提高水泥窯純低溫余熱發(fā)電能力的途徑

一、前言
    近年來，隨著我國水泥工業(yè)工藝及裝備技術(shù)得以迅速發(fā)展，百數(shù)十條數(shù)千噸級新型干法水泥熟料生產(chǎn)線（簡稱水泥窯）的陸續(xù)投產(chǎn)，為水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了市場條件。在這個(gè)背景條件下，目前國內(nèi)具有水泥窯余熱發(fā)電工程設(shè)計(jì)、技術(shù)開發(fā)能力的數(shù)家單位，以利用日本KHI技術(shù)及設(shè)備建設(shè)的安徽寧國水泥廠、廣西柳州水泥廠純低溫余熱電站為藍(lán)本，推出了幾種水泥窯純低溫余熱發(fā)電的熱力循環(huán)系統(tǒng)并已在水泥工業(yè)開始陸續(xù)推廣應(yīng)用。由于日本KHI提供的余熱發(fā)電技術(shù)及設(shè)備是用于上世紀(jì)八十年代利用當(dāng)時(shí)國外先進(jìn)水泥工藝技術(shù)及裝備建成的帶有四級預(yù)熱器的新型干法窯，考慮目前國內(nèi)陸續(xù)投產(chǎn)的大型水泥窯技術(shù)及裝備的變化并結(jié)合國內(nèi)火力發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)制造現(xiàn)狀，對水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電應(yīng)采用的熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)進(jìn)行深入的研究分析從而進(jìn)一步確定并提高適于我國國情的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備水平、充分回收余熱盡而提高余熱發(fā)電能力是非常必要的。
二、水泥窯可用于發(fā)電的余熱分布及變化
    目前國內(nèi)新型干法水泥熟料生產(chǎn)線由于第三代冷卻機(jī)、大型立磨等新工藝、新設(shè)備的應(yīng)用，熟料綜合能耗得以大幅降低，可用于發(fā)電的余熱也有了較大的變化，其中尤其是熟料冷卻機(jī)廢氣余熱。對于這種水泥窯，目前可用于發(fā)電的余熱：其一，熟料冷卻機(jī)排出的廢氣余熱可全部用于發(fā)電；其二，窯尾預(yù)熱器排出的廢氣余熱，部分可用于發(fā)電，部分用于水泥生產(chǎn)所需原燃料的烘干。以5000t/d水泥窯為例，可用于發(fā)電的余熱分布情況見圖1。
          
                     圖1  5000t/d級新型干法水泥窯余熱分布圖
    上世紀(jì)八十年代利用當(dāng)時(shí)國外先進(jìn)技術(shù)及設(shè)備建設(shè)的水泥窯，可用于發(fā)電的余熱分布與目前國內(nèi)大型水泥生產(chǎn)線是相同的，但由于熟料冷卻機(jī)、粉磨等工藝及設(shè)備技術(shù)的不同，可用于發(fā)電的余熱量發(fā)生了較大變化，以安徽寧國水泥廠4000t/d水泥窯及目前國產(chǎn)5000t/d水泥窯為例比較如下：見表1。
      表1                   水泥窯可用于發(fā)電的余熱比較表

參數(shù)名稱		安徽寧國水泥廠4000t/d水泥窯			目前國產(chǎn)5000t/d水泥窯
熟料產(chǎn)量		4009t/d			5000t/d
預(yù)熱器排出的廢氣溫度		343℃			~330℃
預(yù)熱器排出 的廢氣量	總量	258580Nm3/h			~332000Nm3/h
	單位熟料	1.548Nm3/kg			~1.59Nm3/kg
冷卻機(jī)排出的廢氣溫度		241℃（不噴水）			260℃（不噴水）
冷卻機(jī)排出 的廢氣量	總量	~315040Nm3/h			~282000Nm3/h
	單位熟料	~1.886Nm3/kg			~1.35Nm3/kg
物料烘干要求的 預(yù)熱器廢氣溫度		250℃			~210℃
單位熟料熱耗		3323kJ/ /kg			2997kJ/ /kg
水泥窯總熱耗		5.55×108kJ/h			6.24×108kJ/h
廢氣總余熱量	預(yù)熱器	13.1×107kJ/h	784.23kJ/kg	56.83%	16.2×107kJ/h	777.6kJ/kg	62.8%
	冷卻機(jī)	9.95×107kJ/h	595.7kJ/kg	43.17%	9.61×107kJ/h	461.3kJ/kg	37.2%
	合計(jì)	23.05×107kJ/h	1379.93kJ/kg	100%	25.81×107kJ/h	1238.9kJ/kg	100%
廢氣總余熱量占水 泥窯總熱耗比例		41.53%			41.36%
可用于發(fā)電的余熱量	預(yù)熱器	3.565×107kJ/h		26.3%	5.91×107kJ/h		38.1%
