淺論余熱發(fā)電工藝和實現(xiàn)最佳效益的有效途徑

  前言

  新型干法水泥熟料生產(chǎn)企業(yè)中由窯頭熟料冷卻機和窯尾預(yù)熱器排出的350℃左右廢氣，其熱能大約為水泥熟料燒成系統(tǒng)熱耗量的35%，低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，可將排放到大氣中占熟料燒成系統(tǒng)熱耗35%的廢氣余熱進行回收，使水泥企業(yè)能源利用率提高到95%以上。項目的經(jīng)濟效益十分可觀。

  我國是世界水泥生產(chǎn)和消費的大國，近年來新型干法水泥生產(chǎn)發(fā)展迅速，技術(shù)、設(shè)備、管理等方面日漸成熟。目前國內(nèi)已建成運行了大量2000t/d以上熟料生產(chǎn)線，新型干法生產(chǎn)線與其他窯型相比在熱耗方面有顯著的降低，但新型干法水泥生產(chǎn)對電能的消耗和依賴依然強勁，因此，新型干法水泥總量的增長對水泥工業(yè)用電總量的增長起到了推動作用，一定程度上加劇了電能的供應(yīng)緊張局面。國內(nèi)由于經(jīng)濟潛力增長加劇了電力短缺的矛盾，刺激了煤電項目的增長，一方面煤電的發(fā)展會加速煤炭這種有限資源的開采、消耗，另一方面煤電生產(chǎn)產(chǎn)生大量的CO₂等溫室氣體，加劇了對大氣的環(huán)境污染。因此在水泥業(yè)發(fā)展余熱發(fā)電項目是行業(yè)及國家經(jīng)濟發(fā)展的必然。此外，為了提高企業(yè)的市場競爭力，擴大產(chǎn)品的盈利空間，國內(nèi)的許多水泥生產(chǎn)企業(yè)在建設(shè)熟料生產(chǎn)線的同時，也紛紛規(guī)劃實施余熱發(fā)電項目。

  隨著世界經(jīng)濟快速發(fā)展、新型節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用，充分利用有限的資源和發(fā)展水泥窯余熱發(fā)電項目已經(jīng)成為水泥業(yè)發(fā)展的一種趨勢，也完全符合國家產(chǎn)業(yè)政策。

  1背景

  新型干法水泥熟料生產(chǎn)企業(yè)中由窯頭熟料冷卻機和窯尾預(yù)熱器排出的350℃左右廢氣，其熱能大約為水泥熟料燒成系統(tǒng)熱耗量的35%，低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，可將排放到大氣中占熟料燒成系統(tǒng)熱耗35%的廢氣余熱進行回收，使水泥企業(yè)能源利用率提高到95%以上。項目的經(jīng)濟效益十分可觀。

  水泥制造業(yè)是一個高能耗產(chǎn)業(yè)，不僅每年要消耗大量的煤炭等一次能源（每噸水泥熟料消耗燃料折標準煤為100～115kg），而且還要消耗大量的二次能源—電力（每噸水泥約消耗90～115kwh），雖然隨著水泥煅燒技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)熱效率得到了較大地提高，但由窯尾預(yù)熱器、窯頭熟料冷卻機等排掉的400℃以下低溫廢氣余熱，其熱量仍約占水泥熟料燒成總耗熱量35%以上，造成的能源浪費非常嚴重，如果將排掉的400℃以下低溫廢氣余熱轉(zhuǎn)換為電能并回用于水泥生產(chǎn)，可使水泥熟料生產(chǎn)綜合電耗降低60%或水泥生產(chǎn)綜合電耗降低30%以上，可以大幅減少向水泥生產(chǎn)企業(yè)的購電量，并且可避免水泥窯廢氣余熱直接排入大氣造成的熱島現(xiàn)象，同時由于減少了水泥生產(chǎn)企業(yè)的燃料消耗，可減少CO₂等燃燒廢物的排放而有利于保護環(huán)境。

