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（以下簡稱哈鍋）自1980年以來較早預(yù)見水泥行業(yè)余熱利用的發(fā)展趨勢，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)簡介
　　在中空窯的余熱發(fā)電技術(shù)中，單臺水泥窯余熱發(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)，為后來水泥窯低溫余熱發(fā)電技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。從數(shù)十臺該型余熱鍋爐的實(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)末已在國內(nèi)為水泥熟料產(chǎn)量700 T/D-5000T/D各種規(guī)格型號的水泥窯設(shè)計(jì)制造了單臺機(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℃，通過余熱鍋爐回收其中的余熱產(chǎn)生一定流量過熱蒸汽溫度為330-400℃，壓力為1.6MPa-2.45 MPa，同時產(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)在國內(nèi)近兩年才得以大力推廣應(yīng)用。
　　對于帶補(bǔ)燃鍋爐的余熱發(fā)電系統(tǒng)，所用余熱來源與不帶補(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，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)我國當(dāng)時大型水泥企業(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，余熱多來源于溫度400℃以下的廢氣，而當(dāng)時我國的低溫閃蒸發(fā)電技術(shù)在我國還不成熟，國家有關(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。被評為國家八.五攻關(guān)科技成果重大成果一等獎。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)簡介
　　哈鍋的純低溫余熱發(fā)電鍋爐是在國內(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臺余熱鍋爐。以2500t/d水泥窯配套的余熱鍋爐為例簡單介紹：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)線上配置一臺窯頭余熱鍋爐和一臺窯尾余熱鍋爐，窯尾余熱鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽進(jìn)入一臺雙進(jìn)汽汽輪機(jī)的主汽口進(jìn)行發(fā)電，兩臺余熱鍋爐的部分熱水抽出后分別引入同一臺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，給純低溫余熱鍋爐的余熱利用帶來了很多困難。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)會降低余熱利用率，因此如何解決鍋爐的漏風(fēng)和積灰問題成為鍋爐設(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，對受熱面的磨損比較嚴(yán)重，解決窯頭余熱鍋爐的磨損問題成為余熱利用的難點(diǎn)之一。
5.結(jié)束語
　　 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)。