提高水泥窯純低溫余熱發(fā)電能力的措施

摘要：本文通過對目前我國新型干法水泥窯純低溫余熱發(fā)電幾種熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)、廢氣取熱方式的特點及存在主要問題的分析、比較，結(jié)合可利用的水泥窯余熱實際情況，提出了提高型水泥窯純低溫余熱發(fā)電的熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式。在我國水泥工業(yè)工藝及裝備技術(shù)得以迅速發(fā)展、百數(shù)十條日產(chǎn)數(shù)千噸級大型干法水泥熟料生產(chǎn)線陸續(xù)投產(chǎn)的情況下，本文對純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的工程設(shè)計、裝備開發(fā)及推廣、應(yīng)用、發(fā)展、提高將有一定的參考作用。

1、前言
　　近年來，隨著我國水泥工業(yè)工藝及裝備技術(shù)得以迅速發(fā)展，百數(shù)十條數(shù)千噸級新型干法水泥熟料生產(chǎn)線（簡稱水泥窯）的陸續(xù)投產(chǎn)，為水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了市場條件。在這個背景條件下，目前國內(nèi)具有水泥窯余熱發(fā)電工程設(shè)計、技術(shù)開發(fā)能力的數(shù)家單位，以利用日本KHI技術(shù)及設(shè)備建設(shè)的安徽寧國水泥廠、廣西柳州水泥廠純低溫余熱電站為藍本，推出了幾種水泥窯純低溫余熱發(fā)電的熱力循環(huán)系統(tǒng)并已在上海萬安企業(yè)1400t/d預(yù)分解窯、江西萬年2000t/d預(yù)分解窯上實際應(yīng)用?？紤]目前國內(nèi)陸續(xù)投產(chǎn)的大型水泥窯技術(shù)及裝備的變化并結(jié)合國內(nèi)火力發(fā)電設(shè)備設(shè)計制造現(xiàn)狀，對水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電應(yīng)采用的熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式進行深入的研究分析從而進一步提高我國純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備水平、充分合理利用余熱盡而提高余熱發(fā)電能力是非常必要的。
2、目前我國純低溫余熱發(fā)電技術(shù)采用的幾種熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式的特點及存在的主要問題
　　目前水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)中熱力循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)成、循環(huán)參數(shù)及熟料冷卻機、窯尾預(yù)熱器廢氣取熱方式有如下三種：
　　其一：不補汽式純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式，見圖1。
　　其二：復(fù)合閃蒸補汽式純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式，見圖2。
　　其三：多壓補汽式純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式，見圖3。

圖1：不補汽式純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式

圖2：復(fù)合閃蒸補汽式純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式

圖3：多壓補汽式純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)及廢氣取熱方式

2.1 上述熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式的主要特點：
　　(1)僅在水泥窯窯頭熟料冷卻機中部設(shè)一個抽取冷卻機廢氣的抽廢氣口，根據(jù)水泥窯規(guī)模的不同，抽取的廢氣溫度在250～400℃范圍內(nèi)。利用抽取的廢氣設(shè)置窯頭熟料冷卻機余熱鍋爐（簡稱AQC爐），AQC爐生產(chǎn)0.8～1.6Mpa—飽和溫度～360℃的蒸汽或同時生產(chǎn)0.1～0.5Mpa—飽和溫度至180℃的低壓低溫蒸汽、85～200℃的熱水。
　　(2)僅利用水泥窯窯尾預(yù)熱器排出的250～400℃廢氣余熱設(shè)置窯尾預(yù)熱器余熱鍋爐（簡稱SP爐或PH爐），SP爐生產(chǎn)0.8～1.6Mpa—飽和溫度至360℃的蒸汽。
　　(3)將AQC爐、SP爐生產(chǎn)的0.8～1.6MPa蒸汽及AQC爐生產(chǎn)的0.1～0.5Mpa蒸汽或AQC爐生產(chǎn)的85～200℃熱水經(jīng)閃蒸器生產(chǎn)出的0.1～0.5MPa蒸汽通入汽輪機再由汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。
2.2 上述熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式存在的主要問題
　　(1)窯頭熟料冷卻機自冷卻機入料端（熱端）至出料端（冷端），在不影響水泥窯熟料熱耗及水泥窯生產(chǎn)的條件下，冷卻機可排掉的廢氣溫度是自熱端起的600℃以線性關(guān)系逐漸下降至冷料端的55℃。因此，若僅在冷卻機中部抽取廢氣，則是將熱端的中高溫廢氣與冷端低溫廢氣混合后形成了250℃～400℃廢氣。由于廢氣溫度的限制，AQC爐僅能生產(chǎn)低壓低溫蒸汽及熱水。這種抽取廢氣的取熱方式?jīng)]有遵循熱量應(yīng)根據(jù)其溫度進行梯級利用的原理。
　　(2)窯尾預(yù)熱器系統(tǒng)中，在不影響水泥窯熟料熱耗及水泥窯生產(chǎn)的條件下，可利用的廢氣余熱有兩部分：第一部分為預(yù)熱器系統(tǒng)最終排出的（即C1級旋風(fēng)筒出口）250～400℃廢氣；第二部分為C2級旋風(fēng)筒內(nèi)筒至C1級旋風(fēng)筒入口的450～600℃廢氣中水泥生產(chǎn)允許的20～25℃溫度降所含有的廢氣熱量。由于沒有利用第二部分廢氣熱量，加之第一部分預(yù)熱器系統(tǒng)最終排出的廢氣溫度限制，SP爐同樣只能生產(chǎn)低壓低溫蒸汽。
　　(3)上述兩個因素使前述的水泥窯純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)：其一，余熱只能生產(chǎn)低壓低溫蒸汽；其二，熱力循環(huán)系統(tǒng)只能采用低壓低溫參數(shù)；其三，水泥窯生產(chǎn)系統(tǒng)中窯頭熟料冷卻機及窯尾預(yù)熱器可用于發(fā)電的部分400～600℃中高溫廢氣沒有得到有效利用；其四，前述的三個因素，使在不增加水泥熟料熱耗的條件下，水泥窯廢氣余熱發(fā)電能力未能得到充分發(fā)揮，即余熱發(fā)電量不能達到應(yīng)該達到的水平。
3.提高水泥窯純低溫余熱發(fā)電能力的措施
　　針對水泥窯可用于發(fā)電的廢氣余熱量及廢氣溫度分布，遵循“指導(dǎo)構(gòu)成水泥窯純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、確定循環(huán)參數(shù)、提高發(fā)電能力的四個基本原則”（見筆者發(fā)表于《水泥》雜志2005年第4期的《水泥窯純中低溫余熱發(fā)電存在的問題》及第5期的《提高水泥窯純低溫余熱發(fā)電能力的途徑》），提高水泥窯純低溫余熱發(fā)電能力的具體措施主要在于：一、同時提高汽輪機進汽壓力和溫度，二、合理利用水泥窯廢氣溫度也即改變水泥窯廢氣余熱取熱方式。按上述兩點要求，筆者提出了三種提高型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式，分別見圖4、圖5、圖6。

