水泥工業(yè)純低溫余熱電站的技術(shù)與裝備

1．前言

隨著我國人口的不斷增加和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，資源相對(duì)不足的矛盾將日益突出，合理的利用和節(jié)約現(xiàn)有的寶貴資源將是我國今后如何確保經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。節(jié)約資源、改善環(huán)境狀況、提高經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展將是我國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略方針。

社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的建立和不斷完善，使我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)日益蓬勃且快速健康的向前發(fā)展。在此帶動(dòng)之下，我國的水泥產(chǎn)量己雄居世界第一，水泥工業(yè)的建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，“上大改小、結(jié)構(gòu)調(diào)整”戰(zhàn)略的實(shí)施，更使得我國水泥工業(yè)的建設(shè)規(guī)模由1000t／d、2000t／d快速發(fā)展到5000t／d、10000t／d，水泥熟料的熱耗也由4000kJ/kg左右降低到2700～3300kJ/kg。但水泥工業(yè)是一個(gè)傳統(tǒng)的高能耗行業(yè)，就目前國內(nèi)最先進(jìn)的水泥生產(chǎn)工藝，仍然有大量的350℃以下的低溫余熱不能被完全利用，其浪費(fèi)的熱量約占系統(tǒng)總熱量的30％左右。因此，回收水泥生產(chǎn)工藝過程中的低溫余熱，用來供熱或發(fā)電，具有非?，F(xiàn)實(shí)的節(jié)能和環(huán)保意義,符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針。

2．低溫余熱和資源綜合利用電站的技術(shù)和裝備

水泥的生產(chǎn)，需要消耗大量?jī)?yōu)質(zhì)的自然礦產(chǎn)資源，還需摻雜一定量的混合材，在同時(shí)消耗大量煤炭和電力等優(yōu)質(zhì)能源的時(shí)候，也伴有大量被排放而浪費(fèi)掉的低溫余熱資源。

一段時(shí)間以來，受電力供應(yīng)緊張和電價(jià)居高不下的制約，許多地方的水泥生產(chǎn)單位面臨運(yùn)轉(zhuǎn)率不足和經(jīng)濟(jì)效益下滑的困難局面。因此，在國家資源綜合利用產(chǎn)業(yè)政策的鼓勵(lì)下，同時(shí)結(jié)合天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院成熟的資源綜合利用技術(shù)及國內(nèi)成熟的電站設(shè)備，多家水泥生產(chǎn)單位建設(shè)了能夠充分利用水泥生產(chǎn)線排放的低溫余熱，再加上適當(dāng)?shù)难a(bǔ)燃，燃用熱值小于12550kJ／kg的劣質(zhì)燃料的資源綜合利用電站。

這樣的電站建成后，水泥生產(chǎn)線排放掉的低溫余熱可基本被回收和利用，在補(bǔ)燃量一定的條件下，電站單位發(fā)電量的煤耗和單位發(fā)電量的成本得到了大幅度的降低；循環(huán)流化床補(bǔ)燃鍋爐還可以有效的利用當(dāng)?shù)氐拿喉肥攘淤|(zhì)煤資源，所產(chǎn)生的灰、渣又可全部回用于水泥 生產(chǎn)，做到零排放；電站生產(chǎn)的電力可直接供給水泥生產(chǎn)使用，并減少了輸配電系統(tǒng)的有功損耗。

由此可見，這類電站的建設(shè)投產(chǎn)，可有效的緩解水泥生產(chǎn)用電緊張的困難；在大幅度降低水泥生產(chǎn)成本的同時(shí)，也為國家節(jié)約了優(yōu)質(zhì)的能源，保護(hù)了環(huán)境，其經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益是十分顯著的，給高能耗的水泥企業(yè)帶來了諸多的利益和好處，也為我國的可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn) 略作出了貢獻(xiàn)。

