純低溫水泥窯余熱鍋爐的設(shè)計(jì)及運(yùn)行
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摘 要 新型干法水泥窯的廢氣溫度在400℃以下，為回收低溫廢氣的余熱，開發(fā)了純低溫水泥窯余熱鍋爐。文章概述了鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行情況，并展望了應(yīng)用前景。
本文討論的余熱鍋爐為發(fā)電用鍋爐，用于回收新型干法水泥窯窯頭篦式冷卻機(jī)（簡稱AQC）和窯尾預(yù)熱器（簡稱SP）排放的低溫廢氣余熱。首套機(jī)組安裝于上海萬安企業(yè)集團(tuán)，并于2003年5月成功并網(wǎng)發(fā)電。經(jīng)考核滿負(fù)荷平均發(fā)電功率為2058.9kW，其對(duì)應(yīng)的熟料產(chǎn)量約為1350噸/日。該發(fā)電系統(tǒng)由天津院總設(shè)計(jì)，其中余熱鍋爐主要結(jié)構(gòu)形式由業(yè)主和制造廠經(jīng)調(diào)研和廠內(nèi)試驗(yàn)后共同確定。產(chǎn)品調(diào)研過程中得到了多家水泥廠的指導(dǎo)，在此一并表示衷心感謝！
一、綜述
隨著水泥熟料煅燒技術(shù)的發(fā)展，水泥工業(yè)節(jié)能技術(shù)有了長足的進(jìn)步，高溫余熱已在水泥生產(chǎn)過程中被利用。而新型干法水泥生產(chǎn)線已使單位水泥熟料的熱耗大幅下降，其窯頭篦式冷卻機(jī)（簡稱AQC）和窯尾預(yù)熱器（簡稱SP）排放的廢氣溫度均低于400℃，如何回收其中的低溫余熱從而進(jìn)一步降低水泥生產(chǎn)能耗是我國新型干法水泥生產(chǎn)企業(yè)面臨的重大技術(shù)課題。
在日本水泥窯低溫余熱回收已應(yīng)用得相當(dāng)廣泛，這種技術(shù)是利用分別設(shè)置于窯頭篦式冷卻機(jī)的AQC余熱鍋爐和窯尾預(yù)熱器的SP余熱鍋爐來產(chǎn)生低壓過熱蒸汽供汽輪機(jī)組發(fā)電。一九九八年，由日本政府提供的一套先進(jìn)而成熟可靠的低溫余熱發(fā)電成套設(shè)備在寧國水泥廠投產(chǎn)發(fā)電。該套設(shè)備適配4000t/d水泥生產(chǎn)線，裝機(jī)容量為6480kw，設(shè)計(jì)年發(fā)電量為4087×104kwh，噸熟料發(fā)電能力為33.07kwh。已經(jīng)五年來運(yùn)行實(shí)績證明，該系統(tǒng)安全可靠，能為水泥生產(chǎn)企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。
雖然水泥業(yè)界都認(rèn)識(shí)到純低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目在技術(shù)上是可行的，效益是顯著的，但該項(xiàng)目在我國水泥行業(yè)的普及推廣止步于進(jìn)口設(shè)備的昂貴成本和國產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)障礙。對(duì)于國內(nèi)的設(shè)備制造廠而言，無須懷疑純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的可行性，我們所要進(jìn)行的是突破技術(shù)障礙，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
上述技術(shù)障礙，對(duì)于余熱鍋爐而言，最大的難點(diǎn)是如何應(yīng)對(duì)煙氣的低品位和高灰份。因?yàn)榈推肺灰馕吨薮蟮膿Q熱面積，只有降低受熱面成本才能提供高性價(jià)比的產(chǎn)品；而高灰份帶來的是粉塵附著造成傳熱性能降低，甚至惡性堵灰事故造成可靠性降低。其實(shí)，很早以前在其它工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，我們從西方先進(jìn)國家引進(jìn)的技術(shù)就已很好地解決了煙氣的低品位和高灰份難題。對(duì)于前者，我們的解決之道是采用低成本的擴(kuò)展受熱面，如在燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)（HRSG）項(xiàng)目中，我們采用鰭片管來提高換熱效率；而對(duì)于后者，我們的解決方法是采用機(jī)械振打清灰技術(shù)，如硫酸余熱鍋爐，有色冶金閃爍爐。我們愿意嘗試設(shè)計(jì)純低溫水泥窯余熱鍋爐是因?yàn)槲覀儗?duì)上述兩種技術(shù)有較為深刻的理解，業(yè)主上海萬安企業(yè)集團(tuán)對(duì)我們的信心也基于上述先進(jìn)技術(shù)。