圖4：提高型不補汽式純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣余熱取熱方式

圖5：提高型復(fù)合閃蒸補汽式純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣余熱取熱方式

圖6：提高型多壓補汽式純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣余熱取熱方式

3.1上述熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式的主要特點
　　(1)改變抽取窯頭熟料冷卻機廢氣方式，即在靠冷卻機進料端(熱端)設(shè)置一抽取400～600℃廢氣的抽廢氣口，同時在冷卻機中部設(shè)置抽取250～400℃廢氣的抽廢氣口。根據(jù)廢氣溫度利用AQC爐生產(chǎn)1.6～3.82Mpa次中壓或中壓飽和溫度至450℃的過熱蒸汽也可同時生產(chǎn)0.1～0.5Mpa飽和溫度至180℃的低壓低溫蒸汽、85～200℃熱水。
　　(2)在利用窯尾預(yù)熱器系統(tǒng)最終（C1級旋風(fēng)筒出口）排出的250～400℃廢氣的同時，利用C2級旋風(fēng)筒內(nèi)筒至C1級旋風(fēng)筒入口的450～600℃廢氣水泥生產(chǎn)所允許的20～25℃溫度降所含有的廢氣熱量，通過SP爐生產(chǎn)1.6～3.82Mpa次中壓或中壓飽和溫度至450℃的過熱蒸汽。
3.2 上述提高型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)能夠取得的效果：
　　前述兩個特點使筆者提出的提高型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)及廢氣取熱方式：在不影響水泥熟料熱耗及水泥窯生產(chǎn)的條件下：其一，余熱可以同時生產(chǎn)次中壓或中壓飽和溫度至450℃的過熱蒸汽、0.1～0.5Mpa飽和溫度至180℃的低壓低溫蒸汽、85～200℃熱水；其二，熱力循環(huán)系統(tǒng)可以采用次中壓中溫或中壓中溫參數(shù)，提高了熱力循環(huán)系統(tǒng)效率；其三，充分利用了水泥窯不同廢氣溫度的余熱，并按廢氣余熱溫度分布實現(xiàn)了熱量應(yīng)根據(jù)其溫度進行梯級利用的原理；其四，前述的三個因素，提高型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式使水泥窯廢氣余熱按其質(zhì)量最大限度地轉(zhuǎn)換為了電能，使余熱發(fā)電能力比目前的水泥窯純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)得以大幅提高。
4、結(jié)語
　　本文對我國目前新型干法水泥窯廢氣余熱取熱方式、純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)的特點及存在的問題現(xiàn)狀進行了分析、比較和研究，根據(jù)筆者多年從事水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的研究、開發(fā)、設(shè)計、調(diào)試、運行管理和從事水泥窯熱工設(shè)計、平衡分析工作所積累的經(jīng)驗，提出了提高型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式。這種熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式已應(yīng)用于帶有五級旋風(fēng)預(yù)熱器的1500t/d預(yù)分解窯、設(shè)計發(fā)電能力為2100~2200kw的實際工程中，預(yù)計2005年9~10月份投產(chǎn)后經(jīng)實際生產(chǎn)運行可以驗證：采用這種熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式，其實際發(fā)電能力將比已投入生產(chǎn)的采用目前常規(guī)熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式的同規(guī)模預(yù)分解窯純低溫余熱發(fā)電能力（如上海萬安1400t/d四級預(yù)熱器預(yù)分解窯、發(fā)電能力為1600~1800kw的純低溫余熱電站）提高16.6~31.25%。使我國純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)達到一個新的水平，對于此項技術(shù)筆者已向國家申請了專利。