低溫余熱發(fā)電鍋爐技術(shù)的開發(fā)與實(shí)踐

摘要：本文闡述了哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司水泥窯余熱鍋爐技術(shù)的發(fā)展歷程，低溫余熱鍋爐的技術(shù)參數(shù)及純低溫余熱鍋爐的面臨技術(shù)難點(diǎn)。
1．前言
　　水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)隨水泥工業(yè)技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步，哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱哈鍋）自1980年以來(lái)較早預(yù)見水泥行業(yè)余熱利用的發(fā)展趨勢(shì)，一直致力于水泥窯余熱鍋爐技術(shù)及產(chǎn)品的開發(fā)與研究，余熱鍋爐技術(shù)在多次經(jīng)歷失敗和挫折后也得到了較大的發(fā)展，先后開發(fā)了中空窯高溫余熱鍋爐、低溫帶補(bǔ)燃余熱鍋爐、純低溫余熱鍋爐系列產(chǎn)品。
2.水泥窯余熱鍋爐技術(shù)簡(jiǎn)介
　　在中空窯的余熱發(fā)電技術(shù)中，單臺(tái)水泥窯余熱發(fā)電功率小于7000KW，余熱鍋爐蒸汽參數(shù)：壓力≤3.82MPa，溫度≤450℃，余熱鍋爐進(jìn)口廢氣溫度為500-900℃。這一時(shí)期哈鍋配套開發(fā)的高溫余熱鍋爐成功應(yīng)用于大連水泥廠、蘇州南新水泥公司、偃師水泥廠等幾十個(gè)水泥廠，取得了良好的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)的成功運(yùn)用為余熱鍋爐技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為后來(lái)水泥窯低溫余熱發(fā)電技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。從數(shù)十臺(tái)該型余熱鍋爐的實(shí)踐中摸清了中空窯余熱鍋爐的漏風(fēng)、磨損、積灰的機(jī)理并找到了相應(yīng)的解決措施。
　　隨著預(yù)分解窯技術(shù)在中國(guó)的推廣和應(yīng)用，哈鍋和天津水泥設(shè)計(jì)研究院合作于二十世紀(jì)八十年代末期開始開發(fā)、研制預(yù)分解窯余熱發(fā)電系統(tǒng)及設(shè)備，至二十世紀(jì)末已在國(guó)內(nèi)為水泥熟料產(chǎn)量700 T/D-5000T/D各種規(guī)格型號(hào)的水泥窯設(shè)計(jì)制造了單臺(tái)機(jī)組發(fā)電功率為4500KW-12000KW系列余熱鍋爐產(chǎn)品。在預(yù)分解窯余熱發(fā)電技術(shù)中又分為兩種類型；其一為不帶補(bǔ)燃鍋爐的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，其二為帶補(bǔ)燃鍋爐的低溫余熱發(fā)電技術(shù)。
　　對(duì)于不帶補(bǔ)燃鍋爐的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)廢氣溫度和廢氣量的不同，余熱發(fā)電系統(tǒng)的余熱發(fā)電能力也不同，當(dāng)窯尾預(yù)熱器排出的廢氣溫度為350?430℃、窯頭熟料冷卻機(jī)排掉的廢氣溫度為200?360℃，通過(guò)余熱鍋爐回收其中的余熱產(chǎn)生一定流量過(guò)熱蒸汽溫度為330-400℃，壓力為1.6MPa-2.45 MPa，同時(shí)產(chǎn)生低壓飽和蒸汽作為補(bǔ)汽進(jìn)入汽輪機(jī)。在不改變水泥窯系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備、不影響水泥生產(chǎn)中的物料烘干、不增加熟料熱耗的條件下，每噸水泥熟料的余熱發(fā)電能力為22-35KW。由于受到補(bǔ)汽式汽輪機(jī)技術(shù)及其它經(jīng)濟(jì)因素的制約，此項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)近兩年才得以大力推廣應(yīng)用。
