提高水泥窯純低溫余熱發(fā)電能力的措施

摘要：本文通過對(duì)目前我國(guó)新型干法水泥窯純低溫余熱發(fā)電幾種熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)、廢氣取熱方式的特點(diǎn)及存在主要問題的分析、比較，結(jié)合可利用的水泥窯余熱實(shí)際情況，提出了提高型水泥窯純低溫余熱發(fā)電的熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式。在我國(guó)水泥工業(yè)工藝及裝備技術(shù)得以迅速發(fā)展、百數(shù)十條日產(chǎn)數(shù)千噸級(jí)大型干法水泥熟料生產(chǎn)線陸續(xù)投產(chǎn)的情況下，本文對(duì)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的工程設(shè)計(jì)、裝備開發(fā)及推廣、應(yīng)用、發(fā)展、提高將有一定的參考作用。

1、前言
　　近年來，隨著我國(guó)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(jí)新型干法水泥熟料生產(chǎn)線（簡(jiǎn)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(chǎng)條件。在這個(gè)背景條件下，目前國(guó)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(guó)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)并已在上海萬(wàn)安企業(yè)1400t/d預(yù)分解窯、江西萬(wàn)年2000t/d預(yù)分解窯上實(shí)際應(yīng)用?？紤]目前國(guó)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(guó)內(nèi)火力發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)制造現(xiàn)狀，對(duì)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)及廢氣取熱方式進(jìn)行深入的研究分析從而進(jìn)一步提高我國(guó)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備水平、充分合理利用余熱盡而提高余熱發(fā)電能力是非常必要的。
2、目前我國(guó)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)及廢氣取熱方式的特點(diǎn)及存在的主要問題
　　目前水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)中熱力循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)成、循環(huán)參數(shù)及熟料冷卻機(jī)、窯尾預(yù)熱器廢氣取熱方式有如下三種：
　　其一：不補(bǔ)汽式純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式，見圖1。
　　其二：復(fù)合閃蒸補(bǔ)汽式純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式，見圖2。
　　其三：多壓補(bǔ)汽式純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式，見圖3。

圖1：不補(bǔ)汽式純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式

圖2：復(fù)合閃蒸補(bǔ)汽式純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式

圖3：多壓補(bǔ)汽式純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)及廢氣取熱方式

2.1 上述熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式的主要特點(diǎn)：
　　(1)僅在水泥窯窯頭熟料冷卻機(jī)中部設(shè)一個(gè)抽取冷卻機(jī)廢氣的抽廢氣口，根據(jù)水泥窯規(guī)模的不同，抽取的廢氣溫度在250～400℃范圍內(nèi)。利用抽取的廢氣設(shè)置窯頭熟料冷卻機(jī)余熱鍋爐（簡(jiǎn)稱AQC爐），AQC爐生產(chǎn)0.8～1.6Mpa—飽和溫度～360℃的蒸汽或同時(shí)生產(chǎn)0.1～0.5Mpa—飽和溫度至180℃的低壓低溫蒸汽、85～200℃的熱水。
　　(2)僅利用水泥窯窯尾預(yù)熱器排出的250～400℃廢氣余熱設(shè)置窯尾預(yù)熱器余熱鍋爐（簡(jiǎn)稱SP爐或PH爐），SP爐生產(chǎn)0.8～1.6Mpa—飽和溫度至360℃的蒸汽。
　　(3)將AQC爐、SP爐生產(chǎn)的0.8～1.6MPa蒸汽及AQC爐生產(chǎn)的0.1～0.5Mpa蒸汽或AQC爐生產(chǎn)的85～200℃熱水經(jīng)閃蒸器生產(chǎn)出的0.1～0.5MPa蒸汽通入汽輪機(jī)再由汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
2.2 上述熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式存在的主要問題
　　(1)窯頭熟料冷卻機(jī)自冷卻機(jī)入料端（熱端）至出料端（冷端），在不影響水泥窯熟料熱耗及水泥窯生產(chǎn)的條件下，冷卻機(jī)可排掉的廢氣溫度是自熱端起的600℃以線性關(guān)系逐漸下降至冷料端的55℃。因此，若僅在冷卻機(jī)中部抽取廢氣，則是將熱端的中高溫廢氣與冷端低溫廢氣混合后形成了250℃～400℃廢氣。由于廢氣溫度的限制，AQC爐僅能生產(chǎn)低壓低溫蒸汽及熱水。這種抽取廢氣的取熱方式?jīng)]有遵循熱量應(yīng)根據(jù)其溫度進(jìn)行梯級(jí)利用的原理。
　　(2)窯尾預(yù)熱器系統(tǒng)中，在不影響水泥窯熟料熱耗及水泥窯生產(chǎn)的條件下，可利用的廢氣余熱有兩部分：第一部分為預(yù)熱器系統(tǒng)最終排出的（即C1級(jí)旋風(fēng)筒出口）250～400℃廢氣；第二部分為C2級(jí)旋風(fēng)筒內(nèi)筒至C1級(jí)旋風(fēng)筒入口的450～600℃廢氣中水泥生產(chǎn)允許的20～25℃溫度降所含有的廢氣熱量。由于沒有利用第二部分廢氣熱量，加之第一部分預(yù)熱器系統(tǒng)最終排出的廢氣溫度限制，SP爐同樣只能生產(chǎn)低壓低溫蒸汽。
　　(3)上述兩個(gè)因素使前述的水泥窯純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)：其一，余熱只能生產(chǎn)低壓低溫蒸汽；其二，熱力循環(huán)系統(tǒng)只能采用低壓低溫參數(shù)；其三，水泥窯生產(chǎn)系統(tǒng)中窯頭熟料冷卻機(jī)及窯尾預(yù)熱器可用于發(fā)電的部分400～600℃中高溫廢氣沒有得到有效利用；其四，前述的三個(gè)因素，使在不增加水泥熟料熱耗的條件下，水泥窯廢氣余熱發(fā)電能力未能得到充分發(fā)揮，即余熱發(fā)電量不能達(dá)到應(yīng)該達(dá)到的水平。
3.提高水泥窯純低溫余熱發(fā)電能力的措施
　　針對(duì)水泥窯可用于發(fā)電的廢氣余熱量及廢氣溫度分布，遵循“指導(dǎo)構(gòu)成水泥窯純中低溫余熱發(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”（見筆者發(fā)表于《水泥》雜志2005年第4期的《水泥窯純中低溫余熱發(fā)電存在的問題》及第5期的《提高水泥窯純低溫余熱發(fā)電能力的途徑》），提高水泥窯純低溫余熱發(fā)電能力的具體措施主要在于：一、同時(shí)提高汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力和溫度，二、合理利用水泥窯廢氣溫度也即改變水泥窯廢氣余熱取熱方式。按上述兩點(diǎn)要求，筆者提出了三種提高型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式，分別見圖4、圖5、圖6。