因此，對(duì)于水泥生產(chǎn)企業(yè)而言，只要我們認(rèn)真貫徹和堅(jiān)定不移的執(zhí)行國家資源綜合利用的產(chǎn)業(yè)政策，切實(shí)落實(shí)好劣質(zhì)燃料的來源和供應(yīng)渠道，符合當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門提出的排放要求，建立一整套內(nèi)部有效的鼓勵(lì)余熱回收和利用的激勵(lì)機(jī)制，理順與當(dāng)?shù)仉娏Σ块T的管理和利益 分配關(guān)系，筆者認(rèn)為，有成熟的技術(shù)和裝備為后盾，這種既有利于企業(yè)，也有利于國家的補(bǔ)燃型的資源綜合利用電站，一定會(huì)有持久的推廣和應(yīng)用前景。

3．純低溫余熱電站的技術(shù)及裝備

相對(duì)于補(bǔ)燃型的資源綜合利用電站而言，利用水泥窯純低溫余熱所建設(shè)的余熱電站不配置任何的燃燒設(shè)備，所以也不增加任何的煙氣、粉塵和廢渣的排放點(diǎn)，因此，具有更好的節(jié)能和環(huán)保效果。

由于窯頭和窯尾的廢氣溫度較低，采用純低溫余熱進(jìn)行發(fā)電，對(duì)裝備和系統(tǒng)技術(shù)的要求較高。國外對(duì)于利用水泥窯低溫余熱進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)及裝備的研究與開發(fā)從上世紀(jì)六十年代即已開始，到七十年代中期，無論是熱力系統(tǒng)還是設(shè)備都已進(jìn)入應(yīng)用階段。據(jù)我們所知，技術(shù)較為成熟的有日本的川崎公司，他們開發(fā)研制的余熱鍋爐及中、低品位的混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)，經(jīng)數(shù)十個(gè)工廠多年運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)踐證明，技術(shù)成熟可靠并具有很大的靈活性。寧國水泥廠純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)就是引進(jìn)日本的技術(shù)和主要裝備的應(yīng)用工程。

為了實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備，在充分學(xué)習(xí)、消化和借鑒寧國水泥廠純低溫余熱發(fā)電的系統(tǒng)技術(shù)和混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)的性能參數(shù)后，以天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院為主，會(huì)同國內(nèi)的汽輪機(jī)生產(chǎn)制造單位于1997年首先開始了適合于水泥廠低溫余熱發(fā)電專用設(shè)備——混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)的研究和開發(fā)。

經(jīng)過近兩年的共同努力，終于研制并生產(chǎn)制造出了首臺(tái)4500kW的補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的樣機(jī)，并推廣應(yīng)用于杭州錢潮建材有限公司4500kW的補(bǔ)燃式資源綜合利用電站。該電站于1999年成功并網(wǎng)發(fā)電，并通過了相應(yīng)的生產(chǎn)運(yùn)行考核，投入正常運(yùn)行以來的結(jié)果證明，混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)的研究和開發(fā)取得了成功。其結(jié)構(gòu)方式及參數(shù)配置填補(bǔ)了國內(nèi)汽輪機(jī)制造行業(yè)的空白。它的研制成功，為實(shí)現(xiàn)我國水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電的系統(tǒng)技術(shù)和裝備的完全國產(chǎn)化，并在國內(nèi)水泥工業(yè)推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)之上，天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院根據(jù)已經(jīng)完成設(shè)計(jì)并正常投運(yùn)的寧國水泥廠純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)、配合日本川崎公司進(jìn)行的柳州水泥廠純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的體會(huì)、以及天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院已經(jīng)成熟的帶補(bǔ)燃鍋爐的余熱發(fā)電技術(shù)，對(duì)純低溫余熱發(fā)電的系統(tǒng)技術(shù)和裝備進(jìn)行了認(rèn)真細(xì)致的研究，形成了完全國產(chǎn)化的利用窯頭、窯尾的純低溫廢氣余熱進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)思路和實(shí)施方案。