	冷卻機(jī)	9.95×107kJ/h		73.7%	9.61×107kJ/h		61.9%
	合計(jì)	1.3515×108kJ/h		100%	1.552×108kJ/h		100%
可用于發(fā)電的余熱	預(yù)熱器	1.86×107kJ/h		39.7%	2.927×107kJ/h		49.4%
	冷卻機(jī)	2.82×107kJ/h		60.3%	2.858×107kJ/h		50.6%
	合計(jì)	4.68×107kJ/h		100%	5.785×107kJ/h		100%
可用于發(fā)電的 余熱量占各自廢氣總余熱量比例	預(yù)熱器	27.2%			36.48%
	冷卻機(jī)	100%			100%
可用于發(fā)電 的余熱量分別占 廢氣總余熱量的 比例	預(yù)熱器	15.47%			22.9%
	冷卻機(jī)	43.16%			37.23%
	合計(jì)	58.63%			60.13%
可用于發(fā)電的 余熱量占水泥窯總熱耗的比例	預(yù)熱器	6.4%			9.47%
	冷卻機(jī)	17.9%			15.4%
	合計(jì)	24.3%			24.87%
冷卻機(jī)熱效率		~60%			~75%
基本數(shù)據(jù)來源		摘自熱工標(biāo)定及電站設(shè)計(jì)資料			摘自工程設(shè)計(jì)及電站設(shè)計(jì)資料

    表1中兩條水泥窯可用于發(fā)電的總余熱量與水泥窯總熱耗的比例是基本相同的，但分布卻發(fā)生了很大變化：由于原料粉磨系統(tǒng)普遍采用立磨工藝，使烘干物料用的預(yù)熱器廢氣溫度由~250℃降低至~210℃，在單位熟料預(yù)熱器廢氣余熱總量基本不變的情況下，可用于發(fā)電的余熱量由占預(yù)熱器總余熱量的27.2%提高至36.48%；由于第三代冷卻機(jī)熱效率的提高，使可用于發(fā)電的余熱量由占廢氣總余熱量的43.16%降至37.23%，同時(shí)降低了熟料熱耗。對于目前國內(nèi)新型干法窯，當(dāng)原燃料烘干所需的廢氣溫度大于260℃時(shí)，可用于發(fā)電的總余熱量將由24.87%降低至20.9%、預(yù)熱器及冷卻機(jī)間可用于發(fā)電的廢氣余熱量比例也將與寧國水泥廠4000t/d生產(chǎn)線基本相同。
    上述可用于發(fā)電的余熱分布、比例，對確定余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)及循環(huán)參數(shù)有重要的影響。
三、目前我國純低溫余熱發(fā)電技術(shù)采用的幾種熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)的分析及存在的主要問題
    3.1 熱力循環(huán)系統(tǒng)
    近年來，根據(jù)安徽寧國水泥廠、廣西柳州水泥廠余熱電站模式，國內(nèi)水泥窯純低溫余熱發(fā)電采用的熱力循環(huán)系統(tǒng)主要為以下三種：
    其一：采用補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的復(fù)合閃蒸單級補(bǔ)汽系統(tǒng)（AQC爐生產(chǎn)主蒸汽同時(shí)生產(chǎn)高溫?zé)崴?，高溫?zé)崴俳祲赫舭l(fā)出二次蒸汽后，二次蒸汽補(bǔ)入汽輪機(jī)），見圖2；
        
              圖2  復(fù)合閃蒸單級補(bǔ)汽熱力循環(huán)系統(tǒng)

    其二：采用補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的雙壓單級補(bǔ)汽系統(tǒng)（AQC爐生產(chǎn)兩個(gè)不同壓力的蒸汽，一為主蒸汽，再一個(gè)為低壓補(bǔ)汽），見圖3；
        
            圖3  雙壓單級補(bǔ)汽熱力循環(huán)系統(tǒng)
    其三：采用單級進(jìn)汽汽輪機(jī)及單壓AQC爐的單壓不補(bǔ)汽系統(tǒng)，見圖4。
        
          圖4  單壓不補(bǔ)汽熱力循環(huán)系統(tǒng)
3.2 循環(huán)參數(shù)
    結(jié)合目前國產(chǎn)汽輪機(jī)組系列參數(shù)及水泥窯廢氣溫度，前述三種熱力循環(huán)系統(tǒng)采用的循環(huán)參數(shù)（以汽輪機(jī)主進(jìn)汽壓力、溫度為標(biāo)志）主要為：主進(jìn)汽壓力0.98Mpa、溫度305℃，主進(jìn)汽壓力1.57Mpa、溫度305℃，主進(jìn)汽壓力1.27Mpa、溫度315℃，其中僅寧國水泥廠為2.5Mpa- 350℃、柳州水泥廠為1.57Mpa- 350℃。