  2余熱發(fā)電簡介及原理

  即在新型干法生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中，通過余熱回收裝置——余熱鍋爐將水泥窯窯頭、窯尾排出大量低品位的廢氣余熱進行回收換熱產(chǎn)生過熱蒸氣和飽或蒸汽推動汽輪機實現(xiàn)熱能——機械能的轉(zhuǎn)換，再帶動發(fā)電機發(fā)出電能，并供給水泥生產(chǎn)過程中的用電負荷。

  純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的基本原理就是以30℃左右的軟化水經(jīng)除氧器除氧后，經(jīng)水泵加壓進入窯頭余熱鍋爐省煤器，加熱成190℃左右的飽和水，分成兩路，一路進入窯頭余熱鍋爐汽包，另一路進入窯尾余熱鍋爐汽包，然后依次經(jīng)過各自鍋爐的蒸發(fā)器，過熱器產(chǎn)生1.2MPa、310℃左右的過熱蒸汽，匯合后進入汽輪機作功，作功后的乏汽進入冷凝器，冷凝后的水和補充軟化水經(jīng)除氧器除氧后再進入下一個熱力循環(huán)。

  3 水泥余熱發(fā)電生產(chǎn)工藝及控制

  水泥余熱發(fā)電，隨著熟料生產(chǎn)工藝線的不同，一般有兩種窯型，三種發(fā)電模式。

  采用立式余熱鍋爐和補汽式汽輪發(fā)電機組的二級余熱發(fā)電系統(tǒng)。立式余熱鍋爐徹底解決了臥式余熱鍋爐漏風(fēng)及爐內(nèi)溫度場實際分布與鍋爐設(shè)計時所假想的溫度完全不相同的問題，可以大大提高鍋爐蒸汽產(chǎn)量；篦冷機或立式余熱鍋爐排出的300℃左右廢氣余熱可以充分回收并用以發(fā)電。這樣可使噸熟料余熱發(fā)電量在熟料熱耗不變的前提下提高到195千瓦小時以上，使水泥窯綜合能耗達到同規(guī)模預(yù)分解窯的能耗水平。

  為了克服帶補燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)存在的缺點，采用補汽式汽輪機組，充分回收200℃以下的廢氣余熱，同時補燃鍋爐應(yīng)當以煤矸石等劣質(zhì)煤或垃圾為燃料，除節(jié)約優(yōu)質(zhì)煤外，還可為水泥生產(chǎn)提供原料，降低發(fā)電成本，進一步提高經(jīng)濟效益。

  ⑴中控窯高溫余熱發(fā)電

  ⑵預(yù)分解窯及帶補燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電

  ⑶純低溫余熱發(fā)電

  中低溫余熱發(fā)電主要是回收利用預(yù)分解窯或懸浮預(yù)熱器窯窯頭冷卻機300℃廢氣、窯尾400℃廢氣，用于發(fā)電或熱電聯(lián)供。

  余熱電站涉及到的控制系統(tǒng)主要是MCS（模擬量控制）和SCS（順序控制），在控制方案中，邏輯（順序）控制占多數(shù)，主要是各電器設(shè)備的邏輯啟停；模擬量控制回量以常規(guī)PID為主，水位控制以減溫水控制回路以串級控制算法為主。

  窯頭篦冷機和窯尾預(yù)熱器來的廢氣，通過鍋爐與鍋爐內(nèi)布置的過熱器、蒸發(fā)器、省煤器產(chǎn)生熱交換，加熱水產(chǎn)生高壓飽和蒸汽，帶動汽輪機轉(zhuǎn)動做功，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。一般主機為兩臺余熱鍋爐(窯頭AQC鍋爐和窯尾SP鍋爐)和一套汽輪發(fā)電機組。為減輕廢氣對AQC鍋爐的磨損，在鍋爐前設(shè)置了沉降室、AQC爐輸灰系統(tǒng)除去煙氣中的粉塵，SP爐設(shè)機械振打解決粉塵附著問題。AQC省煤器出水分兩路：一路進入AQC汽包，另一路進SP鍋爐省煤器。AQC鍋爐產(chǎn)生的主蒸氣和SP鍋爐產(chǎn)生的主蒸氣混合后進汽輪機進汽口。SP鍋爐汽包進水由AQC省煤器供給，當AQC鍋爐未投用時也可由鍋爐給水泵直接供給而獨立運行。兩臺鍋爐都設(shè)計有旁路系統(tǒng)，當鍋爐停用時水泥生產(chǎn)系統(tǒng)可正常運行。

