水泥工業(yè)中低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備(上)
1. 中低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的研制過(guò)程與現(xiàn)狀
我國(guó)水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)源于二十世紀(jì)三十年代日本人在我國(guó)東北及華北地區(qū)建設(shè)的若干條中空窯高溫余熱發(fā)電站，其水泥窯廢氣溫度為800℃～900℃、熟料熱耗為6700KJ～8400KJ/kg，所配套的高溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力為每噸熟料90kW～130kW。二十一世紀(jì)八十年代末，根據(jù)水泥工業(yè)節(jié)能降耗提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的需要，結(jié)合新型干法水泥熟料煅燒技術(shù)的發(fā)展、水泥生產(chǎn)過(guò)程中的廢氣余熱溫度已降至450℃以下的條件，國(guó)家在“八•五”期間安排了國(guó)家重大科技攻關(guān)項(xiàng)目《水泥廠中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備的研究開(kāi)發(fā)》工作。針對(duì)這一項(xiàng)目，根據(jù)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)火力發(fā)電主要設(shè)備（鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)）中的汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、制造、材料技術(shù)的限制，國(guó)家建材局確定：項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)工作走兩條技術(shù)線路，其一：利用國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)系列的汽輪機(jī)開(kāi)發(fā)研制帶補(bǔ)燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備，即國(guó)家建材局委托天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)的“八五”國(guó)家重大科技攻關(guān)項(xiàng)目課題——《帶補(bǔ)燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備的研究開(kāi)發(fā)》；其二：開(kāi)發(fā)研制適于水泥廠純中低溫余熱發(fā)電的特種汽輪機(jī)，即國(guó)家建材局委托中國(guó)建筑材料科學(xué)研究承擔(dān)的“八五”國(guó)家重大科技攻關(guān)項(xiàng)目課題——《雙流低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)及螺桿膨脹機(jī)的研究開(kāi)發(fā)》。
就上述兩個(gè)課題，天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院、中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院分別開(kāi)展了各自的各項(xiàng)目具體工作。
對(duì)于天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院：
根據(jù)其所承擔(dān)的“八•五”攻關(guān)課題任務(wù)，經(jīng)過(guò)對(duì)熱能動(dòng)力循環(huán)理論及在此之前該院已經(jīng)設(shè)計(jì)投產(chǎn)的多個(gè)中空窯高溫余熱電站熱力循環(huán)系統(tǒng)及裝備在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中所存在問(wèn)題的細(xì)致分析和總結(jié)，結(jié)合新型干法水泥生產(chǎn)線的工藝特點(diǎn)、廢氣余熱品位、廢氣余熱分布、水泥生產(chǎn)系統(tǒng)與余熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)后的復(fù)雜性，確定了課題開(kāi)發(fā)工作重點(diǎn)集中于如下幾個(gè)方面：（1）余熱電站的熱力循環(huán)系統(tǒng)配置研究及系統(tǒng)、設(shè)備配置計(jì)算方法的研究；（2）余熱電站內(nèi)各余熱鍋爐及補(bǔ)燃鍋爐的研制；（3）水泥生產(chǎn)系統(tǒng)與余熱電站系統(tǒng)間管理、操作及安全保護(hù)關(guān)系的研究；（4）余熱電站汽水管道配置及鍋爐給水除氧系統(tǒng)的研究；（5）余熱電站控制思想及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究；（6）帶補(bǔ)燃的中低溫余熱電站與純中低溫余熱電站節(jié)能效果及投資效益的比較分析研究。在確定上述研究開(kāi)發(fā)工作重點(diǎn)的同時(shí)，確定了課題研究開(kāi)發(fā)成果的應(yīng)用方向——：1）利用課題開(kāi)發(fā)成果為具有150℃至450℃廢氣余熱的水泥生產(chǎn)企業(yè)建設(shè)帶補(bǔ)燃鍋爐的中低溫余熱電站；2）一旦適于水泥窯150℃至450℃廢氣余熱的純中低溫余熱電站特種汽輪機(jī)開(kāi)發(fā)研制成功，課題開(kāi)發(fā)成果取消補(bǔ)燃鍋爐后直接采用特種汽輪機(jī)以實(shí)現(xiàn)純中低溫余熱發(fā)電。