2002年5月，天津院與上海萬安企業(yè)總公司達(dá)成了共識(shí)，對(duì)該公司日產(chǎn)1350噸的四級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器窯實(shí)施了純低溫廢氣余熱發(fā)電的技術(shù)改造。工程于2002年9月正式動(dòng)工，2003年5月建成投產(chǎn)，余熱電站裝機(jī)容量2.5MW，實(shí)際平均發(fā)電能力l800kW，全部采用國產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)。經(jīng)過近一年的生產(chǎn)運(yùn)行，主要設(shè)備和整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2003年5月，天津院承擔(dān)了廣西柳州水泥廠日產(chǎn)3200噸的四級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器窯純低溫廢氣余熱發(fā)電的工程設(shè)計(jì)任務(wù)。工程于2003年9月正式動(dòng)工，2004年7月建成投產(chǎn)，余熱電站裝機(jī)容量6000kW，實(shí)際平均發(fā)電能力5500kW，目前主要設(shè)備和整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

至此，以海螺集團(tuán)寧國水泥廠4000t/d預(yù)分解窯配套建設(shè)的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)、柳州水泥廠3600t/d預(yù)分解窯配套建設(shè)的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)、上海金山水泥廠1350t/d預(yù)分解窯配套建設(shè)的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，將形成國內(nèi)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的示范工程。

3．1純低溫余熱電站的系統(tǒng)配置

由于受水泥生產(chǎn)工藝流程、原料特性、主機(jī)設(shè)備、氣候條件等諸多因素的制約，相同規(guī)模的水泥生產(chǎn)線，其余熱品位和余熱量不盡相同，因此，盡管針對(duì)純低溫余熱進(jìn)行回收并進(jìn)行發(fā)電的理論技術(shù)基本一致，但純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模和配置、設(shè)備性能和特性則不完 全相同。

3．1．1國外引進(jìn)的純低溫余熱電站的系統(tǒng)配置

1995年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)贈(zèng)送給海螺集團(tuán)寧國水泥廠一套純低溫余熱發(fā)電設(shè)備。

寧國水泥廠的水泥生產(chǎn)線為一條4000t／d級(jí)的具有四級(jí)預(yù)熱器的預(yù)分解窯。預(yù)熱器和冷卻機(jī)的出口廢氣流量和溫度分別為258550Nm3/h、370℃左右和306600 Nm3/h、238℃左右。 針對(duì)該條生產(chǎn)線低溫余熱資源的特點(diǎn)，該電站的系統(tǒng)配置及主機(jī)設(shè)備構(gòu)成如下：

①采用二級(jí)混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)，額定功率為6480kW。利用參數(shù)較低的主蒸汽和來自閃蒸器的飽和蒸汽進(jìn)行發(fā)電；

②設(shè)置具有專利技術(shù)的余熱鍋爐，能夠充分回收利用余熱資源：由于PH(預(yù)熱器)出口廢氣還要用于原料烘干，所以PH鍋爐采用臥式布置，強(qiáng)制循環(huán)，帶汽包的主要結(jié)構(gòu)；設(shè)置機(jī)械振打裝置來解決廢氣的粉塵附著問題。無省煤器，只設(shè)蒸發(fā)器和過熱器，從而確保出爐煙溫達(dá)到250℃以上，以滿足原料烘干；AQC鍋爐為立式自然循環(huán)鍋爐，帶汽包，采用自然沉降的除塵方式。

③應(yīng)用熱水閃蒸技術(shù)，設(shè)置一臺(tái)高壓閃蒸器和一臺(tái)低壓閃蒸器，閃蒸出的飽和蒸汽混入汽輪機(jī)做功；

④對(duì)窯頭熟料冷卻機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造，在冷卻機(jī)原有的余風(fēng)出口加裝閥門，從冷卻機(jī)中部抽取360℃左右的廢氣。

⑤整個(gè)余熱發(fā)電系統(tǒng)采用先進(jìn)的DCS集散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)便可靠，并設(shè)有完善的報(bào)警和保護(hù)程序，使整個(gè)發(fā)電工藝系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

