寧國水泥廠純低溫水泥窯余熱發(fā)電技術及運行業(yè)績報告

       自一九九八年三月我廠4000t/d水泥生產線配套應用純低溫余熱發(fā)電技術獲得了運轉成功。該技術和主要裝備是由日本川崎重工提供的，發(fā)電機裝機容量為6480kW，年設計發(fā)電量為4087×104kWh，噸熟料發(fā)電能力為33.88kW.h/t。

　　一、系統(tǒng)的主要技術特點：
     水泥廠余熱資源的特點是：流量大，品位較低。以寧國水泥廠4000t/d生產線為例，PH（預熱器）和AQC（冷卻機）出口廢氣流量和溫度分別為258550Nm3/h、350℃和306600Nm3/h、238℃，余熱發(fā)電便是充分利用這兩部分余熱資源進行熱能回收。
1）熱力系統(tǒng)
　　整個熱力系統(tǒng)設計經濟、高效、安全，系統(tǒng)工藝流程是由兩臺高效余熱鍋爐AQC、PH鍋爐、兩臺高低壓閃蒸器和一套汽輪發(fā)電機組組成，輔之以冷卻水系統(tǒng)、純水制取系統(tǒng)、鍋爐給水系統(tǒng)及鍋爐粉塵輸送系統(tǒng)。余熱鍋爐內進行熱交換產生壓力為25kg/cm2、溫度為335℃～350℃、額定蒸發(fā)量為31.1t/h的過熱蒸汽通入汽輪機，進行能量轉換，拖動發(fā)電機向電網輸送電力。
?。?）采用凝汽式兩點混汽式汽輪機。凝汽式是指做過功的蒸汽充分冷凝成凝結水，重新進入系統(tǒng)循環(huán)，減少系統(tǒng)補充水量。混汽式是指汽輪機除主蒸汽外，另有兩路低壓飽和蒸汽導入汽輪機做功，從而提高汽輪機相對內效率，提高發(fā)電機輸出功率。
?。?）設置具有專利技術、高熱效率的PH鍋爐，采用特殊設計的機械振打裝置進行受熱面除灰，保證鍋爐很高的傳熱效率。
　（3）應用熱水閃蒸技術（高壓熱水進入低壓空間瞬間汽化現象），設置一臺高壓閃蒸器和一臺低壓閃蒸器，一方面將閃蒸出的飽和蒸汽導入汽輪機做功，進一步提高汽輪機輸出功率，另一方面通過鍋爐給水系統(tǒng)循環(huán)，可以有效地控制AQC爐省煤器段出口水溫，保證鍋爐給水工況穩(wěn)定。
?。?）由于PH鍋爐出口廢氣還要用于原料烘干，所以PH鍋爐無省煤器，只設蒸發(fā)器和過熱器，控制出爐煙溫在250℃，以滿足水泥生產線原料烘干的需求。
?。?）采用熱水閃蒸自除氧結合化學除氧的辦法進行除氧，不另設除氧器，減少了工藝設備，簡化了工藝流程。
?。?）熱力泵均采用一用一備雙系列。在運行泵出現故障時，備用泵自動投入使用，保證了發(fā)電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。
　　2）余熱鍋爐
　　AQC鍋爐設計為立式自然循環(huán)鍋爐，帶汽包，煙氣自上而下通過鍋爐，鍋爐自上而下布置過熱器、蒸發(fā)器和省煤器，由于廢氣粉塵為熟料顆粒，具有較強的磨礪性，需設置預除塵器進行預收塵，另外為增大換熱面積，強化換熱效果，AQC鍋爐的傳熱管設計為螺旋翅片管形式（鰭片管）。
　　AQC鍋爐工藝參數設計：煙氣入口溫度360℃，出口溫度91℃，煙氣流量165300Nm3/h，過熱蒸汽溫度350℃，蒸汽壓力26kg/cm2，額定蒸發(fā)量11.8t/h。
　　PH鍋爐設計為臥式強制循環(huán)鍋爐，帶汽包，設蒸發(fā)器和過熱器，煙氣在管外水平流動，受熱面為蛇形光管，上端固定在構架上，下端為自由端，并焊有振打裝置的連桿。由于PH爐入爐粉塵為生料粉，具有較強的粘附性，影響傳熱效果，故設計機械振打裝置對受熱面定期振打，使受熱面保持干凈無灰，從而保證了很高的傳熱效果。由于工作介質在傳熱管內是上下流動形式，無法利用其重度差進行自然循環(huán)，故需用兩臺強制循環(huán)泵進行給水的強制循環(huán)。
　　PH鍋爐工藝參數設計：煙氣入口溫度350℃，出口溫度250℃，煙氣流量258550Nm3/h，過熱蒸汽溫度330℃，蒸汽壓力26kg/cm2，額定蒸發(fā)量19.3t/h。
　　兩鍋爐的工藝結構特點對比如下表：