天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院經(jīng)過(guò)十年的艱苦努力全面完成了課題開(kāi)發(fā)工作任務(wù)，同時(shí)在國(guó)家建材局原科技司的支持下至2000年進(jìn)一步完成了適于水泥窯150℃至450℃廢氣余熱的純中低溫余熱電站所需特種汽輪機(jī)混壓進(jìn)汽（補(bǔ)汽式）汽輪機(jī)的開(kāi)發(fā)研制任務(wù)，至2000年底：
● 為了確定經(jīng)濟(jì)、合理、高效的熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及電站汽水管路配置和除氧系統(tǒng)；為了解決余熱鍋爐所存在的磨損、漏風(fēng)、集灰、爐內(nèi)換熱過(guò)程不清、換熱效果不明以至余熱鍋爐熱效率低下影響余熱發(fā)電量的問(wèn)題；為了解決補(bǔ)燃鍋爐受熱面匹配、與余熱鍋爐的關(guān)系及補(bǔ)燃鍋爐主蒸汽調(diào)溫措施等問(wèn)題，在天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院內(nèi)建設(shè)運(yùn)行了一套2000t/d預(yù)分解窯6000kW補(bǔ)燃電站1:20的模型實(shí)驗(yàn)線。
● 為了摸清適于水泥窯生產(chǎn)運(yùn)行的立式余熱鍋爐具體結(jié)構(gòu)方式及熱力、換熱特性同時(shí)摸清立式余熱鍋爐對(duì)于廢氣溫度、廢氣粉塵的適應(yīng)性，結(jié)合模型實(shí)驗(yàn)線內(nèi)的實(shí)驗(yàn)用立式余熱鍋爐的運(yùn)行情況從而驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)，為蘇州南新水泥有限公司700t/d中空窯6000kW 800～900℃廢氣溫度的高溫余熱電站實(shí)驗(yàn)研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)水泥窯高溫立式余熱鍋爐。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)過(guò)對(duì)該臺(tái)余熱鍋爐的三次局部更改，自1996年實(shí)現(xiàn)了均噸熟料余熱發(fā)電量為6562KJ/kg—173kW.h/t、小時(shí)噸熟料余熱發(fā)電量為6562KJ/kg—192kW.h/t的國(guó)內(nèi)最高指標(biāo)（比其它同規(guī)模、同類型水泥窯的臥式余熱鍋爐余熱電站在熟料熱耗相同的條件下，余熱發(fā)電量提高20%以上），達(dá)到了預(yù)期目的，為中低溫余熱電站高效余熱鍋爐的設(shè)計(jì)、制造奠定了理論及實(shí)用技術(shù)基礎(chǔ)。
● 利用課題開(kāi)發(fā)成果建設(shè)投產(chǎn)了兩條工業(yè)實(shí)驗(yàn)用以煤粉為燃料的帶補(bǔ)燃鍋爐的中低溫余熱電站，其一為魯南水泥廠兩條2000t/d帶有四級(jí)預(yù)熱器預(yù)分解窯的一臺(tái)12000kW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)的補(bǔ)燃余熱電站；其二為北京琉璃河水泥廠一條2000t/d帶有五級(jí)預(yù)熱器預(yù)分解窯的一臺(tái)12000kW抽汽供熱式汽輪發(fā)電機(jī)組的補(bǔ)燃余熱電站。兩個(gè)余熱電站先后于1996年下半年投入生產(chǎn)運(yùn)行。通過(guò)這兩個(gè)電站的投入運(yùn)行驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果并為熱力循環(huán)系統(tǒng)及參數(shù)配置、汽水管路配置、除氧系統(tǒng)配置、余熱鍋爐與補(bǔ)燃鍋爐參數(shù)配置及設(shè)計(jì)制造、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)配置及控制思想、電站與水泥生產(chǎn)系統(tǒng)間的安全保護(hù)生產(chǎn)管理關(guān)系提供了實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。