  主蒸汽溫度、壓力及汽包壓力的檢測。

  汽包水位的三沖量控制：以汽包水位作為主調(diào)，以主蒸汽流量和給水量為參考的三沖量液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在三參數(shù)液位調(diào)節(jié)時，如果產(chǎn)汽量或給水量發(fā)生變化，在液位未變化前就調(diào)整給水量，以保證汽包液位穩(wěn)定，特別是能克服產(chǎn)氣量突然增加造成汽包假液位現(xiàn)象。

  窯頭余熱鍋爐輸灰系統(tǒng)：AQC爐星型下料器、AQC爐鏈式輸送機的順序起停（由后向前開，由前向后關(guān)），以及故障保護（當后面的電機出現(xiàn)故障時，前面的電機必須停）汽包水位報警。

  主蒸汽溫度、壓力及汽包壓力的檢測。

  汽包水位的三沖量控制：以汽包水位作為主調(diào)，以主蒸汽流量和給水量為參考的三沖量液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在三參數(shù)液位調(diào)節(jié)時，如果產(chǎn)汽量或給水量發(fā)生變化，在液位未變化前就調(diào)整給水量，以保證汽包液位穩(wěn)定，特別是能克服產(chǎn)氣量突然增加造成汽包假液位現(xiàn)象,汽包水位報警。

  凝結(jié)水泵、給水泵、循環(huán)水泵各兩臺，分別是一用一備的關(guān)系，當聯(lián)鎖投上,工作泵出現(xiàn)故障跳閘時，備用泵自動啟動。

  熱井水位控制（單回路PID）。

  主氣門開關(guān)報警。

  汽機軸向位移報警、汽機轉(zhuǎn)速報警、汽機潤滑油壓報警、汽機前后軸承溫度報警。

  汽機、發(fā)電機前后軸承回油溫度檢測。

  凝汽器壓力報警。

  ?發(fā)電機進風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度報警。

  電動油泵與主油泵出口油壓間的聯(lián)鎖。

  4 主機設(shè)備工作原理

  4.1 余熱鍋爐

  余熱鍋爐：AQC爐和SP爐

  AQC鍋爐的設(shè)計特點如下：鍋爐型式為立式,鍋爐由省煤器、蒸發(fā)器、過熱器、汽包及熱力管道等構(gòu)成。鍋爐前設(shè)置一預(yù)除塵器（沉降室），降低入爐粉塵。廢氣流動方向為自上而下,換熱管采用螺旋翅片管，以增大換熱面積、減少粉塵磨損的作用。鍋爐內(nèi)不易積灰，由煙氣帶走，故未設(shè)置除灰裝置，工質(zhì)循環(huán)方式為自然循環(huán)方式。過熱器作用：將飽和蒸汽變成過熱蒸汽的加熱設(shè)備，通過對蒸汽的再加熱，提高其過熱度（溫度之差），提高其單位工質(zhì)的做功能力。蒸發(fā)器作用：通過與煙氣的熱交換，產(chǎn)生飽和蒸汽。

  省煤器作用：設(shè)置這樣一組受熱面，對鍋爐給水進行預(yù)熱，提高給水溫度，避免給水進入汽包，冷熱溫差過大，產(chǎn)生過大熱應(yīng)力對汽包安全形成威脅，同時也避免汽包水位波動過大，造成自動控制困難。一方面最大限度地利用余熱，降低排煙溫度，另一方面，給水預(yù)熱后形成高溫高壓水，作為閃蒸器產(chǎn)生飽和蒸汽的熱源。

  沉降室作用：利用重力除塵的原理將煙氣中的大顆粒熟料粉塵收集，避免粉塵對鍋爐受熱面的沖刷、磨損。

  SP鍋爐的設(shè)計特點如下:鍋爐型式為立式,鍋爐由蒸發(fā)器、過熱器、汽包及熱力管道構(gòu)成，廢氣流動方向為自上而下流動,換熱管采用蛇形光管，以防止積灰。因生料具有粘附性，故鍋爐設(shè)置振打裝置進行除灰,工質(zhì)循環(huán)為采用循環(huán)泵進行自然循環(huán)方式。