　  3）汽輪機
　　汽輪機的作用是將余熱鍋爐產生的過熱蒸汽的熱能轉化為機械能從而帶動發(fā)電機發(fā)電的動力設備。寧國廠汽輪機為川崎RCM-80型，沖動式、多級、混壓凝汽式帶減速機型汽輪機，額定蒸汽流量31.1t/h，入口蒸汽壓力2.45MPa，蒸汽溫度335℃，排汽絕對壓力0.00585MPa，轉速5829rpm，級數為9級。
?。?）汽輪機為減速式汽輪機，通過減速機后轉速為1500rpm，這樣汽輪機的整體尺寸較小，暖機和沖轉所需的時間較短，便于汽輪機停機后能夠在短時間內迅速再投入，適應窯系統(tǒng)工況的波動。針對汽輪機后幾級葉片水份較多、易發(fā)生水蝕現象的特點，在低壓部分特別設計了集水槽和疏水孔，充分利用轉子轉動的離心力分離水珠，避免水蝕。另在末兩級葉片前部覆蓋了一層特殊合金，以減輕水擊產生的損傷。
?。?）汽輪機的調節(jié)系統(tǒng)采用電、液（壓）調節(jié)方式，感應機構為電磁式，執(zhí)行機構為液壓傳動式。調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，保證了汽輪機在設計范圍內的任何工況下穩(wěn)定運行。
?。?）根據水泥廠余熱性質的特點，汽輪機的運行方式分為速度控制和壓力控制兩種方式。在汽輪機啟動過程中（提速及升負荷），以汽輪機轉速為主要控制參數，以保證汽輪發(fā)電機組正常并網；當機組達到額定負荷時，切換到壓力控制方式，這時以汽輪機入口蒸汽壓力為主要控制參數，調節(jié)機組輸出功率以保證壓力基本穩(wěn)定，這種控制方式可適應廢氣余熱參數的變化，使整個系統(tǒng)具有較強的適應性和可靠性，并做到“熱盡其用”。機組出力超過限定值（約額定功率的110%），自動開啟旁路閥，將部分蒸汽直接導入凝汽器，起到保護發(fā)電機組的目的。
　   4）發(fā)電機
　　發(fā)電機設計為全封閉內冷式三相交流同步發(fā)電機，勵磁方式采用無刷勵磁，額定輸出8100KVA，極數4極，電壓6300V，頻率50HZ，功率因數80%滯后，電流742A，空氣冷卻器采取水冷卻的方式。
     5）DCS控制系統(tǒng)
　　整個余熱發(fā)電系統(tǒng)采用先進的DCS集散控制系統(tǒng)，現場的各種工藝參數通過傳感器轉化為電信號送至中央控制室，由計算機進行分析并在CRT上顯示。中控操作通過觸摸屏發(fā)出指令，調整各煙風閥門、汽水閥門的開度及設備的啟停等，使整個系統(tǒng)適應工況變化。自控系統(tǒng)能夠根據相關參數自動進行汽水系統(tǒng)的調整，系統(tǒng)的操作簡便可靠，并設有完善的報警和保護程序，使整個發(fā)電工藝系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運行。
　　二、寧國水泥廠4000t/d熟料生產線余熱發(fā)電項目運轉業(yè)績：
　　1）主要經濟技術指標分析
　　自一九九八年三月開始實質性運轉至二○○四年底，從統(tǒng)計數據表明，平均噸熟料發(fā)電量已達36.12kWh/t，相對窯運轉率為96.24%，累計發(fā)電量已達3.56億千瓦時。系統(tǒng)運行六年來實現了安全、穩(wěn)定、高效運行。請參見下面生產數據統(tǒng)計圖表：
   表一

