淺論余熱發(fā)電工藝和實現(xiàn)最佳效益的有效途徑

  前言

  新型干法水泥熟料生產(chǎn)企業(yè)中由窯頭熟料冷卻機和窯尾預(yù)熱器排出的350℃左右廢氣，其熱能大約為水泥熟料燒成系統(tǒng)熱耗量的35%，低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，可將排放到大氣中占熟料燒成系統(tǒng)熱耗35%的廢氣余熱進行回收，使水泥企業(yè)能源利用率提高到95%以上。項目的經(jīng)濟效益十分可觀。

  我國是世界水泥生產(chǎn)和消費的大國，近年來新型干法水泥生產(chǎn)發(fā)展迅速，技術(shù)、設(shè)備、管理等方面日漸成熟。目前國內(nèi)已建成運行了大量2000t/d以上熟料生產(chǎn)線，新型干法生產(chǎn)線與其他窯型相比在熱耗方面有顯著的降低，但新型干法水泥生產(chǎn)對電能的消耗和依賴依然強勁，因此，新型干法水泥總量的增長對水泥工業(yè)用電總量的增長起到了推動作用，一定程度上加劇了電能的供應(yīng)緊張局面。國內(nèi)由于經(jīng)濟潛力增長加劇了電力短缺的矛盾，刺激了煤電項目的增長，一方面煤電的發(fā)展會加速煤炭這種有限資源的開采、消耗，另一方面煤電生產(chǎn)產(chǎn)生大量的CO₂等溫室氣體，加劇了對大氣的環(huán)境污染。因此在水泥業(yè)發(fā)展余熱發(fā)電項目是行業(yè)及國家經(jīng)濟發(fā)展的必然。此外，為了提高企業(yè)的市場競爭力，擴大產(chǎn)品的盈利空間，國內(nèi)的許多水泥生產(chǎn)企業(yè)在建設(shè)熟料生產(chǎn)線的同時，也紛紛規(guī)劃實施余熱發(fā)電項目。

  隨著世界經(jīng)濟快速發(fā)展、新型節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用，充分利用有限的資源和發(fā)展水泥窯余熱發(fā)電項目已經(jīng)成為水泥業(yè)發(fā)展的一種趨勢，也完全符合國家產(chǎn)業(yè)政策。

  1背景

  新型干法水泥熟料生產(chǎn)企業(yè)中由窯頭熟料冷卻機和窯尾預(yù)熱器排出的350℃左右廢氣，其熱能大約為水泥熟料燒成系統(tǒng)熱耗量的35%，低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，可將排放到大氣中占熟料燒成系統(tǒng)熱耗35%的廢氣余熱進行回收，使水泥企業(yè)能源利用率提高到95%以上。項目的經(jīng)濟效益十分可觀。

  水泥制造業(yè)是一個高能耗產(chǎn)業(yè)，不僅每年要消耗大量的煤炭等一次能源（每噸水泥熟料消耗燃料折標準煤為100～115kg），而且還要消耗大量的二次能源—電力（每噸水泥約消耗90～115kwh），雖然隨著水泥煅燒技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)熱效率得到了較大地提高，但由窯尾預(yù)熱器、窯頭熟料冷卻機等排掉的400℃以下低溫廢氣余熱，其熱量仍約占水泥熟料燒成總耗熱量35%以上，造成的能源浪費非常嚴重，如果將排掉的400℃以下低溫廢氣余熱轉(zhuǎn)換為電能并回用于水泥生產(chǎn)，可使水泥熟料生產(chǎn)綜合電耗降低60%或水泥生產(chǎn)綜合電耗降低30%以上，可以大幅減少向水泥生產(chǎn)企業(yè)的購電量，并且可避免水泥窯廢氣余熱直接排入大氣造成的熱島現(xiàn)象，同時由于減少了水泥生產(chǎn)企業(yè)的燃料消耗，可減少CO₂等燃燒廢物的排放而有利于保護環(huán)境。