● 通過(guò)對(duì)上述各項(xiàng)工作的理論總結(jié)及上述幾個(gè)工程在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中所存在問(wèn)題的分析，考慮國(guó)家資源綜合利用政策及水泥廠具有將補(bǔ)燃電站運(yùn)行過(guò)程中補(bǔ)燃鍋爐產(chǎn)生的爐渣、粉煤灰做為水泥生產(chǎn)用原料的特點(diǎn)，在上述幾個(gè)余熱電站工程已經(jīng)正常投入生產(chǎn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，為了將補(bǔ)燃鍋爐技術(shù)升級(jí)為流化床補(bǔ)燃鍋爐而使電站燃用煤矸石等劣質(zhì)燃料，1998年至1999年為湖北葛州壩水泥廠一條700t/d帶有五級(jí)預(yù)熱器的預(yù)分解窯及一條2000t/d帶有五級(jí)預(yù)熱器的預(yù)分解窯配套建設(shè)了一臺(tái)12000kW凝汽式汽輪機(jī)組的煤矸石補(bǔ)燃中低溫余熱電站。
在湖北葛州壩水泥廠中低溫余熱電站啟動(dòng)調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)對(duì)流化床補(bǔ)燃鍋爐所存在具體技術(shù)問(wèn)題的進(jìn)一步分析研究并通過(guò)整頓改造使整套電站于1999年10月投入正常生產(chǎn)運(yùn)行。此舉標(biāo)志著天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院所承擔(dān)的“八五”國(guó)家重大科技攻關(guān)課題—《帶補(bǔ)燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備的研究開(kāi)發(fā)》任務(wù)及對(duì)課題開(kāi)發(fā)成果進(jìn)行技術(shù)升級(jí)的任務(wù)已全面完成。在解決了課題所確定的六個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題的基礎(chǔ)上形成了完整的課題開(kāi)發(fā)成果《帶補(bǔ)燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備》，同時(shí)形成了完整的中低溫余熱電站工程設(shè)計(jì)思想及各項(xiàng)具體技術(shù)措施（包括裝備），為余熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)及裝備技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、實(shí)現(xiàn)純中低溫余熱發(fā)電及裝備技術(shù)在水泥工業(yè)的推廣應(yīng)用奠定了理論及實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行技術(shù)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院分別為河南七里崗水泥廠一條700t/d及一條1000t/d帶有五級(jí)預(yù)熱器的預(yù)分解窯、黑龍江省牡丹江水泥廠一條2000t/d帶有四級(jí)預(yù)熱器的預(yù)分解窯、杭州錢潮建材股份有限公司1000t/d帶有五級(jí)預(yù)熱器的預(yù)分解窯配套建設(shè)了以流化床為補(bǔ)燃鍋爐的一臺(tái)7500kW（七里崗）凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組、一臺(tái)12000kW（牡丹江）抽汽供熱式汽輪發(fā)電機(jī)組、一臺(tái)4500kW（杭州錢潮）混壓進(jìn)汽式（補(bǔ)汽式）汽輪發(fā)電機(jī)組的中低溫余熱電站，目前在為河南洛陽(yáng)水泥廠、吉林雙陽(yáng)水泥廠、新疆屯河水泥公司配套設(shè)計(jì)以流化床為補(bǔ)燃鍋爐的補(bǔ)燃中低溫余熱電站。
● 天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院在進(jìn)行上述帶補(bǔ)燃鍋爐的課題研究開(kāi)發(fā)工作的同時(shí)，為了切實(shí)了解并掌握國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家純中低溫余熱發(fā)電裝備技術(shù)情況，1995年承擔(dān)了由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）贈(zèng)送全套純中低溫余熱發(fā)電設(shè)備的安徽寧國(guó)水泥廠4000t/d帶有四級(jí)預(yù)熱器預(yù)分解窯的6480kW純中低溫余熱發(fā)電工程的可行性研究報(bào)告、施工圖設(shè)計(jì)、施工駐廠報(bào)務(wù)任務(wù)并參與了日方贈(zèng)送設(shè)備的具體談判工作。該電站于1997年投入正常生產(chǎn)運(yùn)行，經(jīng)過(guò)對(duì)窯頭熟料冷卻機(jī)冷卻風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造后（改造為循環(huán)風(fēng)，使冷卻機(jī)余風(fēng)由200℃～300℃提高至360℃），僅利用窯頭熟料冷卻機(jī)廢氣余熱（165300Nm3/h--360℃↓91℃）及窯尾預(yù)熱器廢氣余熱（258550Nm3/h—350℃↓250℃）實(shí)現(xiàn)了發(fā)電6480kW的目的。在這套純余熱發(fā)電技術(shù)裝備中，采用的汽輪機(jī)即為適于水泥窯廢氣余熱品位及余熱分布的特種汽輪機(jī):二級(jí)低參數(shù)混壓進(jìn)汽式（補(bǔ)汽式）汽輪機(jī)，其原理及參數(shù)見(jiàn)圖一。
