低溫余熱發(fā)電鍋爐技術的開發(fā)與實踐

摘要：本文闡述了哈爾濱鍋爐廠有限責任公司水泥窯余熱鍋爐技術的發(fā)展歷程，低溫余熱鍋爐的技術參數(shù)及純低溫余熱鍋爐的面臨技術難點。
1．前言
　　水泥窯余熱發(fā)電技術隨水泥工業(yè)技術的發(fā)展而不斷進步，哈爾濱鍋爐廠有限責任公司（以下簡稱哈鍋）自1980年以來較早預見水泥行業(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及產(chǎn)品的開發(fā)與研究，余熱鍋爐技術在多次經(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簡介
　　在中空窯的余熱發(fā)電技術中，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)濟效益。該技術的成功運用為余熱鍋爐技術進一步發(fā)展積累了豐富的經(jīng)驗，為后來水泥窯低溫余熱發(fā)電技術奠定了基礎。從數(shù)十臺該型余熱鍋爐的實踐中摸清了中空窯余熱鍋爐的漏風、磨損、積灰的機理并找到了相應的解決措施。
　　隨著預分解窯技術在中國的推廣和應用，哈鍋和天津水泥設計研究院合作于二十世紀八十年代末期開始開發(fā)、研制預分解窯余熱發(fā)電系統(tǒng)及設備，至二十世紀末已在國內(nèi)為水泥熟料產(chǎn)量700 T/D-5000T/D各種規(guī)格型號的水泥窯設計制造了單臺機組發(fā)電功率為4500KW-12000KW系列余熱鍋爐產(chǎn)品。在預分解窯余熱發(fā)電技術中又分為兩種類型；其一為不帶補燃鍋爐的純低溫余熱發(fā)電技術，其二為帶補燃鍋爐的低溫余熱發(fā)電技術。
　　對于不帶補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，當窯尾預熱器排出的廢氣溫度為350?430℃、窯頭熟料冷卻機排掉的廢氣溫度為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汽進入汽輪機。在不改變水泥窯系統(tǒng)內(nèi)的設備、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。由于受到補汽式汽輪機技術及其它經(jīng)濟因素的制約，此項技術在國內(nèi)近兩年才得以大力推廣應用。
　　對于帶補燃鍋爐的余熱發(fā)電系統(tǒng)，所用余熱來源與不帶補燃鍋爐的余熱發(fā)電系統(tǒng)相同，不同之處在于在不帶補燃鍋爐的余熱發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)串接補燃鍋爐。串接補燃鍋爐后，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)濟效益相應增加，而且該發(fā)電系統(tǒng)可以不因水泥窯停運而停運、補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)的需要而適當調(diào)節(jié)。另外由于補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)電領域得到了廣泛應用。其中哈鍋設計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)運行，這些工程投入運行后產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益。
3.帶補燃的余熱發(fā)電鍋爐
　　八.五期間，根據(jù)我國當時大型水泥企業(yè)的余熱利用中水泥窯的類型多為懸浮預熱器和窯外預分解窯的技術的實際情況，余熱多來源于溫度400℃以下的廢氣，而當時我國的低溫閃蒸發(fā)電技術在我國還不成熟，國家有關部門決定將帶補燃鍋爐的余熱發(fā)電系統(tǒng)作為國家八.五重點攻關課題優(yōu)先予以開發(fā)，由天津水泥工業(yè)設計研究院、哈爾濱鍋爐廠有限責任公司（即哈爾濱鍋爐廠）、山東魯南水泥廠共同攻關。天津院負責系統(tǒng)總體設計，哈鍋負責余熱鍋爐和補燃鍋爐的設計開發(fā)和制造，由魯南水泥廠負責工程具體實施。此工程在1996年11月完成，正式并網(wǎng)發(fā)電，各項指標均達到攻關目標，取得了良好效果。被評為國家八.五攻關科技成果重大成果一等獎。此后將煤粉補燃鍋爐改為流化床補燃鍋爐使該技術的水平進一步提高，使哈鍋的該技術在國內(nèi)處于領先地位。
　　該系統(tǒng)主要利用預分解窯窯尾懸浮預熱器（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,然后將其引入補燃鍋爐，通過補燃鍋爐將蒸汽參數(shù)提高到汽輪機所需參數(shù)；其次，利用熟料篦式冷卻機（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回熱抽汽，降低汽輪機的汽耗。此系統(tǒng)見圖：

      
　　配套設計的余熱鍋爐是在已有余熱鍋爐的經(jīng)驗基礎上，合理進行優(yōu)化設計，包括煙速的選擇、傳熱系數(shù)的選擇、溫壓的選取、受熱面結構形式的選擇、積灰和磨損的結構處理等。
　　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構，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。
 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/熱水閃蒸復合發(fā)電技術得到成功應用后，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/熱水閃蒸復合發(fā)電工程配套設計制造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/熱水閃蒸復合發(fā)電技術，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)生的主蒸汽進入一臺雙進汽汽輪機的主汽口進行發(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入汽輪機的補汽口輔助發(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、積灰和漏風等問題。從低溫帶補燃余熱鍋爐實踐中借鑒到較豐富實際經(jīng)驗。
4.2  2500t/d窯配套的純低溫余熱鍋爐技術參數(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主要技術難點
　　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。因為純低溫余熱鍋爐應盡可能適應水泥窯的變化，產(chǎn)生穩(wěn)定的蒸汽參數(shù)，對汽輪機產(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，余熱鍋爐設計時應考慮采取必要的措施適應窯尾煙氣的特點和發(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計的難點之一。
　　其次由于窯尾余熱鍋爐的煙氣含塵量大，粉塵細，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，此外漏風會降低余熱利用率，因此如何解決鍋爐的漏風和積灰問題成為鍋爐設計又一難點。
　　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重，解決窯頭余熱鍋爐的磨損問題成為余熱利用的難點之一。
5.結束語
　　 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，預分解窯低溫余熱發(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)濟效益。低溫余熱利用中的帶補燃的余熱鍋爐技術已趨成熟，純低溫余熱發(fā)電鍋爐技術正處于快速發(fā)展階段，純低溫余熱發(fā)電鍋爐技術的進一步發(fā)展和完善將是今后幾年相關人員面臨的主要任務。