純低溫余熱發(fā)電的技術與裝備

　　1. 前言

　　隨著我國人口的不斷增加和經濟的快速發(fā)展，資源相對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濟可持續(xù)發(fā)展的關鍵所在。節(jié)約資源、改善環(huán)境狀況、提高經濟效益，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展將是我國國民經濟和社會發(fā)展中一項長遠的戰(zhàn)略方針。

　　社會主義市場經濟的建立和不斷完善，使我國的經濟建設日益蓬勃且快速健康的向前發(fā)展。在此帶動之下，我國的水泥產量已雄居世界第一，水泥工業(yè)的建設規(guī)模和技術水平也有了長足的進步，“上大改小、結構調整”戰(zhàn)略的實施，更使得我國水泥工業(yè)的建設規(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)是一個傳統(tǒng)的高能耗行業(yè)，就目前國內最先進的水泥生產工藝，仍然有大量的350℃以下的低溫余熱不能被完全利用，其浪費的熱量約占系統(tǒng)總熱量的30%左右。因此，回收水泥生產工藝過程中的低溫余熱，用來供熱或發(fā)電，具有非?，F(xiàn)實的節(jié)能和環(huán)保意義，符合循環(huán)經濟和可持續(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和裝備

　　水泥的生產，需要消耗大量優(yōu)質的自然礦產資源，還需摻雜一定量的混合材，在同時消耗大量煤炭和電力等優(yōu)質能源的時候，也伴有大量被排放而浪費掉的低溫余熱資源。

　　一段時間以來，受電力供應緊張和電價持續(xù)上漲的影響，許多地方的水泥生產單位面臨運轉率不足和經濟效益下滑的困難局面。因此，在國家資源綜合利用產業(yè)政策的鼓勵下，同時結合天津水泥工業(yè)設計研究院成熟的資源綜合利用技術及國內成熟的電站設備，多家水泥生產單位建設了能夠充分利用水泥生產線排放的低溫余熱，再加上適當?shù)难a燃，燃用熱值小于12550kJ/kg的劣質燃料的資源綜合利用電站。

　　這樣的電站建成后，水泥生產線排放掉的低溫余熱可基本被回收和利用，在補燃量一定的條件下，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)流化床補燃鍋爐還可以有效的利用工程建設所在地的煤矸石等劣質煤資源，所產生的灰、渣又可全部回用于水泥生產，做到零排放;電站生產的電力可直接供給水泥生產使用，并減少了輸配電系統(tǒng)的有功損耗。

　　由此可見，這類電站的建設投產，可有效的緩解水泥生產用電緊張的困難;在大幅度降低水泥生產成本的同時，也為國家節(jié)約了優(yōu)質的能源，保護了環(huán)境，其經濟效益與社會效益是十分顯著的，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。

　　因此，對于水泥生產企業(yè)而言，只要我們認真貫徹和堅定不移的執(zhí)行國家資源綜合利用的產業(yè)政策，切實落實好劣質燃料(或工業(yè)垃圾)的來源和供應渠道，符合當?shù)丨h(huán)保部門提出的排放要求，建立一整套內部有效的鼓勵余熱回收和利用的激勵機制，理順與當?shù)仉娏Σ块T的管理和利益分配關系，筆者認為，有成熟的技術和裝備為后盾，這種既有利于企業(yè)，也有利于國家的補燃型的資源綜合利用電站，一定會有持久的推廣和應用前景。

　　3. 純低溫余熱電站的技術及裝備

　　相對于補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的余熱電站不配置任何的燃燒設備，所以也不增加任何的煙氣、粉塵和廢渣的排放點，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，采用純低溫余熱進行發(fā)電，對裝備和系統(tǒng)技術的要求較高。國外對于利用水泥窯低溫余熱進行發(fā)電的技術及裝備的研究與開發(fā)從上世紀六十年代即已開始，到七十年代中期，無論是熱力系統(tǒng)還是設備都已進入應用階段。據我們所知，技術較為成熟的是日本的幾家公司(如川崎公司)，他們開發(fā)研制的余熱鍋爐及中、低品位的混壓進汽式汽輪機，經數(shù)十個工廠多年運轉實踐證明，技術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)就是日本川崎公司的技術和裝備的應用工程。

　　為了實現(xiàn)國產化的純低溫余熱發(fā)電技術及裝備，在充分學習和借鑒寧國水泥廠純低溫余熱發(fā)電的系統(tǒng)技術和混壓進汽式汽輪機的性能參數(shù)后，以天津水泥工業(yè)設計研究院為主，會同國內的汽輪機生產制造單位于1997年首先開始了適合于水泥廠低溫余熱發(fā)電專用設備--混壓進汽式汽輪機的研究和開發(fā)。