3.3 發(fā)電能力的計(jì)算及分析
    對于5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線，當(dāng)分別采用上述三種熱力循環(huán)系統(tǒng)及0.98Mpa- 305℃循環(huán)參數(shù)時(shí)，其發(fā)電能力的變化見表2。
表2                    發(fā)電能力比較表（熱力循環(huán)系統(tǒng)不同）


    當(dāng)某一種熱力循環(huán)系統(tǒng)采用不同循環(huán)參數(shù)時(shí)，其發(fā)電能力也是變化的。其變化情況分別以單壓不補(bǔ)汽系統(tǒng)、雙壓單級補(bǔ)汽系統(tǒng)、復(fù)合閃蒸單級補(bǔ)汽系統(tǒng)的1.57 Mpa-305℃、1.57 Mpa-325℃進(jìn)行分析計(jì)算，見表3。
     表3                     發(fā)電能力變化（循環(huán)參數(shù)不同）

熱力循環(huán)系統(tǒng)及循環(huán)參數(shù)		復(fù)合閃蒸單級補(bǔ)汽系統(tǒng)		雙壓單級補(bǔ)汽系統(tǒng)		單壓不補(bǔ)汽系統(tǒng)
		1.57MPa-305℃	1.57MPa-325℃	1.57MPa-305℃	1.57MPa-325℃	1.57MPa-305℃	1.57MPa-325℃
SP 爐	主蒸汽參數(shù)	19.3t/h-1.72MPa-310℃	19.1t/h-1.72MPa-330℃	19.6t/h-1.72MPa-310℃	19.28t/h-1.72MPa-330℃	19.3t/h-1.72MPa-310℃	19.1t/h-1.72MPa-330℃
	主蒸汽給水溫度	193℃	193℃	100℃	100℃	193℃	193℃
	用于烘干的廢氣溫度	230℃	230℃	215℃	216℃	230℃	230℃
AQC 爐	主蒸汽參數(shù)	10.75t/h-1.72MPa-310℃	10.56t/h-1.72MPa-330℃	10.93t/h-1.72MPa-310℃	10.73t/h-1.72MPa-310℃	10.75t/h-1.72MPa-310℃	10.56t/h-1.72MPa-330℃
	主蒸汽段給水溫度	195℃	195℃	100℃	100℃	195℃	195℃
	主蒸汽段廢氣出口溫度	226℃	226℃	205℃	207℃	226℃	226℃
	低壓蒸汽參數(shù)	—	—	6.5t/h-0.25MPa-155℃	6.5t/h-0.25MPa-155℃	—	—
	低壓蒸汽段給水溫度	—	—	95℃	95℃	—	—
	熱水段出水參數(shù)	62.26t/h-196℃	62.26t/h-196℃	36.58t/h-96℃	36.11t/h-96℃	30.45t/h-196℃	30.06t/h-196℃
	熱水段給水溫度	70℃	70℃	30℃	30℃	30℃	30℃
	進(jìn)窯頭電收塵器廢氣溫度	102℃	102℃	104℃	105℃	128℃	129℃
閃蒸器進(jìn)水參數(shù)		31.81t/h-195℃	32.2t/h-195℃	—	—	—	—
閃蒸器二次蒸汽參數(shù)		.11t/h-0.25MPa-126.79℃	4.19t/h-0.25MPa-126.79℃	—	—	—	—
閃蒸器出水參數(shù)		27.7t/h-126.79℃	28.01t/h-126.79℃	—	—	—	—
汽輪機(jī)主進(jìn)汽參數(shù)		30.05t/h-1.57MPa-305℃	29.66t/h-1.57MPa-325℃	30.05t/h-1.57MPa-305℃	30.01t/h-1.57MPa-325℃	30.05t/h-1.57MPa-305℃	29.66t/h-1.57MPa-325℃
汽輪機(jī)補(bǔ)汽參數(shù)		4.11t/h-0.15MPa-飽和	4.19t/h-0.15MPa-飽和	5.5t/h-0.15MPa-150℃	5.55t/h-0.15MPa-150℃	—	—
汽輪機(jī)排汽參數(shù)		0.007MPa-38.66℃	0.007MPa-38.66℃	0.007MPa-38.66℃	0.007MPa-38.66℃	0.007MPa-38.66℃	0.007MPa-38.66℃
發(fā)電能力		5290KW	5545KW	5551KW	5801KW	4956KW	5213KW
汽輪機(jī)(含發(fā)電機(jī))總相對效率		86.8%	87.0%	86.5%	86.8%	87.0%	87.2%
電站熱效率		12.27%	12.86%	12.88%	13.46%	11.49%	12.09%
電站效率		32.93%	34.51%	34.55%	36.10%	30.84%	32.44%

3.3.1分析并提高余熱發(fā)電能力應(yīng)遵循的基本原則