  4.2 汽輪機

  汽輪機是用具有一定溫度和壓力的蒸汽來做功的回轉(zhuǎn)式原動機。依其做功原理的不同，可分為沖動式汽輪機和反動式汽輪機兩種類型。兩種型式汽輪機各具特點，各有其發(fā)展的空間。

  ⑴沖動式汽輪機：蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿倪^程，僅在噴嘴中發(fā)生，而工作葉片只是把蒸汽的動能轉(zhuǎn)變成機械能的汽輪機。即蒸汽僅在噴嘴中產(chǎn)生壓力降，而在葉片中不產(chǎn)生壓力降。

  ⑵反動式汽輪機：蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿倪^程，不僅在噴嘴中發(fā)生，而且在葉片中也同樣發(fā)生的汽輪機。即蒸汽不僅在噴嘴中進行膨脹，產(chǎn)生壓力降，而且在葉片中也進行膨脹，產(chǎn)生壓力降。

  沖動式與反動式在構(gòu)造上的主要區(qū)別在于：

  ⑴沖動式：動葉片出、入口側(cè)的橫截面相對比較勻稱，汽流通道從入口到出口其面積基本不變。

  ⑵反動式：動葉片出、入口側(cè)的橫截面不對稱，葉型入口較肥大，而出口側(cè)較薄，汽流通道從入口到出口呈漸縮狀。

  最簡單的汽輪機單級汽輪機結(jié)構(gòu)，工作原理為：具有一定壓力和溫度的蒸汽通入噴嘴膨脹加速，此時蒸汽壓力、溫度降低，速度增加，蒸汽熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，然后，具有較高速度的蒸汽由噴嘴流出，進入動葉片流道，在彎曲的動葉片流道內(nèi)，改變汽流方向，給動葉片以沖動力，產(chǎn)生了使葉輪旋轉(zhuǎn)的力矩，帶動主軸旋轉(zhuǎn)，輸出機械功，完成動能到機械能的轉(zhuǎn)換。

  熱能→動能→機械能，這樣一個能量轉(zhuǎn)換的過程，便構(gòu)成了汽輪機做功的基本單元，通常稱這個做功單元為汽輪機的級，它是由一列噴嘴葉柵和其后緊鄰的一列動葉柵所構(gòu)成。

  由于單級汽輪機的功率較小，且損失大，故使汽輪機發(fā)出更大功率，需要將許多級串聯(lián)起來，制成多級汽輪機。

  汽輪機分類按熱力過程可分為：

  ⑴凝汽式汽輪機：進入汽輪機做功的蒸汽，除少量漏汽外，全部或大部分排入凝汽器，形成凝結(jié)水。

  ⑵背壓式汽輪機：蒸汽在汽輪機內(nèi)做功后，以高于大氣壓力被排入排汽室，以供熱用戶采暖和工業(yè)用汽。

  ⑶調(diào)整抽汽式汽輪機：將部分做過功的蒸汽以某種壓力下抽出，供工業(yè)用或采暖用。

  ⑷中間再熱式汽輪機：將在汽輪機高壓缸做完功的蒸汽，再送回鍋爐過熱器加熱到新蒸汽溫度，回中、低壓缸繼續(xù)做功。

  按蒸汽初蒸汽分類：

  ①低壓汽輪機：新汽壓力為1.2～1.5MPa；②中壓汽輪機：新汽壓力為2.0～4.0MPa； ③次高壓汽輪機：新汽壓力為5.0～6.0MPa；④高壓汽輪機：新汽壓力為6.0～10.0MPa；還有超高壓、亞臨界壓力、超臨界壓力汽輪機等等。

  4.3 發(fā)電機

  余熱發(fā)電所用汽輪發(fā)電機為三相交流同步發(fā)電機，型式為臥式，無刷勵磁全封閉式。通風(fēng)冷卻，全封閉水冷熱交換器型，采用空氣冷卻方式。發(fā)電機額定參數(shù)：額定功率，額定電壓，額定電流，額定頻率：50HZ，極數(shù)4P，功率因數(shù)：80%滯后，勵磁方式：旋轉(zhuǎn)整流器式無刷勵磁方式，絕緣等級：F級，潤滑方式：強制潤滑。