　　經過近兩年的共同努力，終于研制并生產制造出了首臺4500kW的補汽式汽輪機的樣機，并推廣應用于杭州錢潮建材有限公司4500kW的補燃式資源綜合利用電站。該電站于1999年成功并網發(fā)電，并通過了相應的生產運行考核，投入正常運行以來的結果證明，混壓進汽式汽輪機的研究和開發(fā)取得了成功。其結構方式及參數(shù)配置填補了國內汽輪機制造行業(yè)的空白。它的研制成功，為實現(xiàn)我國水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電的系統(tǒng)技術和裝備的完全國產化，并在國內水泥工業(yè)推廣應用奠定了堅實的基礎。

　　在此基礎之上，天津水泥工業(yè)設計研究院根據參與并完成施工設計且正常投運的寧國水泥廠純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的特點、配合日本川崎公司進行的柳州水泥廠純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)設計的體會、以及天津水泥工業(yè)設計研究院已經成熟的帶補燃鍋爐的余熱發(fā)電技術，對純低溫余熱發(fā)電的系統(tǒng)技術和裝備進行了認真細致的研究，形成了完全國產化的利用窯頭、窯尾的純低溫廢氣余熱進行發(fā)電的技術思路和實施方案。

　　2002年5月，天津院與上海萬安企業(yè)總公司達成了共識，對該公司日產1350噸的四級旋風預熱器窯實施了純低溫廢氣余熱發(fā)電的技術改造。工程于2002年9月正式動工，2003年5月建成投產，余熱電站裝機容量2.5MW，實際平均發(fā)電能力1800～2100kw，全部采用國產設備和技術。經過一年多的生產運行，主要設備和整個系統(tǒng)基本運轉正常，各項技術經濟指標全部達到設計要求。

　　2003年3月，天津院承擔了廣西魚峰集團有限公司日產3200噸的四級旋風預熱器窯的純低溫余熱電站技改工程的施工圖設計任務(日本川崎公司承擔方案設計及)。工程于2003年7月正式動工，2004年7月建成投產，余熱電站裝機容量6MW，目前主要設備和整個系統(tǒng)運轉正常，各項技術經濟指標完全達到設計要求。

　　至此，以海螺集團寧國水泥廠4000t/d預分解窯配套建設的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)、廣西魚峰集團3200t/d預分解窯配套建設的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)、上海金山水泥廠1350t/d預分解窯配套建設的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，形成了國內純低溫余熱發(fā)電技術及裝備的示范工程。

　　3.1 純低溫余熱電站的系統(tǒng)配置

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

[Page]

　　3.1.1 引進技術和裝備的純低溫余熱電站的系統(tǒng)配置

　　1995年，日本新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構(NEDO)贈送給海螺集團寧國水泥廠一套純低溫余熱發(fā)電設備。

　　寧國水泥廠的水泥生產線為一條4000t/d級的具有四級預熱器的預分解窯。預熱器和冷卻機的出口廢氣流量和溫度分別為258550Nm³/h、370℃左右和306600Nm³/h、238℃左右。針對該條生產線低溫余熱資源的特點，該電站的系統(tǒng)配置及主機設備構成如下：

　?、?采用二級混壓進汽式汽輪機，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行發(fā)電;

　?、?設置具有專利技術的余熱鍋爐，能夠充分回收利用余熱資源：由于PH(預熱器)出口廢氣還要用于原料烘干，所以PH鍋爐采用臥式布置，強制循環(huán)，帶汽包的主要結構;設置機械振打裝置來解決廢氣的粉塵附著問題。無省煤器，只設蒸發(fā)器和過熱器，從而確保出爐煙溫達到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。

　?、?應用熱水閃蒸技術，設置一臺高壓閃蒸器和一臺低壓閃蒸器，閃蒸出的飽和蒸汽混入汽輪機做功;

　?、?對窯頭熟料冷卻機系統(tǒng)進行改造，在冷卻機原有的余風出口加裝閥門，從冷卻機中部抽取 360℃左右的廢氣。

　　⑤ 整個余熱發(fā)電系統(tǒng)采用先進的DCS集散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的操作簡便可靠，并設有完善的報警和保護程序，使整個發(fā)電工藝系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運行。

　　上述技術及關鍵裝備的配置，加上天津水泥工業(yè)設計研究院成功的施工設計和服務，以及寧國水泥廠科學、嚴謹?shù)膬炔抗芾頇C制，自1997年投入正常生產運行以來的業(yè)績表明，以上技術及裝備在寧國水泥廠余熱發(fā)電系統(tǒng)取得了成功的應用。

　　3.1.2 國產化技術和裝備的純低溫余熱電站的系統(tǒng)配置

　　3.1.2.1 上海萬安企業(yè)總公司的水泥生產線為一條1350t/d的四級旋風預熱器窯。預熱器和冷卻機的出口廢氣流量和溫度分別為95000Nm³/h、360～390℃和94000Nm³/h、240℃左右。針對該條生產線的低溫余熱資源、天津院的純低溫余熱發(fā)電技術和國產設備的特點，該電站的系統(tǒng)配置及主機設備構成如下：

　?、?汽輪機為補汽凝汽式汽輪機(雙壓汽輪機)，設計能力2.5MW。利用窯尾余熱鍋爐和窯頭余熱鍋爐產生的低參數(shù)主蒸汽和窯頭余熱鍋爐產生的飽和輔助蒸汽進行發(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，簡化了熱力系統(tǒng)的配置。經過近一年的生產運行，主要設備和整個系統(tǒng)均運轉正常;

