江西水泥廠低溫余熱發(fā)電工程設計方案（1）

1 前言
　　水泥窯余熱發(fā)電大致經(jīng)歷了中空窯高溫余熱發(fā)電、預熱器及預分解窯帶補燃爐中低溫余熱發(fā)電、預熱器及預分解窯低溫余熱發(fā)電三個發(fā)展階段。日本于1919年首次將余熱發(fā)電技術引入水泥工業(yè),我國在20世紀20~30年代由于電力緊張，建設了一批干法中空窯余熱發(fā)電水泥廠（如啟新、大連等）。以后，由于我國的電力短缺，中空窯余熱發(fā)電有了較大發(fā)展。70年代末至80年代，在對原有中空余熱發(fā)電窯進行技術改造的同時，又新建了一批類似生產(chǎn)線。直到90年代初，預分解窯帶補燃爐余熱發(fā)電技術在我國開始應用（如魯南、琉璃河等）。上述技術的發(fā)展均以提高發(fā)電量，緩解電力供應不足為主要目的，為我國水泥工業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻。
　　隨著人們節(jié)能和環(huán)保意識的提高，世界上單純以余熱利用為目的的預熱器及預分解窯低溫余熱發(fā)電在80年代初有了較大發(fā)展，特別是日本、我國臺灣等能源短缺地區(qū)，低溫余熱發(fā)電已被廣泛應用。日本川崎重工為我國寧國水泥廠4000t/d生產(chǎn)線提供了一套低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，于1998年2月并網(wǎng)發(fā)電，單位熟料發(fā)電量達33.88kWh/t。使水泥生產(chǎn)中大量中、低溫煙氣余熱得到充分回收，經(jīng)濟效益顯著。作為這一技術國產(chǎn)化的工業(yè)性試驗項目，江西水泥廠#3窯低溫余熱發(fā)電工程于1998年1月開工，1999年4月底開始并網(wǎng)發(fā)電。決算總投資2088萬元，設計單位熟料發(fā)電量33.6kWh。本文就該廠低溫余熱發(fā)電工程的設計作一介紹。

2 原工藝條件及整改措施
　　江西水泥廠#3窯始建于1984年4月，1986年11月建成投產(chǎn)，是我國第一條自行設計制造的采用RSP窯外分解工藝的2000t/d新型干法生產(chǎn)線，也是國家“六·五”重點攻關項目之一。由于是第一條大型國產(chǎn)化生產(chǎn)線，設計時缺少經(jīng)驗，系統(tǒng)存在問題較多，后經(jīng)多次技術改造以及廠方努力，現(xiàn)生產(chǎn)情況顯著改善，熟料產(chǎn)量達到2000t/d設計水平，熟料月產(chǎn)量超過5萬噸。但因投產(chǎn)時間較長，加之設計、制造、安裝等方面的不足，該生產(chǎn)線部分設備不盡合理，多處熱力風管銹蝕嚴重，系統(tǒng)漏風偏大，熱耗偏高。為保證余熱發(fā)電工程能達到預期效果，我院于1998年2月對系統(tǒng)有關部分進行了測試，在此基礎上對#3窯系統(tǒng)提出了如下整改意見：
　?、?調整篦冷機操作風量，適當減少篦冷機熱端冷卻風機供風,增加冷端冷卻風量，使總的冷卻風量有所下降，以提高篦冷機運行效率。同時由于總的冷卻風量減少，可望篦冷機廢氣溫度有所提高。
　?、?針對窯頭、窯尾密封及三次風管漏風嚴重的問題，采取措施以提高系統(tǒng)對篦冷機熱風利用率，降低系統(tǒng)熱耗。
　?、?更換部分熱煙氣風管，恢復篦冷機電除塵排灰鎖風閥等，以減少系統(tǒng)漏風。
　?、?為在余熱發(fā)電投入使用后保證生料磨仍有足夠的烘干能力，增加粗粉倉、細粉倉入磨端鎖風裝置，使熱風使用量超過75%。