    當(dāng)水泥窯廢氣溫度界定為：高溫余熱大于等于650℃、中溫余熱小于650℃大于等于350℃、低溫余熱小于350℃時(shí)，筆者經(jīng)多年的研究、實(shí)驗(yàn)并通過主持各類余熱電站的調(diào)試運(yùn)行和對水泥窯余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)中余熱的質(zhì)量，提出了分析并提高余熱發(fā)電能力應(yīng)遵循的若干基本原則。
(1)提高火力發(fā)電廠熱力循環(huán)系統(tǒng)效率的基本途徑
    根據(jù)熱力循環(huán)基本理論，提高火力發(fā)電廠熱效率的途徑有如下四方面：
    a提高初參數(shù)，即提高循環(huán)參數(shù)或稱主蒸汽壓力和溫度；
    b降低終參數(shù)，即降低汽輪機(jī)的排汽壓力和溫度；
    c采用在汽輪機(jī)不同壓力級分別抽出不同壓力的適量蒸汽用于逐級加熱鍋爐給水以提高鍋爐給水溫度的回?zé)嵫h(huán)；
    d采用在汽輪機(jī)某個(gè)壓力級將蒸汽全部抽出后將蒸汽全部回至鍋爐繼續(xù)加熱升溫，再將其回至汽輪機(jī)的再熱循環(huán)。
(2)提高水泥窯余熱發(fā)電能力應(yīng)遵循的原則
    前述四個(gè)方面是針對以燃燒燃料的火力發(fā)電廠而言，鍋爐內(nèi)燃料燃燒形成的溫度場可以達(dá)到千度以上，但對于廢氣溫度小于450℃的新型干法水泥窯余熱發(fā)電來講，應(yīng)考慮：
    a水泥窯廢氣余熱量及溫度是受水泥生產(chǎn)工藝系統(tǒng)限制的，相應(yīng)地提高主蒸汽參數(shù)也就受到限制。
    b余熱發(fā)電與常規(guī)火力發(fā)電一樣，受環(huán)境溫度的限制，汽輪機(jī)排汽參數(shù)不可能低于大氣濕球溫度。
    c在汽輪機(jī)不同壓力級分別抽出不同壓力的適量蒸汽以逐級加熱鍋爐給水的回?zé)嵫h(huán)，由于水泥窯廢氣有足夠的廢熱量可以將鍋爐給水加熱至相應(yīng)溫度從而汽輪機(jī)可以不抽汽使其在汽輪機(jī)內(nèi)繼續(xù)膨脹做功而提高發(fā)電能力，因此回?zé)嵫h(huán)不適于純低溫余熱發(fā)電；對于再熱循環(huán)，由于受水泥窯廢氣溫度的限制，也不適于純低溫余熱發(fā)電。
    d在預(yù)熱器廢氣經(jīng)SP爐后再用于原燃料烘干的正常情況下，水泥窯總可用于發(fā)電的余熱量中，溫度低于200℃的部分約占35%以上并且全部集中于熟料冷卻機(jī)（見表1）。這樣僅采用單壓不補(bǔ)汽熱力循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，將有部分200℃以下的余熱量不能回收利用而影響發(fā)電能力；當(dāng)預(yù)熱器廢氣經(jīng)SP爐后允許其溫度進(jìn)一步降低時(shí)（如不用于原燃料烘干或烘干需要的溫度較低），則不能回收的200℃以下余熱量會(huì)更多，損失的發(fā)電能力會(huì)更大，也就是說余熱在量上沒有得到充分利用。
    綜合上述各方面因素，指導(dǎo)構(gòu)成水泥窯中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、確定循環(huán)參數(shù)、提高發(fā)電能力的四個(gè)基本原則如下：
    第一、對于高溫廢氣余熱，應(yīng)盡量生產(chǎn)高壓、高溫的蒸汽以減少換熱溫差、提高效率；
    第二、對于中低溫廢氣余熱，應(yīng)首先考慮用其生產(chǎn)幾個(gè)不同壓力級別的相對高壓、高溫的蒸汽并按其蒸汽壓力分別補(bǔ)入補(bǔ)燃鍋爐或補(bǔ)入汽輪機(jī)不同壓力級的補(bǔ)汽口。按此原則可以獲得小的換熱溫差、高的效率；
    第三、對于低溫廢氣余熱，在保證小的換熱溫差條件下，首先利用相對低溫的余熱取代汽輪機(jī)回?zé)岢槠醇訜嵴羝仩t的給水，其次利用相對高溫的余熱生產(chǎn)不同壓力、溫度的低壓蒸汽并按其壓力分別補(bǔ)入汽機(jī)不同壓力級的補(bǔ)汽口。按此原則也可以獲得小的換熱溫差，高的效率并可以將可利用的廢氣余熱量全部回收用于發(fā)電；
    第四、對于廢氣余熱發(fā)電，熱力循系統(tǒng)是幾個(gè)初參數(shù)不同的復(fù)合朗肯循環(huán)，不完全符合基本熱力循環(huán)理論，因此其循環(huán)熱效率是不可能高于朗肯循環(huán)熱效率的，同時(shí)用熱效率來評價(jià)余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)首先是不科學(xué)的、其次也是沒有實(shí)際意義的。能夠真實(shí)反映余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)技術(shù)水平及余熱—?jiǎng)恿D(zhuǎn)換效果的應(yīng)為而且也僅為：“效率”（即效率=發(fā)電功率/廢氣余熱總?。┎⑶覍⒋蟠蟾哂跓嵝剩瑥亩鎸?shí)地說明低溫廢氣余熱的價(jià)值。