  2余熱發(fā)電簡介及原理

  即在新型干法生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中，通過余熱回收裝置——余熱鍋爐將水泥窯窯頭、窯尾排出大量低品位的廢氣余熱進行回收換熱產(chǎn)生過熱蒸氣和飽或蒸汽推動汽輪機實現(xiàn)熱能——機械能的轉(zhuǎn)換，再帶動發(fā)電機發(fā)出電能，并供給水泥生產(chǎn)過程中的用電負荷。

  純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的基本原理就是以30℃左右的軟化水經(jīng)除氧器除氧后，經(jīng)水泵加壓進入窯頭余熱鍋爐省煤器，加熱成190℃左右的飽和水，分成兩路，一路進入窯頭余熱鍋爐汽包，另一路進入窯尾余熱鍋爐汽包，然后依次經(jīng)過各自鍋爐的蒸發(fā)器，過熱器產(chǎn)生1.2MPa、310℃左右的過熱蒸汽，匯合后進入汽輪機作功，作功后的乏汽進入冷凝器，冷凝后的水和補充軟化水經(jīng)除氧器除氧后再進入下一個熱力循環(huán)。

  3 水泥余熱發(fā)電生產(chǎn)工藝及控制

  水泥余熱發(fā)電，隨著熟料生產(chǎn)工藝線的不同，一般有兩種窯型，三種發(fā)電模式。

  采用立式余熱鍋爐和補汽式汽輪發(fā)電機組的二級余熱發(fā)電系統(tǒng)。立式余熱鍋爐徹底解決了臥式余熱鍋爐漏風及爐內(nèi)溫度場實際分布與鍋爐設(shè)計時所假想的溫度完全不相同的問題，可以大大提高鍋爐蒸汽產(chǎn)量；篦冷機或立式余熱鍋爐排出的300℃左右廢氣余熱可以充分回收并用以發(fā)電。這樣可使噸熟料余熱發(fā)電量在熟料熱耗不變的前提下提高到195千瓦小時以上，使水泥窯綜合能耗達到同規(guī)模預(yù)分解窯的能耗水平。

  為了克服帶補燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)存在的缺點，采用補汽式汽輪機組，充分回收200℃以下的廢氣余熱，同時補燃鍋爐應(yīng)當以煤矸石等劣質(zhì)煤或垃圾為燃料，除節(jié)約優(yōu)質(zhì)煤外，還可為水泥生產(chǎn)提供原料，降低發(fā)電成本，進一步提高經(jīng)濟效益。

  ⑴中控窯高溫余熱發(fā)電

  ⑵預(yù)分解窯及帶補燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電

  ⑶純低溫余熱發(fā)電

  中低溫余熱發(fā)電主要是回收利用預(yù)分解窯或懸浮預(yù)熱器窯窯頭冷卻機300℃廢氣、窯尾400℃廢氣，用于發(fā)電或熱電聯(lián)供。

  余熱電站涉及到的控制系統(tǒng)主要是MCS（模擬量控制）和SCS（順序控制），在控制方案中，邏輯（順序）控制占多數(shù)，主要是各電器設(shè)備的邏輯啟停；模擬量控制回量以常規(guī)PID為主，水位控制以減溫水控制回路以串級控制算法為主。

  窯頭篦冷機和窯尾預(yù)熱器來的廢氣，通過鍋爐與鍋爐內(nèi)布置的過熱器、蒸發(fā)器、省煤器產(chǎn)生熱交換，加熱水產(chǎn)生高壓飽和蒸汽，帶動汽輪機轉(zhuǎn)動做功，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。一般主機為兩臺余熱鍋爐(窯頭AQC鍋爐和窯尾SP鍋爐)和一套汽輪發(fā)電機組。為減輕廢氣對AQC鍋爐的磨損，在鍋爐前設(shè)置了沉降室、AQC爐輸灰系統(tǒng)除去煙氣中的粉塵，SP爐設(shè)機械振打解決粉塵附著問題。AQC省煤器出水分兩路：一路進入AQC汽包，另一路進SP鍋爐省煤器。AQC鍋爐產(chǎn)生的主蒸氣和SP鍋爐產(chǎn)生的主蒸氣混合后進汽輪機進汽口。SP鍋爐汽包進水由AQC省煤器供給，當AQC鍋爐未投用時也可由鍋爐給水泵直接供給而獨立運行。兩臺鍋爐都設(shè)計有旁路系統(tǒng)，當鍋爐停用時水泥生產(chǎn)系統(tǒng)可正常運行。

