淺論余熱發(fā)電工藝和實(shí)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(jī)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(jìn)行回收，使水泥企業(yè)能源利用率提高到95%以上。項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

  我國(guó)是世界水泥生產(chǎn)和消費(fèi)的大國(guó)，近年來(lái)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(guó)內(nèi)已建成運(yùn)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(duì)電能的消耗和依賴依然強(qiáng)勁，因此，新型干法水泥總量的增長(zhǎng)對(duì)水泥工業(yè)用電總量的增長(zhǎng)起到了推動(dòng)作用，一定程度上加劇了電能的供應(yīng)緊張局面。國(guó)內(nèi)由于經(jīng)濟(jì)潛力增長(zhǎng)加劇了電力短缺的矛盾，刺激了煤電項(xiàng)目的增長(zhǎng)，一方面煤電的發(fā)展會(huì)加速煤炭這種有限資源的開(kāi)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(duì)大氣的環(huán)境污染。因此在水泥業(yè)發(fā)展余熱發(fā)電項(xiàng)目是行業(yè)及國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然。此外，為了提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，擴(kuò)大產(chǎn)品的盈利空間，國(guó)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(shí)，也紛紛規(guī)劃實(shí)施余熱發(fā)電項(xiàng)目。

  隨著世界經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目已經(jīng)成為水泥業(yè)發(fā)展的一種趨勢(shì)，也完全符合國(guó)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(jī)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(jìn)行回收，使水泥企業(yè)能源利用率提高到95%以上。項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

  水泥制造業(yè)是一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(fèi)非常嚴(yán)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(gòu)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(shí)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(hù)環(huán)境。

  2余熱發(fā)電簡(jiǎn)介及原理

  即在新型干法生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)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(jìn)行回收換熱產(chǎn)生過(guò)熱蒸氣和飽或蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)熱能——機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電能，并供給水泥生產(chǎn)過(guò)程中的用電負(fù)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(jìn)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(jìn)入窯頭余熱鍋爐汽包，另一路進(jìn)入窯尾余熱鍋爐汽包，然后依次經(jīng)過(guò)各自鍋爐的蒸發(fā)器，過(guò)熱器產(chǎn)生1.2MPa、310℃左右的過(guò)熱蒸汽，匯合后進(jìn)入汽輪機(jī)作功，作功后的乏汽進(jìn)入冷凝器，冷凝后的水和補(bǔ)充軟化水經(jīng)除氧器除氧后再進(jìn)入下一個(gè)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(bǔ)汽式汽輪發(fā)電機(jī)組的二級(jí)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(chǎng)實(shí)際分布與鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)所假想的溫度完全不相同的問(wèn)題，可以大大提高鍋爐蒸汽產(chǎn)量；篦冷機(jī)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(shí)以上，使水泥窯綜合能耗達(dá)到同規(guī)模預(yù)分解窯的能耗水平。

  為了克服帶補(bǔ)燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，采用補(bǔ)汽式汽輪機(jī)組，充分回收200℃以下的廢氣余熱，同時(shí)補(bǔ)燃鍋爐應(yīng)當(dāng)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(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益。

  ⑴中控窯高溫余熱發(fā)電

  ⑵預(yù)分解窯及帶補(bǔ)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(jī)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(jí)控制算法為主。

  窯頭篦冷機(jī)和窯尾預(yù)熱器來(lái)的廢氣，通過(guò)鍋爐與鍋爐內(nèi)布置的過(guò)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(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)做功，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。一般主機(jī)為兩臺(tái)余熱鍋爐(窯頭AQC鍋爐和窯尾SP鍋爐)和一套汽輪發(fā)電機(jī)組。為減輕廢氣對(duì)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(jī)械振打解決粉塵附著問(wèn)題。AQC省煤器出水分兩路：一路進(jìn)入AQC汽包，另一路進(jìn)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(jìn)汽輪機(jī)進(jìn)汽口。SP鍋爐汽包進(jìn)水由AQC省煤器供給，當(dāng)AQC鍋爐未投用時(shí)也可由鍋爐給水泵直接供給而獨(dú)立運(yùn)行。兩臺(tái)鍋爐都設(shè)計(jì)有旁路系統(tǒng)，當(dāng)鍋爐停用時(shí)水泥生產(chǎn)系統(tǒng)可正常運(yùn)行。