    上述四個(gè)基本原則即以熱力學(xué)第一定律——熱量平衡為基礎(chǔ)同時(shí)也以熱力學(xué)第二定律——平衡為基礎(chǔ)，充分體現(xiàn)了熱量的質(zhì)量——的梯級利用原理。依據(jù)上述原則構(gòu)成的余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)，理論上的發(fā)電能力或者說效率是最高的。
3.3.2發(fā)電能力的分析
    綜合分析表2、表3并依據(jù)上述基本原則，對于前述的幾個(gè)純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)：
    (1)采用單壓不補(bǔ)汽系統(tǒng)時(shí)，發(fā)電能力是最低的。其主要原因：○1由于蒸汽壓力也即飽和蒸汽溫度的限制同時(shí)考慮換熱溫差，預(yù)熱器出口廢氣經(jīng)SP鍋爐后的廢氣溫度不可能低于鍋爐蒸汽的飽和溫度，如：主蒸汽壓力為1.2Mpa時(shí)，鍋爐汽包飽和蒸汽溫度為190.7℃，相應(yīng)的SP爐出口廢氣溫度不可能低于205℃；主蒸汽壓力為1.57Mpa時(shí)，鍋爐汽包飽和蒸汽溫度為213.1℃，相應(yīng)的SP爐出口廢氣溫度不可能低于228℃。○2同樣由于蒸汽壓力的限制，熟料冷卻機(jī)廢氣通過AQC爐生產(chǎn)主蒸汽后，廢氣溫度仍在205℃以上，而這部分熱量只能用于加熱SP爐及AQC爐蒸汽段的給水；再由于SP爐、AQC爐蒸汽段給水量、給水溫度的限制及冷卻機(jī)205℃以下廢氣余熱熱量占可用于發(fā)電的總余熱量的比例太大（達(dá)到35%以上），冷卻機(jī)廢氣溫度經(jīng)AQC爐蒸汽段和加熱蒸汽段給水的熱水段后的出口廢氣溫度也不可能降至帶補(bǔ)汽系統(tǒng)的溫度。上述兩方面的原因，使廢氣余熱不能得以充分回用利用，相應(yīng)地影響發(fā)電能力，也就是說沒有遵循3.3.1所述的四個(gè)基本原則。
    (2)采用雙壓單級補(bǔ)汽系統(tǒng)時(shí)，發(fā)電能力是最高的。其主要原因：○1克服了單壓不補(bǔ)汽系統(tǒng)余熱利用不充分的缺點(diǎn)，可以將預(yù)熱器廢氣溫度經(jīng)SP爐后降至原燃料烘干所需要的溫度，熟料冷卻機(jī)廢氣經(jīng)AQC爐后溫度降至經(jīng)濟(jì)溫度（即：AQC爐根據(jù)循環(huán)參數(shù)，其出口廢氣的經(jīng)濟(jì)溫度一般為80~100℃）；○2余熱鍋爐生產(chǎn)的所有不同壓力的蒸汽全部通入汽輪機(jī)并轉(zhuǎn)換為電能后，再由汽輪機(jī)排出全部為0.007Mpa-38.66℃的汽水混合物，即余熱生產(chǎn)的蒸汽焓降按其不同的能級全部通過汽輪機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，也就是說這個(gè)系統(tǒng)完全遵守了3.3.1所述的基本原則。
    (3)采用復(fù)合閃蒸單級補(bǔ)汽系統(tǒng)時(shí)，發(fā)電能力介于前述兩種系統(tǒng)之間。其主要原因：○1預(yù)熱器廢氣余熱的回收利用與單壓不補(bǔ)汽系統(tǒng)相同，預(yù)熱器廢氣余熱未能得到充分的回收利用。○2由于采用單級閃蒸系統(tǒng)，即：冷卻機(jī)廢氣經(jīng)AQC爐生產(chǎn)主蒸汽后，再按鍋爐出口廢氣的經(jīng)濟(jì)溫度設(shè)置熱水段生產(chǎn)高溫?zé)崴?，生產(chǎn)出的大部分高溫?zé)崴鳛镾P爐及AQC爐蒸汽段的給水，剩余的高溫?zé)崴?jīng)閃蒸器蒸發(fā)出二次蒸汽，二次蒸汽補(bǔ)入汽輪機(jī)，閃蒸器的出水與汽機(jī)凝結(jié)水混合后再作為熱水段的給水。在這個(gè)過程中，由于閃蒸器的出水溫度為閃蒸器二次蒸汽壓力的飽和溫度，遠(yuǎn)高于汽輪機(jī)的排汽即凝結(jié)水溫度，也即相當(dāng)于：雖然冷卻機(jī)廢氣余熱得以全部回收，但由于閃蒸器的出水焓未能轉(zhuǎn)換為電能，同時(shí)，高溫?zé)崴诮祲洪W蒸過程中存在比較大的損失，從而降低了冷卻機(jī)廢氣余熱的發(fā)電能力。上述兩方面的原因，使其發(fā)電能力介于前述兩種系統(tǒng)之間，也就是說沒有完全遵守3.3.1所述的基本原則。
    對于這種熱力循環(huán)系統(tǒng)，即使采用多級（甚至無限級）閃蒸多級補(bǔ)汽系統(tǒng)，其發(fā)電能力也只能接近但絕不會(huì)超過采用多壓多級補(bǔ)汽的熱力循環(huán)系統(tǒng)。
