幾種水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)電能力及存在問題的比較分析

摘要：本文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(diǎn)及發(fā)電能力、存在的主要問題進(jìn)行了研究、分析、比較，其分析、研究、比較過程及結(jié)論，在我國水泥工業(yè)工藝及裝備技術(shù)得以迅速發(fā)展、數(shù)百條日產(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，對水泥生產(chǎn)企業(yè)建設(shè)余熱電站的決策及水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)、裝備的發(fā)展有指導(dǎo)意義。
主題詞：  水泥工業(yè)  低溫  余熱發(fā)電  發(fā)電能力  

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，數(shù)百條數(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(gè)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(jì)、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(lán)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(shí)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(jì)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(jìn)行深入的研究分析從而進(jìn)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、目前國內(nèi)已普遍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(diǎn)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(jī)、窯尾預(yù)熱器廢氣取熱方式有如下三種（筆者稱為普遍型水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)）：
其一：不補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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。

 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(diǎn)：
    (1)僅在水泥窯窯頭熟料冷卻機(jī)中部設(shè)一個(gè)抽取冷卻機(jī)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(jī)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(shí)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(jī)再由汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)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(jī)自冷卻機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(gè)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(jī)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(gè)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(dá)到應(yīng)該達(dá)到的水平。
2.3普通型純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用情況
   至2005年，普遍型純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用情況見下表：

3.提高型水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)
    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(gè)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》），在同時(shí)提高汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力和溫度以合理梯級利用水泥窯廢氣溫度的條件下，筆者于2005年3月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（見筆者發(fā)表于《中國水泥》雜志2005年第5期的“提高水泥窯純低溫余熱發(fā)電的措施”一文）。

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(diǎn)
    (1)改變抽取窯頭熟料冷卻機(jī)廢氣方式，即在靠冷卻機(jī)進(jìn)料端(熱端)設(shè)置一抽取400～600℃廢氣的抽廢氣口，同時(shí)在冷卻機(jī)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(shí)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(shí)，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(gè)特點(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了熱量應(yīng)根據(jù)其溫度進(jìn)行梯級利用的原理；其四，前述的三個(gè)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，從而使余熱發(fā)電能力比目前普遍采用的普通型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)得以大幅提高。
4、提高型水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用情況
    筆者所在單位承擔(dān)的水泥窯純低溫余熱發(fā)電工程普遍采用的是提高型水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，其有如下兩類情況：1、采用圖4所示的提高型不補(bǔ)汽式純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)。筆者所在單位采用圖4所示系統(tǒng)，在浙江省湖州市興寶龍建材有限公司1500t/d新型干法水泥生產(chǎn)線上建設(shè)了裝機(jī)容量為3.0MW的純低溫余熱電站，該電站作為實(shí)驗(yàn)性項(xiàng)目，目前已進(jìn)入設(shè)備安裝階段。2、筆者所在單位承擔(dān)的其它余熱發(fā)電工程：浙江省杜山集團(tuán)有限公司2500t/d新型干法窯4.5MW、山東昌樂水泥有限公司2500t/d新型干法窯3.3MW（汽輪機(jī)為NK3.0-2.4/385舊機(jī)組）、山東創(chuàng)新水泥有限公司2500t/d新型干法窯4.5MW、山東濰坊水泥有限公司2500t/d新型干法窯4.5MW、山東山水水泥有限公司1800t/d+2000t/d新型干法窯7.5MW純低溫余熱電站采用的為圖7所示提高型多壓補(bǔ)汽式純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)，前述工程將分別于2006年7月、8月、9月、10月、11月陸續(xù)投入生產(chǎn)運(yùn)行。

   筆者所在單位目前在做設(shè)計(jì)的其它水泥生產(chǎn)企業(yè)3200t/d級、5000t/d級新型干法窯純低溫余熱電站同樣采用圖7所示的純余熱發(fā)電技術(shù)，當(dāng)浙江省湖州興寶龍建材有限公司3.0MW實(shí)驗(yàn)型余熱電站投入生產(chǎn)運(yùn)行并積累相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)后，筆者所在單位將著力推廣圖4、圖5、圖6所示余熱發(fā)電技術(shù)。
6、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(diǎn)、發(fā)電能力及存在的問題進(jìn)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(jì)、調(diào)試、運(yùn)行管理和從事水泥窯熱工設(shè)計(jì)、平衡分析工作所積累的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為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)及廢氣取熱方式將使我國純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)達(dá)到一個(gè)新的水平，從而使我國水泥窯純中低溫余熱發(fā)電能力提高16.6%~55%以上，是我國水泥窯純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的發(fā)展方向。