参数对热力性能的影响
本文通过上述编制的程序对一定主蒸汽压力范围内的透平功率及其他参数进行了计算,其各项指标如下:
表2-2单压系统不同主蒸汽压力下的热力计算
项目
主蒸汽压力等级/MPa
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
余热锅炉主蒸汽温度/℃
320
320
320
320
320
320
余热锅炉主蒸汽焓值/kJ/kg
3084.90
3082.48
3080.05
3077.60
3075.14
3072.65
余热锅炉汽包对应饱和温度/℃
195.05
198.30
201.38
204.32
207.12
209.81
SP炉
进口废气流量/m3/h
317000
317000
317000
317000
317000
317000
进口废气温度/℃
3
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 能动 方向 本科 毕业设计 一份
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)