  主蒸汽溫度、壓力及汽包壓力的檢測。

  汽包水位的三沖量控制：以汽包水位作為主調(diào)，以主蒸汽流量和給水量為參考的三沖量液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在三參數(shù)液位調(diào)節(jié)時，如果產(chǎn)汽量或給水量發(fā)生變化，在液位未變化前就調(diào)整給水量，以保證汽包液位穩(wěn)定，特別是能克服產(chǎn)氣量突然增加造成汽包假液位現(xiàn)象。

  窯頭余熱鍋爐輸灰系統(tǒng)：AQC爐星型下料器、AQC爐鏈式輸送機的順序起停（由后向前開，由前向后關(guān)），以及故障保護（當后面的電機出現(xiàn)故障時，前面的電機必須停）汽包水位報警。

  主蒸汽溫度、壓力及汽包壓力的檢測。

  汽包水位的三沖量控制：以汽包水位作為主調(diào)，以主蒸汽流量和給水量為參考的三沖量液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在三參數(shù)液位調(diào)節(jié)時，如果產(chǎn)汽量或給水量發(fā)生變化，在液位未變化前就調(diào)整給水量，以保證汽包液位穩(wěn)定，特別是能克服產(chǎn)氣量突然增加造成汽包假液位現(xiàn)象,汽包水位報警。

  凝結(jié)水泵、給水泵、循環(huán)水泵各兩臺，分別是一用一備的關(guān)系，當聯(lián)鎖投上,工作泵出現(xiàn)故障跳閘時，備用泵自動啟動。

  熱井水位控制（單回路PID）。

  主氣門開關(guān)報警。

  汽機軸向位移報警、汽機轉(zhuǎn)速報警、汽機潤滑油壓報警、汽機前后軸承溫度報警。

  汽機、發(fā)電機前后軸承回油溫度檢測。

  凝汽器壓力報警。

  ?發(fā)電機進風溫度、出風溫度報警。

  電動油泵與主油泵出口油壓間的聯(lián)鎖。

  4 主機設(shè)備工作原理

  4.1 余熱鍋爐

  余熱鍋爐：AQC爐和SP爐

  AQC鍋爐的設(shè)計特點如下：鍋爐型式為立式,鍋爐由省煤器、蒸發(fā)器、過熱器、汽包及熱力管道等構(gòu)成。鍋爐前設(shè)置一預(yù)除塵器（沉降室），降低入爐粉塵。廢氣流動方向為自上而下,換熱管采用螺旋翅片管，以增大換熱面積、減少粉塵磨損的作用。鍋爐內(nèi)不易積灰，由煙氣帶走，故未設(shè)置除灰裝置，工質(zhì)循環(huán)方式為自然循環(huán)方式。過熱器作用：將飽和蒸汽變成過熱蒸汽的加熱設(shè)備，通過對蒸汽的再加熱，提高其過熱度（溫度之差），提高其單位工質(zhì)的做功能力。蒸發(fā)器作用：通過與煙氣的熱交換，產(chǎn)生飽和蒸汽。

  省煤器作用：設(shè)置這樣一組受熱面，對鍋爐給水進行預(yù)熱，提高給水溫度，避免給水進入汽包，冷熱溫差過大，產(chǎn)生過大熱應(yīng)力對汽包安全形成威脅，同時也避免汽包水位波動過大，造成自動控制困難。一方面最大限度地利用余熱，降低排煙溫度，另一方面，給水預(yù)熱后形成高溫高壓水，作為閃蒸器產(chǎn)生飽和蒸汽的熱源。

  沉降室作用：利用重力除塵的原理將煙氣中的大顆粒熟料粉塵收集，避免粉塵對鍋爐受熱面的沖刷、磨損。

  SP鍋爐的設(shè)計特點如下:鍋爐型式為立式,鍋爐由蒸發(fā)器、過熱器、汽包及熱力管道構(gòu)成，廢氣流動方向為自上而下流動,換熱管采用蛇形光管，以防止積灰。因生料具有粘附性，故鍋爐設(shè)置振打裝置進行除灰,工質(zhì)循環(huán)為采用循環(huán)泵進行自然循環(huán)方式。