圖一.二級(jí)混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)原理及參數(shù)分布（日本NEDO贈(zèng)送）
上述這臺(tái)汽輪機(jī)無(wú)論其結(jié)構(gòu)方式還是參數(shù)配置國(guó)內(nèi)是沒(méi)有先例的（在中小型汽輪機(jī)設(shè)計(jì)制造方面，在本文發(fā)表之前，國(guó)內(nèi)僅能生產(chǎn)一個(gè)進(jìn)汽口—即僅為主進(jìn)汽口的汽輪機(jī)，其進(jìn)汽參數(shù)為1.2～1.6MPa-280～340℃、1.3MPa-340℃、1.6MPa-340℃、2.4MPa-385℃、3.43MPa-435℃等），該臺(tái)汽輪機(jī)整機(jī)內(nèi)效率為77.5%，連同發(fā)電機(jī)在內(nèi)的總效率為75.5%。該工程日方所贈(zèng)送的全套設(shè)備造價(jià)約合15億日元，寧國(guó)水泥廠配套資金約2800萬(wàn)元人民幣。
● 為了實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化裝備的純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院在充分消化吸收日本人贈(zèng)送給安徽寧國(guó)水泥廠純中低溫余熱發(fā)電全套設(shè)備中的混壓進(jìn)汽式（補(bǔ)汽式）汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)后，由于中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院承擔(dān)的“八五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)課題《雙流低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)及螺桿膨脹機(jī)的研究開(kāi)發(fā)》工作遇到了困難。天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院與杭州汽輪機(jī)廠、杭州錢潮建材股份公司合作于1997年承擔(dān)了國(guó)家建材局部門(mén)研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目——也為中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院“八五”國(guó)家重大科技攻關(guān)課題的延續(xù)項(xiàng)目——《水泥廠中低溫余熱發(fā)電專用設(shè)備——混壓進(jìn)汽式（補(bǔ)汽式）汽輪機(jī)的研究開(kāi)發(fā)》項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)近兩年的研究、實(shí)驗(yàn)，首臺(tái)樣機(jī)——4500kW混壓進(jìn)汽式（補(bǔ)汽式）汽輪機(jī)應(yīng)用于杭州錢潮建材股份有限公司1000t/d帶五級(jí)預(yù)熱器的預(yù)分解窯4500kW以流化床鍋爐為補(bǔ)燃鍋爐的中低溫余熱電站（該電站之所以仍采用補(bǔ)燃發(fā)電，主要考慮：一旦混壓進(jìn)汽即補(bǔ)汽不成功，將補(bǔ)汽系統(tǒng)自發(fā)電熱力系統(tǒng)中切除后，電站仍能正常運(yùn)行發(fā)電，除電站經(jīng)濟(jì)效益不能達(dá)到預(yù)期效果外，不致于使電站不能生產(chǎn)運(yùn)行而給水泥廠造成更大的損失），該電站（包括混壓進(jìn)汽系統(tǒng)）于2000年7月1日并網(wǎng)發(fā)電成功至9月6日全套電站通過(guò)生產(chǎn)運(yùn)行考核，噸熟料余熱發(fā)電能力比標(biāo)準(zhǔn)單級(jí)進(jìn)汽汽輪機(jī)機(jī)組提高7.2Kw以上，其汽輪機(jī)原理及參數(shù)見(jiàn)圖二。
圖二.混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)原理及參數(shù)分布（國(guó)內(nèi)研究制造）
這臺(tái)汽輪機(jī)的整機(jī)內(nèi)效率達(dá)到了74.4%，連同發(fā)電機(jī)在內(nèi)的總效率達(dá)到了71.5%，這臺(tái)機(jī)組在研制過(guò)程中，由于未能很好地解決速關(guān)閥及穩(wěn)定補(bǔ)汽參數(shù)等措施使補(bǔ)汽很困難（必須在補(bǔ)參數(shù)數(shù)基本不波動(dòng)不波動(dòng)的情況下才能補(bǔ)入汽輪機(jī)）。但盡管如此，這臺(tái)機(jī)組的試制及試運(yùn)，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)水泥工業(yè)純中低溫余熱電站全套裝備的國(guó)產(chǎn)化、為在國(guó)內(nèi)水泥工業(yè)推廣應(yīng)用純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)摸索了裝備設(shè)計(jì)、制造技術(shù)經(jīng)驗(yàn)（即將該臺(tái)機(jī)組的補(bǔ)汽技術(shù)應(yīng)用到國(guó)產(chǎn)