3 低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)設計方案
3.1 需考慮的問題
　　低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的窯尾余熱鍋爐（SP爐）和篦冷機余熱鍋爐（AQC爐）串聯(lián)于熟料生產(chǎn)線上，兩鍋爐阻力均小于1000Pa。設計時，必須考慮下列問題：
(1) 窯尾主排風機和窯頭、窯尾電除塵器及其風機的能力是否適應增設窯尾余熱鍋爐和篦冷機余熱鍋爐的條件；
(2) 原料磨的熱風系統(tǒng)能否滿足工藝要求；
(3) 該兩臺鍋爐系統(tǒng)的安裝是否不破壞原生產(chǎn)廠房。
經(jīng)對窯系統(tǒng)設計資料認真復核，確認增設兩臺鍋爐系統(tǒng)后所涉及的上述設備能力可以滿足要求，不須作任何改造；兩臺鍋爐系統(tǒng)的布置可以不破壞原生產(chǎn)廠房；出窯尾鍋爐廢氣被送至生料原系統(tǒng)作為烘干熱源，經(jīng)核算,只要控制出窯尾鍋爐廢氣溫度≥240℃～℃260就可滿足入磨原料綜合水份≤5%的烘干要求。窯系統(tǒng)排風機性能見表1。
　　表1 窯系統(tǒng)排風機性能
　　　額定風量/（m3h-1）額定風壓/Pa裝機功率/kW³工作溫度/℃
窯尾主排風機：
　　　　　474840 　　　　　7848 　　　　1600　　　　350 
窯頭余風風機：
　　　　　　324000　　　　　　　　　　　 3158　　　　 475 