  4.2 汽輪機

  汽輪機是用具有一定溫度和壓力的蒸汽來做功的回轉(zhuǎn)式原動機。依其做功原理的不同，可分為沖動式汽輪機和反動式汽輪機兩種類型。兩種型式汽輪機各具特點，各有其發(fā)展的空間。

  ⑴沖動式汽輪機：蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿倪^程，僅在噴嘴中發(fā)生，而工作葉片只是把蒸汽的動能轉(zhuǎn)變成機械能的汽輪機。即蒸汽僅在噴嘴中產(chǎn)生壓力降，而在葉片中不產(chǎn)生壓力降。

  ⑵反動式汽輪機：蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿倪^程，不僅在噴嘴中發(fā)生，而且在葉片中也同樣發(fā)生的汽輪機。即蒸汽不僅在噴嘴中進行膨脹，產(chǎn)生壓力降，而且在葉片中也進行膨脹，產(chǎn)生壓力降。

  沖動式與反動式在構(gòu)造上的主要區(qū)別在于：

  ⑴沖動式：動葉片出、入口側(cè)的橫截面相對比較勻稱，汽流通道從入口到出口其面積基本不變。

  ⑵反動式：動葉片出、入口側(cè)的橫截面不對稱，葉型入口較肥大，而出口側(cè)較薄，汽流通道從入口到出口呈漸縮狀。

  最簡單的汽輪機單級汽輪機結(jié)構(gòu)，工作原理為：具有一定壓力和溫度的蒸汽通入噴嘴膨脹加速，此時蒸汽壓力、溫度降低，速度增加，蒸汽熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，然后，具有較高速度的蒸汽由噴嘴流出，進入動葉片流道，在彎曲的動葉片流道內(nèi)，改變汽流方向，給動葉片以沖動力，產(chǎn)生了使葉輪旋轉(zhuǎn)的力矩，帶動主軸旋轉(zhuǎn)，輸出機械功，完成動能到機械能的轉(zhuǎn)換。

  熱能→動能→機械能，這樣一個能量轉(zhuǎn)換的過程，便構(gòu)成了汽輪機做功的基本單元，通常稱這個做功單元為汽輪機的級，它是由一列噴嘴葉柵和其后緊鄰的一列動葉柵所構(gòu)成。

  由于單級汽輪機的功率較小，且損失大，故使汽輪機發(fā)出更大功率，需要將許多級串聯(lián)起來，制成多級汽輪機。

  汽輪機分類按熱力過程可分為：

  ⑴凝汽式汽輪機：進入汽輪機做功的蒸汽，除少量漏汽外，全部或大部分排入凝汽器，形成凝結(jié)水。

  ⑵背壓式汽輪機：蒸汽在汽輪機內(nèi)做功后，以高于大氣壓力被排入排汽室，以供熱用戶采暖和工業(yè)用汽。

  ⑶調(diào)整抽汽式汽輪機：將部分做過功的蒸汽以某種壓力下抽出，供工業(yè)用或采暖用。

  ⑷中間再熱式汽輪機：將在汽輪機高壓缸做完功的蒸汽，再送回鍋爐過熱器加熱到新蒸汽溫度，回中、低壓缸繼續(xù)做功。

  按蒸汽初蒸汽分類：

  ①低壓汽輪機：新汽壓力為1.2～1.5MPa；②中壓汽輪機：新汽壓力為2.0～4.0MPa； ③次高壓汽輪機：新汽壓力為5.0～6.0MPa；④高壓汽輪機：新汽壓力為6.0～10.0MPa；還有超高壓、亞臨界壓力、超臨界壓力汽輪機等等。

  4.3 發(fā)電機

  余熱發(fā)電所用汽輪發(fā)電機為三相交流同步發(fā)電機，型式為臥式，無刷勵磁全封閉式。通風冷卻，全封閉水冷熱交換器型，采用空氣冷卻方式。發(fā)電機額定參數(shù)：額定功率，額定電壓，額定電流，額定頻率：50HZ，極數(shù)4P，功率因數(shù)：80%滯后，勵磁方式：旋轉(zhuǎn)整流器式無刷勵磁方式，絕緣等級：F級，潤滑方式：強制潤滑。