　?、?SP余熱鍋爐的設計有獨特之處：立式布置、機械振打、自然循環(huán)。整個鍋爐的振打形式為連續(xù)式，清灰較為均勻，同時設計有合理的灰斗，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機跳停，影響水泥生產。該鍋爐最具特點的地方是采用自然循環(huán)方式，省掉了二臺強制循環(huán)熱水泵，降低了運行成本，提高了系統(tǒng)可靠性。立式的結構形式，在節(jié)約了占地面積的同時，也方便了廢氣管道的布置;

　　③ AQC余熱鍋爐為立式、自然循環(huán)。由于冷卻機廢氣中粉塵粘附性不強，所以不設置清灰裝置。同時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，在AQC余熱鍋爐前端設置了高效沉降室，大大減輕了廢氣對AQC余熱鍋爐的磨損;

　　④ 對篦冷機進行適當改造，在中部設置抽風口，作為AQC余熱鍋爐的取風口，通過對冷卻機原抽風口的風門調節(jié)，保證中部抽風口的廢氣溫度達到350℃以上。改造后實際廢氣參數(shù)為： 40000Nm³/h、350～400℃。窯頭余熱鍋爐為雙壓雙汽包鍋爐，產生的低參數(shù)主蒸汽和飽和輔助蒸汽同時進入汽輪機做功。

　?、?整個余熱發(fā)電系統(tǒng)采用天津院自主開發(fā)的先進的DCS集散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的操作簡便可靠，并設有完善的顯示、記錄、報警和保護程序，使整個發(fā)電工藝系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行;

　?、?兩臺余熱鍋爐的廢氣側都設計有旁路系統(tǒng)，當余熱鍋爐停用時水泥生產系統(tǒng)可正常運行;

　?、?根據該系統(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)運行成本較低;

　　該工程于2003年5月建成投產以來，經過近一年的生產運行，主要設備和系統(tǒng)均運轉正常，電站平均發(fā)電能力1800kw，各項技術經濟指標全部達到設計要求。該工程的建成和順利投運，表明全部采用國產設備和天津院自主擁有的純低溫余熱發(fā)電技術的余熱發(fā)電系統(tǒng)取得了完全的成功。

　　3.1.2.2 廣西魚峰水泥股份有限公司3200t/d水泥生產線正常生產時，其燒成窯尾排放的廢氣為：217200m³/h(標況)—380℃，其燒成窯頭排放的廢氣為：245280 m³/h(標況)—220℃。

　　針對該條生產線的低溫余熱資源、純低溫余熱發(fā)電技術和設備的特點，日本川崎公司方案設計的系統(tǒng)配置及主機設備構成如下：

　?、?根據3200t/d生產線窯頭冷卻機廢氣排放溫度的分布，在滿足熟料冷卻的前提下，對現(xiàn)有冷卻機進行改造，在改造后的冷卻機360℃的廢氣出口設置窯頭余熱鍋爐。該鍋爐分二段設置，一段省煤器出水分為二路，一路作為AQC爐給水，另一路為PH爐鍋筒給水。二段過熱器出口產生的過熱蒸汽與窯尾余熱鍋爐產生的過熱蒸汽并列后進入汽輪機作功。

　　AQC余熱鍋爐(國外技術，國內生產制造)的結構為：立式布置、自然循環(huán)，前端設置了高效沉降室，大大減輕了廢氣對AQC余熱鍋爐的磨損。

　?、?根據3200t/d水泥生產線窯尾工藝流程，在窯尾預熱器和分解爐廢氣出口管道上分別設置PH余熱鍋爐各一臺，兩臺余熱鍋爐共用一個鍋筒。PH余熱鍋爐設有蒸發(fā)器和過熱器，過熱器產生的蒸汽與窯頭AQC余熱鍋爐產生的蒸汽并列后送入汽輪機作功。

　　PH余熱鍋爐(國外技術，國內生產制造，關鍵部件國外引進)的結構為：臥式布置、機械振打、強制循環(huán)。振打形式為連續(xù)式，清灰均勻，

　?、?本工程的余熱回收系統(tǒng)采用了低參數(shù)的汽輪機(國產設備)。額定功率為6MW，汽輪機轉速為3000r/min。調速系統(tǒng)感應機構為電磁式，執(zhí)行機構為液壓傳動式。發(fā)電機轉速為3000r/min、容量為6MW、電壓等級為6kV，通過公司現(xiàn)有110/6kV總降壓變電所與當?shù)仉娋W并網運行。

　?、?低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)由計算機集中控制，操作人員可通過鍵盤發(fā)出指令調整各煙風閥門、汽水閥門的開度等，使整個系統(tǒng)能適應工況變化，使工藝流程能夠長期穩(wěn)定地運行。

　　該工程于2004年7月建成投產以來，主要設備和系統(tǒng)均運轉正常，各項技術經濟指標全部達到設計要求。