   表二

　　2）經濟效益和社會效益
    水泥余熱發(fā)電項目充分利用熟料煅燒生產時排放的大量廢氣進行回收發(fā)電，即可降低水泥熟料的生產成本，提高企業(yè)經濟效益，又能保護環(huán)境，創(chuàng)造良好的社會效益。余熱發(fā)電項目將成為海螺集團穩(wěn)定的經濟增長點及清潔化生產的亮點。
（1）經濟效益：
　　自發(fā)電機組正式并網以來，截止到二OO四年十二月底，發(fā)電機并網電量累計為33066.3萬千瓦時，按本地區(qū)現行綜合電價0.50元/kWh計算，創(chuàng)產值1.65億元。
（2）社會效益：
　　從能源利用率的角度來講，水泥生產過程中消耗的能源有效利用率僅為60%，其余40%的能量隨廢氣排放到大氣中，余熱發(fā)電建成后，可將排放掉的38%的廢氣余熱進行回收，使工廠的能源利用率提高到95%以上，為工廠的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。
　　從環(huán)境保護的角度來講，減少了二氧化碳的排放量。眾所周知火力發(fā)電是燃煤發(fā)電，在電力生產過程中要產生大量的二氧化碳，而余熱發(fā)電整個生產過程不燒1克煤，按發(fā)電機組截止到二OO四底累計發(fā)電量35612.6萬千瓦時來計算，共減少二氧化碳的排放量總計為284900噸，這對減少溫室效應、保護生態(tài)環(huán)境起著積極的促進作用。
　　三、配套余熱發(fā)電技術對水泥生產系統(tǒng)的影響：
　　1、冷卻機必要的改造
　　由于冷卻機出口的廢氣溫度多在200℃左右，這種溫度下的熱量品位很低，很難進行動力回收，因此需要對冷卻機進行必要的改造，使進入AQC爐的熱源品位提高。改造措施是在冷卻機中部（四室與五室之間）新開一抽氣口，利用這部分溫度在360℃左右的廢氣，引入AQC余熱鍋爐進行動力回收。原有抽氣口則抽取冷卻機后部低溫廢氣，壓力的平衡用擋板實現。鍋爐出口廢氣與原抽氣口的廢氣混合后進入窯頭電收塵。
　　2、窯頭電收塵的影響
　　冷卻機改造和窯頭余熱鍋爐的投入會對窯頭電收塵的收塵效果產生一定的影響。因為窯頭電收塵原設計為高溫電收塵，溫度在250℃以上時，收塵效果較好。窯頭余熱鍋爐的投入，使電收塵的入口廢氣溫度由220℃左右降至125℃左右，粉塵比電阻會產生一定的變化，從而影響收塵效果，粉塵比電阻過高，不利于收塵器運行。對照熟料粉塵比電阻曲線圖，125℃時粉塵比電阻約3.5×1010Ω.cm，處于較高水平，故余熱鍋爐投入后應盡可能地降低入電收塵廢氣溫度（控制在100℃左右或以下效果更佳），從而降低比電阻，必要時需采取廢氣調質措施來提高收塵效果。
　　3、窯頭排風機的影響
　　由于在冷卻機前設置了余熱鍋爐及冷卻機改造，廢氣全流程的阻力比原來增加約1.0kPa，需要排風機提供更大的抽力。水泥廠的窯頭排風機設計能力一般都有較大的余量，一般來說可以適應改造后的工況，只需調整其工作點。寧國一線窯頭風機能力較大，電機額定電流為84A，投入AQC爐后，電機電流由59A升至72A左右，能滿足AQC爐在120%負荷下運行。
　　4、窯尾排風機的影響
　　由于在風機前加入一臺PH余熱鍋爐，壓力損失約增加1.0kPa，但由于進入風機廢氣密度的增大，提高了風機的輸出壓力，而且進入風機的廢氣含塵量大大降低，故對窯尾風機影響不大，一般只需調整其工作點，不需更換風機。
　　5、原料磨的影響
　　寧國一線原料磨為球磨機，對入磨熱風溫度有較高要求，增設PH鍋爐后，窯尾排風機入口溫度將由350℃左右降至250℃，入磨風溫的下降，使原料磨的烘干能力受到一定的不利影響，從而影響到原料磨的生產能力，雨季時入磨水份較高，則需考慮PH爐的旁路放風，提高入磨風溫，保證水泥生產。如果原料磨采用立磨，則對入磨風溫的要求就寬松得多，可以降至200℃，從而PH爐的設計參數會相應改變，鍋爐的出力會相應增加，噸熟料發(fā)電量會有所提高。
　　6、增濕塔的影響
　　寧國一線在PH爐投入前增濕塔噴水量約24t/h，PH爐投入后，煙溫降至250℃，且煙氣含塵量降低，故增濕塔噴水量大為減少，已能保證窯尾電收塵的工作效率。目前水泥生產線增濕塔的工藝布置均在窯尾高溫風機前的廢氣管道上，PH爐的工藝布置與增濕塔是“并聯”關系，PH爐投入運行，增濕塔則退出，可能會影響到窯尾電收塵的收塵效果，必要時需考慮采用廢氣調質措施。
　　綜上所述，余熱鍋爐的投入，會產生廢氣溫度的變化及壓損的增加，對原料磨、增濕塔、窯頭電收塵及排風機等設備運行工況產生一定的影響，但一般影響較小，通過工藝參數、設備工況調整即可解決，除對冷卻機做較大的改造外，增設余熱鍋爐在技術上是沒有問題的。
　　四、余熱發(fā)電技術在海螺集團推廣應用的前景：
　　通過水泥余熱發(fā)電項目在寧國水泥廠的成功應用，充分說明新型干法水泥窯配套余熱發(fā)電裝置在技術上是完全可行的，它充分利用了水泥生產過程中產生的大量廢氣余熱進行動力回收，每噸熟料可回收35～40kWh的電能，并且該系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運行，相對窯的運轉率可達97%以上，發(fā)電成本非常低，相對外購電價可節(jié)約大量的購電費用。所以該項技術的應用，既可降低水泥的生產成本，提高企業(yè)的經濟效益，又可以為國家節(jié)約大量的電能，減少環(huán)境污染，具有廣闊的推廣應用前景。
　　海螺集團擁有已建和在建的二十多條5000t/d以上的水泥生產線，對水泥配套應用余熱發(fā)電技術取得了一定的經驗。集團公司已計劃從2005年起將水泥余熱發(fā)電項目作為水泥產業(yè)新技術在集團多個熟料基地、2500t/d以上的水泥生產線上擬配套建設應用。我們堅信純低溫余熱發(fā)電技術在海螺集團一定能得到成功應用，為保護環(huán)境，為水泥產業(yè)的節(jié)能技術的推廣做出我們應有的貢獻。