圖4：提高型不補(bǔ)汽式純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣余熱取熱方式

圖5：提高型復(fù)合閃蒸補(bǔ)汽式純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣余熱取熱方式

圖6：提高型多壓補(bǔ)汽式純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣余熱取熱方式

3.1上述熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式的主要特點(diǎn)
　　(1)改變抽取窯頭熟料冷卻機(jī)廢氣方式，即在靠冷卻機(jī)進(jìn)料端(熱端)設(shè)置一抽取400～600℃廢氣的抽廢氣口，同時(shí)在冷卻機(jī)中部設(shè)置抽取250～400℃廢氣的抽廢氣口。根據(jù)廢氣溫度利用AQC爐生產(chǎn)1.6～3.82Mpa次中壓或中壓飽和溫度至450℃的過熱蒸汽也可同時(shí)生產(chǎn)0.1～0.5Mpa飽和溫度至180℃的低壓低溫蒸汽、85～200℃熱水。
　　(2)在利用窯尾預(yù)熱器系統(tǒng)最終（C1級(jí)旋風(fēng)筒出口）排出的250～400℃廢氣的同時(shí)，利用C2級(jí)旋風(fēng)筒內(nèi)筒至C1級(jí)旋風(fēng)筒入口的450～600℃廢氣水泥生產(chǎn)所允許的20～25℃溫度降所含有的廢氣熱量，通過SP爐生產(chǎn)1.6～3.82Mpa次中壓或中壓飽和溫度至450℃的過熱蒸汽。
3.2 上述提高型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)能夠取得的效果：
　　前述兩個(gè)特點(diǎn)使筆者提出的提高型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)及廢氣取熱方式：在不影響水泥熟料熱耗及水泥窯生產(chǎn)的條件下：其一，余熱可以同時(shí)生產(chǎn)次中壓或中壓飽和溫度至450℃的過熱蒸汽、0.1～0.5Mpa飽和溫度至180℃的低壓低溫蒸汽、85～200℃熱水；其二，熱力循環(huán)系統(tǒng)可以采用次中壓中溫或中壓中溫參數(shù)，提高了熱力循環(huán)系統(tǒng)效率；其三，充分利用了水泥窯不同廢氣溫度的余熱，并按廢氣余熱溫度分布實(shí)現(xiàn)了熱量應(yīng)根據(jù)其溫度進(jìn)行梯級(jí)利用的原理；其四，前述的三個(gè)因素，提高型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式使水泥窯廢氣余熱按其質(zhì)量最大限度地轉(zhuǎn)換為了電能，使余熱發(fā)電能力比目前的水泥窯純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)得以大幅提高。
4、結(jié)語(yǔ)
　　本文對(duì)我國(guó)目前新型干法水泥窯廢氣余熱取熱方式、純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)及存在的問題現(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)，提出了提高型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式。這種熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式已應(yīng)用于帶有五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器的1500t/d預(yù)分解窯、設(shè)計(jì)發(fā)電能力為2100~2200kw的實(shí)際工程中，預(yù)計(jì)2005年9~10月份投產(chǎn)后經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行可以驗(yàn)證：采用這種熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式，其實(shí)際發(fā)電能力將比已投入生產(chǎn)的采用目前常規(guī)熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式的同規(guī)模預(yù)分解窯純低溫余熱發(fā)電能力（如上海萬(wàn)安1400t/d四級(jí)預(yù)熱器預(yù)分解窯、發(fā)電能力為1600~1800kw的純低溫余熱電站）提高16.6~31.25%。使我國(guó)純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)達(dá)到一個(gè)新的水平，對(duì)于此項(xiàng)技術(shù)筆者已向國(guó)家申請(qǐng)了專利。