上述技術(shù)及關(guān)鍵裝備的配置，加上天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院成功的工程設(shè)計(jì)和服務(wù)，以及寧國水泥廠科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膬?nèi)部管理機(jī)制，自1997年投入正常生產(chǎn)運(yùn)行以來的業(yè)績(jī)表明，以上技術(shù)及裝備在寧國水泥廠余熱發(fā)電系統(tǒng)取得了成功的應(yīng)用。

3．1．2國產(chǎn)的純低溫余熱電站的系統(tǒng)配置

上海萬安企業(yè)總公司的水泥生產(chǎn)線為一條1350t／d的四級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器窯。預(yù)熱器和冷卻機(jī)的出口廢氣流量和溫度分別為95000 Nm3/h，360~390℃和94000 Nm3/h、240℃左右。

針對(duì)該條生產(chǎn)線的低溫余熱資源、天津院的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)和國產(chǎn)設(shè)備的特點(diǎn)，該電站的系統(tǒng)配置及主機(jī)設(shè)備構(gòu)成如下：

①汽輪機(jī)為補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)，設(shè)計(jì)能力2.5MW。利用窯尾余熱鍋爐和窯頭余熱鍋爐產(chǎn)生的低參數(shù)主蒸汽和窯頭余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和輔助蒸汽進(jìn)行發(fā)電。這種系統(tǒng)的配置，在完全和充分回收利用窯頭廢氣中余熱的同時(shí)，簡(jiǎn)化了熱力系統(tǒng)的配置。經(jīng)過近一年的生產(chǎn)運(yùn)行，主要設(shè)備和整個(gè)系統(tǒng)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常；

②SP余熱鍋爐的設(shè)計(jì)有獨(dú)特之處：立式布置、機(jī)械振打、自然循環(huán)。整個(gè)鍋爐的振打形式為連續(xù)式，清灰較為均勻，同時(shí)設(shè)計(jì)有合理的灰斗，避免了因清灰原因造成廢氣中含塵濃度突然增大而引起風(fēng)機(jī)跳停，影響水泥生產(chǎn)。該鍋爐最具特點(diǎn)的地方是采用自然循環(huán)方式， 省掉了二臺(tái)強(qiáng)制循環(huán)熱水泵，降低了運(yùn)行成本，提高了系統(tǒng)可靠性。立式的結(jié)構(gòu)形式，在節(jié)約了占地面積的同時(shí)，也方便了廢氣管道的布置；

③AQC余熱鍋爐為立式、自然循環(huán)。由于冷卻機(jī)廢氣中粉塵粘附性不強(qiáng)，所以不設(shè)置清灰裝置。同時(shí)換熱管采用螺旋翅片管，大大增加了換熱面積，使得鍋爐體積大幅下降，降低了投資成本。同時(shí)，在AQC余熱鍋爐前端設(shè)置了高效沉降室，大大減輕了廢氣對(duì)AQC余熱鍋爐的磨損；

④對(duì)蓖冷機(jī)進(jìn)行適當(dāng)改造，在中部設(shè)置抽風(fēng)口，作為AQC余熱鍋爐的取風(fēng)口，通過對(duì)冷卻機(jī)原抽風(fēng)口的風(fēng)門調(diào)節(jié)，保證中部抽風(fēng)口的廢氣溫度達(dá)到350℃以上。改造后實(shí)際廢氣參數(shù)為40000 Nm3/h、350~400℃：

⑤整個(gè)余熱發(fā)電系統(tǒng)采用天津院自主開發(fā)的先進(jìn)的DCS集散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)便可靠，并設(shè)有完善的顯示、記錄、報(bào)警和保護(hù)程序，使整個(gè)發(fā)電工藝系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行；

⑥兩臺(tái)余熱鍋爐的廢氣側(cè)都設(shè)計(jì)有旁路系統(tǒng)，當(dāng)余熱鍋爐停用時(shí)水泥生產(chǎn)系統(tǒng)可正常運(yùn)行：