　　對(duì)于帶補(bǔ)燃鍋爐的余熱發(fā)電系統(tǒng)，所用余熱來(lái)源與不帶補(bǔ)燃鍋爐的余熱發(fā)電系統(tǒng)相同，不同之處在于在不帶補(bǔ)燃鍋爐的余熱發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)串接補(bǔ)燃鍋爐。串接補(bǔ)燃鍋爐后，不僅余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率大幅度提高，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益相應(yīng)增加，而且該發(fā)電系統(tǒng)可以不因水泥窯停運(yùn)而停運(yùn)、補(bǔ)燃鍋爐排出的灰渣又可以用于生產(chǎn)水泥，發(fā)電能力可以根據(jù)水泥生產(chǎn)的需要而適當(dāng)調(diào)節(jié)。另外由于補(bǔ)燃鍋爐多采用流化床鍋爐，在燃用劣質(zhì)高硫煤情況下，該系統(tǒng)又具有環(huán)保和資源綜合利用的優(yōu)勢(shì)，因此帶補(bǔ)燃鍋爐的低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)近十幾年我國(guó)的余熱發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其中哈鍋設(shè)計(jì)制造的該型余熱鍋爐在河北冀東水泥廠，山東魯南水泥廠，北京琉璃河水泥廠, 湖北葛洲壩股份公司水泥廠，牡丹江水泥廠，河北太行水泥廠等十二家水泥生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)運(yùn)行，這些工程投入運(yùn)行后產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
3.帶補(bǔ)燃的余熱發(fā)電鍋爐
　　八.五期間，根據(jù)我國(guó)當(dāng)時(shí)大型水泥企業(yè)的余熱利用中水泥窯的類型多為懸浮預(yù)熱器和窯外預(yù)分解窯的技術(shù)的實(shí)際情況，余熱多來(lái)源于溫度400℃以下的廢氣，而當(dāng)時(shí)我國(guó)的低溫閃蒸發(fā)電技術(shù)在我國(guó)還不成熟，國(guó)家有關(guān)部門決定將帶補(bǔ)燃鍋爐的余熱發(fā)電系統(tǒng)作為國(guó)家八.五重點(diǎn)攻關(guān)課題優(yōu)先予以開發(fā)，由天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院、哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司（即哈爾濱鍋爐廠）、山東魯南水泥廠共同攻關(guān)。天津院負(fù)責(zé)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，哈鍋負(fù)責(zé)余熱鍋爐和補(bǔ)燃鍋爐的設(shè)計(jì)開發(fā)和制造，由魯南水泥廠負(fù)責(zé)工程具體實(shí)施。此工程在1996年11月完成，正式并網(wǎng)發(fā)電，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到攻關(guān)目標(biāo)，取得了良好效果。被評(píng)為國(guó)家八.五攻關(guān)科技成果重大成果一等獎(jiǎng)。此后將煤粉補(bǔ)燃鍋爐改為流化床補(bǔ)燃鍋爐使該技術(shù)的水平進(jìn)一步提高，使哈鍋的該技術(shù)在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。
　　該系統(tǒng)主要利用預(yù)分解窯窯尾懸浮預(yù)熱器（Suspension preheater，簡(jiǎn)稱SP）的320℃～400℃的廢氣余熱產(chǎn)生中壓飽和蒸汽及熱水,然后將其引入補(bǔ)燃鍋爐，通過(guò)補(bǔ)燃鍋爐將蒸汽參數(shù)提高到汽輪機(jī)所需參數(shù)；其次，利用熟料篦式冷卻機(jī)（Air Quenching Cooler，簡(jiǎn)稱AQC） 200℃左右的廢氣生產(chǎn)低壓飽和蒸汽及80～120℃的熱水，為鍋爐給水除氧并取代汽輪機(jī)回?zé)岢槠?，降低汽輪機(jī)的汽耗。此系統(tǒng)見圖：

      
　　配套設(shè)計(jì)的余熱鍋爐是在已有余熱鍋爐的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，合理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括煙速的選擇、傳熱系數(shù)的選擇、溫壓的選取、受熱面結(jié)構(gòu)形式的選擇、積灰和磨損的結(jié)構(gòu)處理等。
　　窯尾余熱鍋爐均采用立式布置，一般分為蒸汽段和熱水段，其中蒸汽段對(duì)流管束內(nèi)工質(zhì)循環(huán)方式為強(qiáng)制循環(huán)。窯頭余熱鍋爐采用立式布置，為解決受熱面磨損的問(wèn)題，鍋爐受熱面采用膜式結(jié)構(gòu)，受熱面的彎頭區(qū)采取了有效的防磨措施。此類產(chǎn)品的成功開發(fā)為以后開展純低溫余熱鍋爐研制積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
 4.純低溫余熱發(fā)電鍋爐
 4.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介