    (4)對于同一種熱力循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)主蒸汽溫度相同時(shí)，主蒸汽壓力越高，其發(fā)電能力越低，這一點(diǎn)是不遵循熱力循環(huán)基本理論的。這主要是因?yàn)椋辉谒喔G可用于發(fā)電的廢氣余熱量及溫度已確定的條件下，主蒸汽壓力越高，鍋爐汽包蒸汽飽和溫度也就越高，相應(yīng)的鍋爐出口廢氣溫度也提高。在此情況下，將產(chǎn)生不能回收的可用于發(fā)電的低溫余熱量；或者雖然可以將不能回收的低溫余熱量回收并用于發(fā)電，但由于廢氣溫度的提高，加大了換熱溫差從而增加了損失，也就同樣降低了發(fā)電能力。根據(jù)熱力循環(huán)基本理論，雖然提高蒸汽壓力可以提高循環(huán)效率即增加發(fā)電能力，但由于回收的可用于發(fā)電的余熱量減少、或雖然未減少回收的余熱量但由于損失的增加而損失的發(fā)電能力大于蒸汽壓力提高而增加的發(fā)電能力，結(jié)果仍然是降低發(fā)電能力。
    (5)根據(jù)表3比較結(jié)果，對于相同的熱力循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)主蒸汽壓力也相同時(shí)，提高主蒸汽溫度也相應(yīng)地提高發(fā)電能力，即仍然遵循熱力循環(huán)基本理論。
    前述的三種熱力循環(huán)系統(tǒng)是基于目前國內(nèi)一般大型水泥窯可用于發(fā)電的余熱分布狀況（見表1）而提出，并非是固定的系統(tǒng)。當(dāng)余熱分布及余熱量發(fā)生變化時(shí)，比如：預(yù)熱器廢氣不用于原燃料烘干而允許將其溫度降至150℃以下、或者冷卻機(jī)廢氣余熱用于其它流程而可用于發(fā)電的余熱量大為減少（即可用于發(fā)電的余熱量預(yù)熱器大于冷卻機(jī)時(shí)），則有可能構(gòu)成雙壓或多壓不補(bǔ)汽或補(bǔ)汽式熱力循環(huán)系統(tǒng)或其它型式的熱力循環(huán)系統(tǒng)。為此在確定水泥窯純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)及循環(huán)參數(shù)時(shí)，應(yīng)注意余熱發(fā)電能力的變化不完全遵循熱力循環(huán)基本理論而應(yīng)在前述3.3.1所述的基本原則指導(dǎo)下綜合考慮：余熱量、余熱分布、預(yù)熱器及冷卻機(jī)廢氣余熱量之比例、蒸汽壓力、蒸汽溫度、不同溫度級別的余熱如何回收，同時(shí)回收后用于熱力循環(huán)系統(tǒng)中的哪一個(gè)環(huán)節(jié)等諸多因素。
3.4存在的主要問題
    對于上述幾個(gè)熱力循環(huán)系統(tǒng)及所需的設(shè)備，根據(jù)目前國內(nèi)實(shí)際運(yùn)行情況尚存在如下幾個(gè)主要問題：
3.4.1熱力循環(huán)系統(tǒng)問題
    對于復(fù)合閃蒸補(bǔ)汽系統(tǒng)及單壓不補(bǔ)汽系統(tǒng)，由于SP爐及AQC爐采用汽水串聯(lián)系統(tǒng)而兩臺余熱鍋爐又分別設(shè)置于窯頭和窯尾，這樣當(dāng)任一臺余熱鍋爐出現(xiàn)故障或預(yù)熱器、冷卻機(jī)廢氣參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，整套熱力系統(tǒng)及汽輪機(jī)的調(diào)整將比較復(fù)雜、困難或者將出現(xiàn)預(yù)熱器余熱鍋爐由冷水給水、冷卻機(jī)余熱鍋爐放水等情況。對于雙壓補(bǔ)汽系統(tǒng)，由于兩臺鍋爐汽水系統(tǒng)各自獨(dú)立，則不會(huì)出現(xiàn)前述兩種系統(tǒng)的問題。
3.4.2各余熱鍋爐進(jìn)出口廢氣參數(shù)選取的問題
    在水泥生產(chǎn)系統(tǒng)中由于串接了兩臺余熱鍋爐，這樣勢必對水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行和調(diào)整產(chǎn)生影響，為此需要慎重確定各余熱鍋爐的進(jìn)、出口廢氣參數(shù)，為不影響或少影響同時(shí)為水泥生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整創(chuàng)造條件。
3.4.3預(yù)熱器出口廢氣溫度的選取問題
    根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，水泥生產(chǎn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、安裝過程中，為了保護(hù)窯尾高溫風(fēng)機(jī)及減少增濕塔噴水量，窯尾預(yù)熱器塔架頂部的分離器及頂部分離器至高溫風(fēng)機(jī)（或增溫塔）入口的廢氣管道一般不按保溫或不按標(biāo)準(zhǔn)保溫設(shè)計(jì)、施工，同時(shí)也不十分注意其密封。因散熱及漏入冷風(fēng)，造成窯尾廢氣溫度降幅較大（一般可以達(dá)到10～30℃）。例如：現(xiàn)已投入運(yùn)行的多臺窯尾余熱鍋爐，在未采取措施前，當(dāng)預(yù)熱器出口廢氣溫度為330～350℃時(shí)，進(jìn)鍋爐的廢氣溫度僅有310～320℃，有的甚至僅為290～300℃。