⑦根據(jù)該系統(tǒng)蒸氣溫度和壓力較低的情況，采用了最新的真空除氧方式，系統(tǒng)運(yùn)行成本較低；

該工程于2003年5月建成投產(chǎn)以來，經(jīng)過近一年的生產(chǎn)運(yùn)行，主要設(shè)備和系統(tǒng)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常，電站平均發(fā)電能力1800kW，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該工程的建成和順利投運(yùn)，表明全部采用國產(chǎn)設(shè)備和天津院自主擁有的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的余熱發(fā)電系統(tǒng)取得了完全的成功。

3．2純低溫余熱電站的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

由于受窯型的不同、工藝流程的不同、水泥生產(chǎn)配料成分的不同、水泥生產(chǎn)原燃料水分的不同、水泥工廠地理位置的不同等諸多因素的影響和制約，很難給出每一種窯型精確的低溫余熱電站的裝機(jī)規(guī)模、投資等各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，可供參考的、比較重要的單位經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)見下表：

名稱		國產(chǎn)技術(shù)和裝備	國外技術(shù)和裝備
主機(jī)設(shè)備	窯頭余熱鍋爐	一套（立式，自然循環(huán)）	一套（立式，自然循環(huán)）
	窯尾余熱鍋爐	一套（立式，自然循環(huán)）	一套（臥式，強(qiáng)制循環(huán)）
	汽輪機(jī)	補(bǔ)汽式汽輪機(jī)一套	混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)一套
	發(fā)電機(jī)	空冷式發(fā)電機(jī)一套	空冷式發(fā)電機(jī)一套
	水處理設(shè)備	一套	一套
	循環(huán)冷卻設(shè)備	一套	一套
	DCS控制設(shè)備	一套	一套
噸熟料發(fā)電量		26~36kWh	28~36 kWh
自用電率（%）		<9	<9
年運(yùn)行時(shí)間（小時(shí)）		7500	7500
供電成本（元/ kWh）		約0.15	約0.2
單位千瓦投資（元）		約7000	約16000
勞動(dòng)定員（人）		16	16

4結(jié)論

完全利用水泥生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢氣余熱作為熱源的純低溫余熱發(fā)電工程，整個(gè)熱力系統(tǒng)不燃燒任何一次能源，在回收大量對(duì)空排放造成環(huán)境熱污染的廢氣余熱的同時(shí)，所建余熱發(fā)電工程不對(duì)環(huán)境造成任何污染，這對(duì)于減少二氧化碳的排放量，減少溫室效應(yīng)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境起著積極的作用。

根據(jù)目前我國新型干法水泥生產(chǎn)線的工藝流程和廢氣參數(shù)，利用天津院的純低溫余熱 發(fā)電的技術(shù)，采用國產(chǎn)的裝備，具有噸熟料26~36kWh的發(fā)電能力。按照我國目前市場(chǎng)購電價(jià)0.50元/ kWh估算，扣除余熱電站供電成本約0.15元／kWh，噸熟料成本可下降約10~12元。由此可見，純低溫余熱發(fā)電工程的實(shí)施，還可有效地降低企業(yè)的水泥生產(chǎn)成本、提高企業(yè)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為企業(yè)產(chǎn)生良好的效益。

目前，我國電力供應(yīng)相對(duì)緊張，有關(guān)專家預(yù)測(cè)，電力緊張局面至少要3~4年才可緩解。因此，國家鼓勵(lì)利用工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱、余壓建設(shè)余熱發(fā)電項(xiàng)目，以緩解電力供應(yīng)緊張的局面，減少企業(yè)的進(jìn)一步損失。

水泥窯純低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目由于能將廢氣中的熱能轉(zhuǎn)化為電能，可有效的減少水泥生產(chǎn)過程中的能源消耗，具有顯著的節(jié)能效果。同時(shí)，廢氣通過余熱鍋爐降低了排放的溫度，還可有效的減輕水泥生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的熱污染，具有顯著的環(huán)保效果。因此，這種具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的項(xiàng)目，必將具有很好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。