  4.4 冷卻水系統(tǒng)

  冷卻水系統(tǒng)的作用主要是為凝汽器及其他冷卻設(shè)備提供冷卻循環(huán)用水。包括三臺冷卻水泵和一套強制通風冷卻塔及相應(yīng)的冷卻水管道等。三臺冷卻水泵日常一備兩用，采用強制通風冷卻塔在場地受到限制的情況下可以大大減少占地面積，另外還可以減少初期投資；但因采用風扇強制通風，故廠用電量增加，同時增加了日常維護工作量。

  組成主要有冷卻水泵、冷卻風扇、集水槽、散水嘴、散水管、填料、分離器和相應(yīng)的連接管道等。

  冷卻風扇：對冷卻塔內(nèi)進行強制通風，對冷卻水進行強制換熱。散水嘴與散水管：將循環(huán)冷卻水呈水滴狀均勻地灑向填料層。填料：將散水嘴噴射出的水滴在填料的表面形成水膜，增大冷卻面積。

  分離器：防止散水嘴噴射出的水滴因強制通風造成飛沫損失，從而降低循環(huán)冷卻水損失。

  5 提高余熱發(fā)電發(fā)電量的措施

  1）避免鍋爐漏風；

  鍋爐漏風對余熱發(fā)電的經(jīng)濟性影響很大，對安全性影響小一些。由于漏風會造成部分換熱損失、增加過?？諝庀禂?shù)會相應(yīng)提高耗電、過?？諝庀禂?shù)過高還會導(dǎo)致排煙熱損失增加。在安全方面，如果漏風會導(dǎo)致局部溫度升高，對鍋爐巡檢人員造成燙傷，局部溫度升高或降低還會破壞自然水循環(huán)，可能會產(chǎn)生局部過熱，但這種可能性不大。

  2）加強熱風管、鍋爐、蒸汽管道等的保溫，降低熱損；

  保溫效果的好壞直接影響到發(fā)電量的多少，保溫效果越好，熱損失越小，發(fā)電量越高。

  3）加強篦冷機的操作控制，提高料層厚度，盡可能提高進鍋爐的氣體溫度；

  合理控制篦冷機運轉(zhuǎn)速度的快慢和料層的速度，使AQC鍋爐入口煙氣保持一個相對穩(wěn)定且較為高的溫度。

  4）調(diào)整配料，避免熟料結(jié)大塊；

  因為結(jié)大塊的熟料，表面溫度降得快，但內(nèi)部溫度依然很高，冷卻的結(jié)果是進鍋爐的氣體溫度偏低，從而影響發(fā)電量；

  5）汽輪機的真空度、汽耗率等對汽輪機發(fā)電量有很大的影響；

  汽輪機運行中，凝汽器真空下降的主要象征為：排汽室溫度升高；真空表指示下降和凝汽器端差明顯增大。真空下降后，若保持機組負荷不變，汽輪機進汽量勢必增大，使軸向推力增大以及葉片過負荷；不僅如此，由于真空下降，使排汽室溫度升高，從而引起：排汽缸變形，機組中心偏移，使機組產(chǎn)生振動以及凝汽器銅管因受熱膨脹產(chǎn)生松弛、變形甚至斷裂。

  6）采用窯頭循環(huán)冷卻的技術(shù)，可以有效提高進鍋爐的氣體溫度；

  可以將窯頭進入除塵器之前的部分廢氣引入冷卻風機的入口，提高冷卻風的溫度，從而提高鍋爐入口的煙氣溫度

  7）提高閥位控制的行程

  有的汽輪機廠家為了汽輪機的安全性，調(diào)低了調(diào)節(jié)汽閥的行程，即使壓力和溫度都達到了一定的高度，而調(diào)節(jié)汽閥已經(jīng)達到了廠家調(diào)節(jié)的開度，負荷也不能再增加了。造成了多余的煙氣白白流失。