    由于預(yù)熱器出口廢氣、SP爐入口廢氣溫度對純低溫余熱發(fā)電有致命的影響，為此需認(rèn)真研究如何選取預(yù)熱器出口廢氣溫度的設(shè)計(jì)值，同時(shí)應(yīng)提請水泥生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行管理部門采取相應(yīng)措施解決這一潛在的問題。
3.4.4預(yù)熱器余熱鍋爐漏風(fēng)問題
    窯尾SP余熱鍋爐爐內(nèi)廢氣壓力一般為－5000～－7000Pa，如此高的負(fù)壓，一旦鍋爐密封不好將使大量冷風(fēng)漏入爐內(nèi)混入窯尾廢氣，不但將使鍋爐產(chǎn)汽量或熱水溫度下降，重要的是將影響水泥窯的運(yùn)行、降低窯的熟料產(chǎn)量、增加窯尾高溫風(fēng)機(jī)的電耗，嚴(yán)重時(shí)水泥窯將不得不停窯或者將SP爐退出水泥窯而不能投運(yùn)。如果漏風(fēng)問題處理得當(dāng)，根據(jù)筆者對多臺SP爐的調(diào)試，SP爐投入運(yùn)行后，在保證水泥窯熟料產(chǎn)量不變的情況下，窯尾高溫風(fēng)機(jī)的能耗不但不增加反而略有降低。
3.4.5預(yù)熱器余熱鍋爐進(jìn)出口廢氣管道閥門設(shè)置問題
    窯尾SP爐廢氣進(jìn)口管道閥門的設(shè)置往往不能給予足夠重視，因閥門設(shè)置不當(dāng)造成閥門因積灰而打不開或關(guān)不上的問題產(chǎn)生，使其影響水泥窯及電站的正常生產(chǎn)運(yùn)行、調(diào)整和檢修。因此，如何設(shè)置窯尾SP爐廢氣進(jìn)口管道閥門也是需慎重考慮的問題之一。
3.4.6汽輪機(jī)組問題
    對于純低溫余熱發(fā)電，因廢氣溫度低、余熱量大，為了將余熱最大限度、經(jīng)濟(jì)合理的回收并轉(zhuǎn)換為電能，結(jié)合前述的有關(guān)情況，汽輪機(jī)組應(yīng)當(dāng)具備這樣一種能力：能夠?qū)⒍€(gè)甚至多個(gè)不同壓力等級的蒸汽同時(shí)通入汽輪機(jī)，如日本KHI為海螺寧國電站提供的汽輪機(jī)組。國內(nèi)自1996年開始研究、開發(fā)用于余熱發(fā)電的能夠同時(shí)通入兩個(gè)壓力等級蒸汽的汽輪機(jī)組，一般稱為補(bǔ)汽式汽輪機(jī)組。由于日產(chǎn)數(shù)千噸級的大型水泥窯最近幾年才得以迅速發(fā)展，幾年前這種機(jī)組的市場需求不足，在研究開發(fā)這種機(jī)組時(shí)各方面未給予足夠的重視，雖然已投產(chǎn)運(yùn)行了五臺補(bǔ)汽式汽輪機(jī)組（一臺為2.5MW，四臺為4.5MW），但都沒有達(dá)到預(yù)其目的，也即補(bǔ)汽不能正常、穩(wěn)定地投入運(yùn)行。
四、提高純低溫余熱發(fā)電能力的途徑
     綜合上述原則、分析結(jié)論和目前純低溫余熱發(fā)電所存在的主要問題，在不增加水泥熟料熱耗的條件下，提高水泥窯純低溫余熱發(fā)電能力的基本途徑：
     第一、利用水泥窯相對高溫的廢氣余熱通過蒸汽余熱鍋爐生產(chǎn)相對高壓、高溫的蒸汽，但應(yīng)以提高蒸汽溫度為原則。根據(jù)余熱鍋爐的經(jīng)濟(jì)性，主蒸汽溫度可以按低于鍋爐入口廢氣溫度10~15℃確定；主蒸汽壓力應(yīng)根據(jù)汽輪機(jī)允許的壓力盡量采用低壓。
     第二、利用生產(chǎn)相對高壓、高溫蒸汽后形成的相對低溫廢氣余熱，首先生產(chǎn)相對低壓、低溫蒸汽并按其壓力分別補(bǔ)入汽輪機(jī)所對應(yīng)的壓力級；生產(chǎn)相對低壓、低溫蒸汽后形成的更低溫度的廢氣再用于加熱各蒸汽鍋爐的給水。
     第三、利用余熱直接生產(chǎn)蒸汽的方式采用多壓多級補(bǔ)汽式熱力循環(huán)系統(tǒng)以獲得最高循環(huán)效率。
     第四、在工程及設(shè)備設(shè)計(jì)中應(yīng)慎重處理如下幾個(gè)重要的具體問題
    (1)水泥窯預(yù)熱器及出口廢氣管道的保溫、密封問題，目的在于減少余熱量的損失，提高廢氣溫度。
    (2)預(yù)熱器余熱鍋爐本體密封問題，目的在于不影響水泥窯運(yùn)行及減少余熱量損失。