我們與上海萬安企業(yè)集團(tuán)的合作確定于2002年3月，接著利用一個(gè)月的時(shí)間組織工程師進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)地調(diào)研，根據(jù)反饋的信息對(duì)方案進(jìn)行修改和完善，編寫必要的計(jì)算機(jī)軟件，確定工廠試驗(yàn)項(xiàng)目。完成了這些技術(shù)準(zhǔn)備工作后，我們用了三個(gè)月進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。產(chǎn)品試制進(jìn)程過半時(shí)，我們與用戶一起在工廠內(nèi)進(jìn)行了無風(fēng)狀態(tài)下機(jī)械振打清灰效果試驗(yàn)，獲得了滿意的效果，說明機(jī)械振打是解決堵灰的有效技術(shù)。接下來，鍋爐的制造和安裝是相當(dāng)順利的，2003年5月初進(jìn)行了SP鍋爐的調(diào)試，5月中旬整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)試車成功，順利并網(wǎng)發(fā)電。
二、系統(tǒng)簡介：
上海萬安企業(yè)集團(tuán)現(xiàn)有水泥生產(chǎn)線的容量為1050t/d，實(shí)際運(yùn)行為1350t/d，經(jīng)天津院估算窯頭廢氣及窯尾廢氣可利用的余熱量具有大約1800kW的發(fā)電能力。其發(fā)電工藝流程如下簡圖所示：
三、鍋爐規(guī)范及結(jié)構(gòu)簡述
根據(jù)天津院的系統(tǒng)布置要求而設(shè)計(jì)的鍋爐規(guī)范如下表：
|
項(xiàng)目名稱 |
單位 |
設(shè) 計(jì) 參 數(shù) | ||
|
SP鍋爐 |
AQC鍋爐 | |||
|
廢氣參數(shù) |
廢氣流量 |
Nm3/h |
95000 |
50000 |
|
進(jìn)口溫度 |
℃ |
390 |
350 | |
|
出口溫度 |
℃ |
228 |
90 | |
|
廢氣含塵量 |
Nm3/h |
100 |
30 | |
|
鍋爐參數(shù) |
型號(hào) |
|
QC95/ |
QC50/350-3(1)-1.6(0.25)/300(150) |
|
蒸發(fā)量 |
t/h |
9.3 |
3（1） | |
|
蒸汽出口壓力 |
MPa |
1.6 |
1.6（0.25） | |
|
蒸汽出口溫度 |
℃ |
300 |
300（150） | |
|
設(shè)備阻力 |
Pa |
753 |
594 | |
AQC鍋爐采用立式結(jié)構(gòu)，整個(gè)鍋爐分兩個(gè)壓力單元，1.6MPa為主汽段，0.25MPa為補(bǔ)汽段，省煤器出水分別供給SP鍋爐蒸發(fā)器和AQC鍋爐高、低壓蒸發(fā)器。鍋爐每段受熱面為管箱式結(jié)構(gòu)可整體出廠，其受熱面采用鰭片管。
四、運(yùn)行情況
鍋爐于5月中旬投入運(yùn)行，經(jīng)72小時(shí)連續(xù)運(yùn)行考核表明，機(jī)組連續(xù)運(yùn)行正常，無故障，無異常。機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)平均發(fā)電功率為2058.9kw，最高可達(dá)2500kw。至今機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行了近兩年，無堵灰漏風(fēng)現(xiàn)象?？梢猿醪秸J(rèn)定鍋爐總體設(shè)計(jì)是成功的，性能是可靠的，特別是受熱面經(jīng)過數(shù)百萬次的振打，其疲勞強(qiáng)度得到了檢驗(yàn)。但在實(shí)際運(yùn)行中煙氣參數(shù)是經(jīng)常波動(dòng)的：SP鍋爐進(jìn)口煙氣溫度實(shí)際為350℃左右，比設(shè)計(jì)值溫低40℃；AQC鍋爐進(jìn)口煙氣溫度實(shí)際為380℃左右，比設(shè)計(jì)值偏高30℃。因我們在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)考慮預(yù)后措施，使機(jī)組仍能正常發(fā)電，當(dāng)然這也與業(yè)主精心維護(hù)和良好的運(yùn)行水平有關(guān)。鍋爐還存在不少不足之處，如：
1）AQC鍋爐主汽閥口徑偏小，不適應(yīng)由于實(shí)際蒸發(fā)量增加的要求。
2）機(jī)械振打除灰裝置設(shè)計(jì)對(duì)制造工藝要求太高，密封成本較高，下次設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以改進(jìn)。
五、開發(fā)的意義