　　哈鍋的純低溫余熱發(fā)電鍋爐是在國(guó)內(nèi)蒸汽/熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)得到成功應(yīng)用后，首先與北京華效資源有限公司合作為山東某水泥有限公司2500t/d、5000t/d窯外分解窯蒸汽/熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電工程配套設(shè)計(jì)制造4臺(tái)余熱鍋爐。以2500t/d水泥窯配套的余熱鍋爐為例簡(jiǎn)單介紹：該工程采用蒸汽/熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)，在2500 t/d水泥生產(chǎn)線上配置一臺(tái)窯頭余熱鍋爐和一臺(tái)窯尾余熱鍋爐，窯尾余熱鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽進(jìn)入一臺(tái)雙進(jìn)汽汽輪機(jī)的主汽口進(jìn)行發(fā)電，兩臺(tái)余熱鍋爐的部分熱水抽出后分別引入同一臺(tái)閃蒸器中閃蒸出低壓飽和蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)的補(bǔ)汽口輔助發(fā)電。該系統(tǒng)見下圖：

    
　　純低溫余熱發(fā)電鍋爐從窯頭窯尾余熱鍋爐整體合理的布置形式、受熱面管束的布置、煙氣速度的選取、以及如何解決鍋爐的磨損、積灰和漏風(fēng)等問(wèn)題。從低溫帶補(bǔ)燃余熱鍋爐實(shí)踐中借鑒到較豐富實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。
4.2  2500t/d窯配套的純低溫余熱鍋爐技術(shù)參數(shù)如下：
　　窯尾余熱鍋爐
　　廢氣溫度：                  420℃
　　廢氣流量：                  168000 Nm3/h
　　鍋爐出口蒸汽流量：          20t/h
　　鍋爐出口蒸汽壓力：          2.5MPa(g)
　　鍋爐出口蒸汽溫度：          400℃
　　省煤器出口總流量：          40 t/h
　　給水溫度：                  205℃
　　窯頭余熱鍋爐
　　廢氣溫度:                    225℃
　　廢氣流量：                   140200 Nm3/h
　　鍋爐出口熱水流量：           45t/h
　　鍋爐出口熱水壓力：           2.8MPa(a)
　　鍋爐出口熱水溫度：           205℃
　　給水溫度：                   80℃
4.3主要技術(shù)難點(diǎn)
　　由于水泥窯的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)方法、原料、燃料條件的變化，其產(chǎn)生的煙氣余熱的品質(zhì)隨之產(chǎn)生很大的波動(dòng)，給純低溫余熱鍋爐的余熱利用帶來(lái)了很多困難。因?yàn)榧兊蜏赜酂徨仩t應(yīng)盡可能適應(yīng)水泥窯的變化，產(chǎn)生穩(wěn)定的蒸汽參數(shù)，對(duì)汽輪機(jī)產(chǎn)生較小的影響。因此充分了解低溫余熱煙氣特性是非常重要的，余熱鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采取必要的措施適應(yīng)窯尾煙氣的特點(diǎn)和發(fā)電系統(tǒng)工藝要求，最大限度的利用煙氣的余熱，如何解決此問(wèn)題是純低溫余熱鍋爐設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。
　　其次由于窯尾余熱鍋爐的煙氣含塵量大，粉塵細(xì)，容易在鍋爐受熱面上積灰，影響鍋爐受熱面的傳熱效果，致使鍋爐出力降低，此外漏風(fēng)會(huì)降低余熱利用率，因此如何解決鍋爐的漏風(fēng)和積灰問(wèn)題成為鍋爐設(shè)計(jì)又一難點(diǎn)。
　　再次，雖然窯頭鍋爐的空氣含塵量較小，但由于粉塵主要是熟料粉塵，粉塵顆粒比較硬，對(duì)受熱面的磨損比較嚴(yán)重，解決窯頭余熱鍋爐的磨損問(wèn)題成為余熱利用的難點(diǎn)之一。
5.結(jié)束語(yǔ)
　　 綜上所述，中空窯余熱鍋爐在解決水泥生產(chǎn)與電力供求矛盾方面做出了貢獻(xiàn)，預(yù)分解窯低溫余熱發(fā)電鍋爐，利用低溫余熱，既提高了余熱發(fā)電量，又能降低用電成本，為企業(yè)帶來(lái)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。低溫余熱利用中的帶補(bǔ)燃的余熱鍋爐技術(shù)已趨成熟，純低溫余熱發(fā)電鍋爐技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，純低溫余熱發(fā)電鍋爐技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善將是今后幾年相關(guān)人員面臨的主要任務(wù)。