    (3)預(yù)熱器余熱鍋爐進(jìn)出口廢氣管道閥門的設(shè)置問題，目的同樣在于不影響水泥窯的運(yùn)行及減少余熱量損失，同時(shí)便于余熱鍋爐投入、解出或便于調(diào)整水泥生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行。
    (4)冷卻機(jī)廢氣余熱取熱方式的問題
    上述基本途徑，根據(jù)目前國內(nèi)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)制造現(xiàn)狀及水泥生產(chǎn)系統(tǒng)工藝設(shè)備情況，需要重點(diǎn)研究解決的重要問題：一是補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造問題（目前只有日本KHI提供的補(bǔ)汽式汽輪機(jī)能夠正常補(bǔ)汽運(yùn)行，國產(chǎn)的補(bǔ)汽式機(jī)組尚不能正常補(bǔ)汽運(yùn)行）；二是如何提高水泥窯廢氣溫度從而提高主蒸汽參數(shù)的問題。
對于補(bǔ)汽式汽輪機(jī)，如果不能解決國產(chǎn)化問題，那么只能采用單壓或雙壓不補(bǔ)汽熱力循環(huán)系統(tǒng)，也就是發(fā)電能力最低的系統(tǒng)。
    對于如何提高水泥窯廢氣溫度從而提高主蒸汽參數(shù)的問題，按目前水泥生產(chǎn)工藝及設(shè)備情況也有兩個(gè)方面；
    其一、不改變水泥工藝及設(shè)備的最直接、有效、簡單的是考慮調(diào)整冷卻機(jī)廢氣取熱方式。目前國內(nèi)外所有的純低溫余熱電站幾乎都是采用圖5所示的常規(guī)方式。
        
                  圖5  冷卻機(jī)廢氣取熱方式
    分析冷卻機(jī)冷卻熟料的原理和過程及冷卻機(jī)內(nèi)熟料溫度分布、入水泥窯及分解爐熱風(fēng)的狀態(tài)，筆者經(jīng)與冷卻機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)制造單位聯(lián)合研究，在不影響水泥窯生產(chǎn)運(yùn)行及熱耗的條件下，提出了進(jìn)一步改變冷卻機(jī)廢氣取熱方式的方案。這個(gè)方案完全遵守3.3.1所述的原則，中心思想是如何進(jìn)一步提高冷卻機(jī)廢氣溫度從而提高主蒸汽壓力和溫度。按照這個(gè)方案，主蒸汽參數(shù)可以采用更高的壓力和溫度，對于各種型式的熱力循環(huán)系統(tǒng)其發(fā)電能力均將比目前已采用的熱力循環(huán)系統(tǒng)提高10%~40%。例如對于5000t/d水泥窯，當(dāng)冷卻機(jī)取熱方式采用如圖5的常規(guī)方式、熱力循環(huán)系統(tǒng)采用如圖4的單壓不補(bǔ)汽系統(tǒng)、主蒸汽參數(shù)0.98Mpa-305℃時(shí)，發(fā)電能力為5760kw；當(dāng)冷卻機(jī)取熱方式采用筆者提出的新的方案、熱力系統(tǒng)仍采用單壓不補(bǔ)汽系統(tǒng)時(shí)，主蒸汽參數(shù)將得以大幅度提高，發(fā)電能力可以達(dá)到6386kw，比如圖5的常規(guī)取熱方式提高10.86%。
    其二、對于提高窯尾預(yù)熱器廢氣溫度，除了需要認(rèn)真解決3.4.3所述問題外，調(diào)整預(yù)熱器級數(shù)也是有效措施之一，但由于涉及改變預(yù)熱器設(shè)備及需要準(zhǔn)確論證改變預(yù)熱器級數(shù)（三級、四級或五級、六級）后，水泥生產(chǎn)及余熱電站的綜合能耗（熱耗加電網(wǎng)購電電耗）變化問題，故本文暫不討論。
進(jìn)一步改變冷卻機(jī)取熱方式的具體方案及形成的熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)、發(fā)電能力，筆者將專文闡述。
五、結(jié)語
    本文對我國目前新型干法水泥窯余熱分布及水泥窯純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析、比較和研究，根據(jù)筆者多年從事水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行管理和從事水泥窯熱工設(shè)計(jì)、平衡分析工作所積累的經(jīng)驗(yàn)，提出了目前水泥窯純低溫余熱發(fā)電所采用的幾種熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及相關(guān)設(shè)備所存在的主要問題。目的是為找出提高純低溫余熱發(fā)電能力的途徑及措施提供理論依據(jù)。由于筆者水平所限，文中所提觀點(diǎn)及所提出的提高純低溫余熱發(fā)電能力的幾個(gè)基本途徑難免有不當(dāng)之處，敬請大家諒解。

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