  4.4 冷卻水系統(tǒng)

  冷卻水系統(tǒng)的作用主要是為凝汽器及其他冷卻設(shè)備提供冷卻循環(huán)用水。包括三臺冷卻水泵和一套強制通風(fēng)冷卻塔及相應(yīng)的冷卻水管道等。三臺冷卻水泵日常一備兩用，采用強制通風(fēng)冷卻塔在場地受到限制的情況下可以大大減少占地面積，另外還可以減少初期投資；但因采用風(fēng)扇強制通風(fēng)，故廠用電量增加，同時增加了日常維護工作量。

  組成主要有冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇、集水槽、散水嘴、散水管、填料、分離器和相應(yīng)的連接管道等。

  冷卻風(fēng)扇：對冷卻塔內(nèi)進行強制通風(fēng)，對冷卻水進行強制換熱。散水嘴與散水管：將循環(huán)冷卻水呈水滴狀均勻地灑向填料層。填料：將散水嘴噴射出的水滴在填料的表面形成水膜，增大冷卻面積。

  分離器：防止散水嘴噴射出的水滴因強制通風(fēng)造成飛沫損失，從而降低循環(huán)冷卻水損失。

  5 提高余熱發(fā)電發(fā)電量的措施

  1）避免鍋爐漏風(fēng)；

  鍋爐漏風(fēng)對余熱發(fā)電的經(jīng)濟性影響很大，對安全性影響小一些。由于漏風(fēng)會造成部分換熱損失、增加過?？諝庀禂?shù)會相應(yīng)提高耗電、過?？諝庀禂?shù)過高還會導(dǎo)致排煙熱損失增加。在安全方面，如果漏風(fēng)會導(dǎo)致局部溫度升高，對鍋爐巡檢人員造成燙傷，局部溫度升高或降低還會破壞自然水循環(huán)，可能會產(chǎn)生局部過熱，但這種可能性不大。

  2）加強熱風(fēng)管、鍋爐、蒸汽管道等的保溫，降低熱損；

  保溫效果的好壞直接影響到發(fā)電量的多少，保溫效果越好，熱損失越小，發(fā)電量越高。

  3）加強篦冷機的操作控制，提高料層厚度，盡可能提高進鍋爐的氣體溫度；

  合理控制篦冷機運轉(zhuǎn)速度的快慢和料層的速度，使AQC鍋爐入口煙氣保持一個相對穩(wěn)定且較為高的溫度。

  4）調(diào)整配料，避免熟料結(jié)大塊；

  因為結(jié)大塊的熟料，表面溫度降得快，但內(nèi)部溫度依然很高，冷卻的結(jié)果是進鍋爐的氣體溫度偏低，從而影響發(fā)電量；

  5）汽輪機的真空度、汽耗率等對汽輪機發(fā)電量有很大的影響；

  汽輪機運行中，凝汽器真空下降的主要象征為：排汽室溫度升高；真空表指示下降和凝汽器端差明顯增大。真空下降后，若保持機組負荷不變，汽輪機進汽量勢必增大，使軸向推力增大以及葉片過負荷；不僅如此，由于真空下降，使排汽室溫度升高，從而引起：排汽缸變形，機組中心偏移，使機組產(chǎn)生振動以及凝汽器銅管因受熱膨脹產(chǎn)生松弛、變形甚至斷裂。

  6）采用窯頭循環(huán)冷卻的技術(shù)，可以有效提高進鍋爐的氣體溫度；

  可以將窯頭進入除塵器之前的部分廢氣引入冷卻風(fēng)機的入口，提高冷卻風(fēng)的溫度，從而提高鍋爐入口的煙氣溫度

  7）提高閥位控制的行程

  有的汽輪機廠家為了汽輪機的安全性，調(diào)低了調(diào)節(jié)汽閥的行程，即使壓力和溫度都達到了一定的高度，而調(diào)節(jié)汽閥已經(jīng)達到了廠家調(diào)節(jié)的開度，負荷也不能再增加了。造成了多余的煙氣白白流失。