上海萬安項(xiàng)目雖然是一個(gè)小容量的試驗(yàn)型機(jī)組，但意義深遠(yuǎn)。在技術(shù)層面上，我們認(rèn)為運(yùn)行實(shí)績驗(yàn)證了我們的總體設(shè)計(jì)構(gòu)想，尤其是對(duì)SP鍋爐和AQC鍋爐粉塵的外部過程表現(xiàn)有了進(jìn)一步理解（所謂外部過程是指煙氣對(duì)受熱面的磨損，腐蝕、積灰等現(xiàn)象）。所有這些為我們開發(fā)更大型低溫水泥窯余熱鍋爐奠定了理論和應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)。在經(jīng)濟(jì)層面上，我們無法給出包含精確數(shù)據(jù)的答案，是由信息不對(duì)稱造成的；但是我們可以有合理的推斷：既然1000t/d等級(jí)水泥窯發(fā)電系統(tǒng)每千瓦固定資產(chǎn)投資小于8000元，那么5000t/d等級(jí)的肯定低于此數(shù)。要知道余熱電站是不燒一克煤的，其運(yùn)行費(fèi)用極低，根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，其投資回報(bào)周期應(yīng)在三年左右。該項(xiàng)目為我國新型干法水泥線純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)國產(chǎn)化設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較做出了寶貴的探索，具有示范意義。
六、應(yīng)用前景和展望
水泥窯低溫余熱發(fā)電技術(shù)符合國家能源政策、環(huán)保政策，也符合可持續(xù)發(fā)展政策，應(yīng)當(dāng)在全國新型干法窯中大力推廣。但這僅是美好的愿望，我們應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到資本是趨利的，任何技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化只有當(dāng)該技術(shù)能給投資方帶來良好的收益才能實(shí)現(xiàn)。
我國在役新型干法水泥線低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)各不相同。他們?yōu)橄到y(tǒng)的最優(yōu)化作了有益的探索，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)或教訓(xùn)，但不能據(jù)此以為這些系統(tǒng)已臻完善。我們認(rèn)為我國純低溫水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)化過程尚處于初始化階段，應(yīng)向其他行業(yè)先進(jìn)余熱發(fā)電系統(tǒng)如燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電站（HRSG）學(xué)習(xí)，應(yīng)向先進(jìn)工業(yè)國家的新型干法水泥線低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)學(xué)習(xí)。在此我們不妨多問幾個(gè)為什么：為什么HRSG的蒸汽壓力經(jīng)常設(shè)計(jì)為兩個(gè)甚至三個(gè)壓力單元？為什么川崎重工(KHI)在柳泥項(xiàng)目上要對(duì)AQC 進(jìn)行改造以便獲得更高溫度的煙氣？我們還記得在03年7月桂林會(huì)議上有水泥商問川重專家一個(gè)問題：由于用電緊張既想上余熱發(fā)電又想上燃煤發(fā)電該怎么辦？川重給的方案是：燃煤鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽作為主蒸汽而余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓蒸汽作為補(bǔ)汽同時(shí)送汽輪機(jī)發(fā)電是最經(jīng)濟(jì)的。這又是為什么呢？要回答這些問題，必須涉及復(fù)雜的熱力學(xué)原理和先進(jìn)的鍋爐汽輪機(jī)技術(shù)。泛而言之，這些方案是對(duì)系統(tǒng)的“火用”作了科學(xué)分析后得出的，都是符合能量梯級(jí)利用的原理。
我們相信高效率的資本會(huì)幫助熱力系統(tǒng)專家和鍋爐汽輪機(jī)專家找到答案的。水泥行業(yè)已經(jīng)建立了示范機(jī)組，行業(yè)管理機(jī)構(gòu)為此組織了多次研討會(huì)，我們有理由相信我國新型干法水泥生產(chǎn)線余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展圖景會(huì)越來越清晰：在正確的熱力學(xué)理論指導(dǎo)下，鍋爐技術(shù)和汽輪機(jī)技術(shù)“協(xié)同進(jìn)化”，達(dá)到世界先進(jìn)水平。
參考文獻(xiàn)及數(shù)據(jù)來源：
1．《江西水泥廠低溫余熱發(fā)電工程設(shè)計(jì)方案 》
2．《寧國水泥廠水泥窯余熱發(fā)電項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告》
3．《水泥發(fā)電發(fā)展趨勢》
4．《面向二十一世紀(jì)的水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備》
以上四篇文獻(xiàn)來自網(wǎng)上搜索，無法盡知作者姓名，向他們表示謝意和歉意，
其余數(shù)據(jù)來自《桂林會(huì)議》資料、業(yè)主項(xiàng)目可研資料和電站1.5%級(jí)表計(jì)。
編輯：gaoh
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