3.2熱力系統(tǒng)設計方案及特點
圖1 江西廠#3窯熱力系統(tǒng)流程

　　熱力系統(tǒng)工藝流程見圖1。汽輪機冷凝器中的凝結水通過水泵和來自軟化水車間的補充水一起進入除氧器進行化學除氧，由鍋爐給水泵分兩路送入篦冷機鍋爐省煤器管束。經(jīng)省煤器加熱后，給水由40℃升至186℃,成為飽和水，然后分別被送入窯頭分離汽包和窯尾分離汽包。窯尾余熱鍋爐和篦冷機余熱鍋爐均設有蒸發(fā)器，各自分離汽包的飽和水經(jīng)熱水循環(huán)泵分別被送至相應的蒸發(fā)器加熱，轉化為汽水混合物后再送回各自的分離汽包進行汽水分離。分離后的蒸汽在窯尾鍋爐分離汽包內匯合后進入窯尾鍋爐過熱器繼續(xù)加熱成為305℃，1.05Mpa的過熱蒸汽，再送至氣輪機作功發(fā)電。篦冷機鍋爐蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力為產(chǎn)飽和汽4.1t/h，過熱蒸汽19.05t/h。
經(jīng)熱交換后，篦冷機廢氣由270℃降為140℃，經(jīng)窯頭電收塵凈化后排空。窯尾煙氣由400℃左右降至260℃，送至生料磨作為原料烘干熱源。
　　針對江西廠廢氣熱焓情況、原料烘干要求、含塵量及粉塵特性采取了如下措施：
(1) 兩臺鍋爐采用了一個共用的汽水回路系統(tǒng)，將兩臺鍋爐的省煤器布置在窯頭鍋爐內，以充分利用篦冷機低溫廢氣熱源；將蒸汽過熱器布置在窯尾鍋爐內，以使過熱蒸汽達到設定的溫度，提高發(fā)電效率。
(2) 針對篦冷機廢氣所含熟料粉塵粒徑較大、磨蝕性強的特點，為防止篦冷機鍋爐換熱器過早磨損，在鍋爐前設置兩臺并聯(lián)旋風收塵器作為預除塵裝置，除塵效率設計在75%左右。
(3) 為防止因集灰而影響鍋爐的換熱效率，篦冷機鍋爐和窯尾鍋爐均設置機械振打和超聲波兩套除灰裝置，兩臺鍋爐底部均設置了專門的排灰系統(tǒng)。
(4) 為避免臥式鍋爐漏風嚴重和流場分布不均的隱患，兩臺鍋爐均采用立式鍋爐。
(5) 采用化學除氧，其原理是利用氧具有活潑的化學性質，它能與很多的非金屬和金屬直接化合形成穩(wěn)定的氧化物，使水中的溶解氧在進入鍋爐以前轉變成化合物，達到常溫除氧的目的。較之熱力除氧可大量減少系統(tǒng)蒸汽消耗，且除氧效果好,運行成本很低。
(6) 采用低參數(shù)單壓凝汽式汽輪機,系統(tǒng)簡單可靠,比較適應水泥窯工況波動大,頻繁停窯的場合。
3.3 主要設備配置
　　該系統(tǒng)均采用國產(chǎn)設備, 汽輪機型號為N3-11，3000kW，5600RPM，進汽1.1MPa、305℃，排汽背壓0.008MPa，發(fā)電機型號QF-3-2，3000kW、6300V。篦冷機鍋爐和窯尾鍋爐為針對該系統(tǒng)新開發(fā)設備，分別介紹如下：
　　(1) 篦冷機余熱鍋爐。篦冷機余熱鍋爐本體自上而下由省煤器和蒸發(fā)器組成，受熱面管束均采用Ф45×3.5mm 的#20無縫鋼管制成的蟹爪形針管，針管的肋化系數(shù)為5.19，大大提高了受熱面的換熱效果。同時蟹爪形針管有較強的自清灰功能，可有效地減緩受熱面的磨損。受熱面管束均采用逆流布置，即廢氣與工質反向流動，煙氣經(jīng)旋風收塵器除塵后，自下而上橫向沖刷管束。省煤氣受熱面分為大小兩組，大的一組為窯尾鍋爐省煤器，小的一組為窯頭鍋爐自身省煤器。蒸發(fā)器采用強制循環(huán)，循環(huán)倍率為8。
在鍋爐本體上下煙罩部位共安裝了兩臺美國BHA公司制造的ModelAH-25A型聲波除塵器，聲波除塵器的啟停程序由余熱發(fā)電系統(tǒng)計算機控制，運行中根據(jù)需要靈活調整控制程序。
　　(2) 窯尾余熱鍋爐。窯尾余熱鍋爐本體自上而下由過熱器和三級蒸發(fā)器組成，過熱器和三級蒸發(fā)器受熱面均由采用Ф38mm×4mm的#20鍋爐鋼管，由水平前后方向彎制成的上下蛇形管束組成，逆流布置型式。蒸發(fā)器采用強制循環(huán)，循環(huán)倍率為6。
解決好煙氣粉塵對受熱面的沖刷磨損以及集灰對換熱效果的影響，是水泥窯余熱鍋爐設計的關鍵。在窯尾鍋爐煙氣入口截面上,管束和彎頭等受氣流沖刷嚴重的位置均設置防磨罩。為保證受熱面的清潔，在鍋爐本體內有4臺BHA聲波除塵器對稱分布于鍋爐本體，在左右爐墻各布置70個機械振打點，由14臺調速電機驅動。
　　(3) 系統(tǒng)控制。整個余熱發(fā)電系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)，為此新設一余熱發(fā)電中央控制室?，F(xiàn)場一次儀表檢測的各種工藝參數(shù)經(jīng)變送器送至中控室，由計算機處理、控制和顯示。計算機設有完善的流程控制畫面和報警系統(tǒng)等，主要有汽包水位控制、熱井水位控制、前壓調節(jié)控制、主蒸汽溫度控制等五條PID調節(jié)回路和各種保護控制（如汽機超速、潤滑油壓力、軸溫等）。PLC可編程控制器采用美國Modicom公司生產(chǎn)的Quantum系列產(chǎn)品，負責系統(tǒng)啟停、參數(shù)檢測、調節(jié)回路等,并且有實時趨勢和歷史趨勢顯示及打印功能。該系統(tǒng)可和窯中控制通信、交換顯示參數(shù)以協(xié)調窯系統(tǒng)和余熱發(fā)電系統(tǒng)的操作，如鍋爐進口及旁路煙氣風門開度、窯尾高溫風機電流等。因屬首次工業(yè)性試驗項目，為確保運行安全，系統(tǒng)中設置了一些必要的手操功能，對重要參數(shù)也可進行儀表控制。