  主蒸汽溫度、壓力及汽包壓力的檢測(cè)。

  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(shí)，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?zhǔn)捷斔蜋C(jī)的順序起停（由后向前開(kāi)，由前向后關(guān)），以及故障保護(hù)（當(dāng)后面的電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，前面的電機(jī)必須停）汽包水位報(bào)警。

  主蒸汽溫度、壓力及汽包壓力的檢測(cè)。

  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(shí)，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(bào)警。

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

  熱井水位控制（單回路PID）。

  主氣門(mén)開(kāi)關(guān)報(bào)警。

  汽機(jī)軸向位移報(bào)警、汽機(jī)轉(zhuǎn)速報(bào)警、汽機(jī)潤(rùn)滑油壓報(bào)警、汽機(jī)前后軸承溫度報(bào)警。

  汽機(jī)、發(fā)電機(jī)前后軸承回油溫度檢測(cè)。

  凝汽器壓力報(bào)警。

  ?發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度報(bào)警。

  電動(dòng)油泵與主油泵出口油壓間的聯(lián)鎖。

  4 主機(jī)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(jì)特點(diǎn)如下：鍋爐型式為立式,鍋爐由省煤器、蒸發(fā)器、過(guò)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(dòng)方向?yàn)樽陨隙?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(guò)熱器作用：將飽和蒸汽變成過(guò)熱蒸汽的加熱設(shè)備，通過(guò)對(duì)蒸汽的再加熱，提高其過(guò)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(guò)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(duì)鍋爐給水進(jìn)行預(yù)熱，提高給水溫度，避免給水進(jìn)入汽包，冷熱溫差過(guò)大，產(chǎn)生過(guò)大熱應(yīng)力對(duì)汽包安全形成威脅，同時(shí)也避免汽包水位波動(dòng)過(guò)大，造成自動(dòng)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(duì)鍋爐受熱面的沖刷、磨損。

  SP鍋爐的設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下:鍋爐型式為立式,鍋爐由蒸發(fā)器、過(guò)熱器、汽包及熱力管道構(gòu)成，廢氣流動(dòng)方向?yàn)樽陨隙铝鲃?dòng),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(jìn)行除灰,工質(zhì)循環(huán)為采用循環(huán)泵進(jìn)行自然循環(huán)方式。

  4.2 汽輪機(jī)

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

  ⑴沖動(dòng)式汽輪機(jī)：蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能的過(guò)程，僅在噴嘴中發(fā)生，而工作葉片只是把蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的汽輪機(jī)。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(dòng)式汽輪機(jī)：蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能的過(guò)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(jī)。即蒸汽不僅在噴嘴中進(jìn)行膨脹，產(chǎn)生壓力降，而且在葉片中也進(jìn)行膨脹，產(chǎn)生壓力降。

  沖動(dòng)式與反動(dòng)式在構(gòu)造上的主要區(qū)別在于：

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

  ⑵反動(dòng)式：動(dòng)葉片出、入口側(cè)的橫截面不對(duì)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(jiǎn)單的汽輪機(jī)單級(jí)汽輪機(jī)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(shí)蒸汽壓力、溫度降低，速度增加，蒸汽熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，然后，具有較高速度的蒸汽由噴嘴流出，進(jìn)入動(dòng)葉片流道，在彎曲的動(dòng)葉片流道內(nèi)，改變汽流方向，給動(dòng)葉片以沖動(dòng)力，產(chǎn)生了使葉輪旋轉(zhuǎn)的力矩，帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，輸出機(jī)械功，完成動(dòng)能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

  熱能→動(dòng)能→機(jī)械能，這樣一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程，便構(gòu)成了汽輪機(jī)做功的基本單元，通常稱這個(gè)做功單元為汽輪機(jī)的級(jí)，它是由一列噴嘴葉柵和其后緊鄰的一列動(dòng)葉柵所構(gòu)成。

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

  汽輪機(jī)分類按熱力過(guò)程可分為：

  ⑴凝汽式汽輪機(jī)：進(jìn)入汽輪機(jī)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(jī)：蒸汽在汽輪機(jī)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(jī)：將部分做過(guò)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(jī)：將在汽輪機(jī)高壓缸做完功的蒸汽，再送回鍋爐過(guò)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(jī)：新汽壓力為1.2～1.5MPa；②中壓汽輪機(jī)：新汽壓力為2.0～4.0MPa； ③次高壓汽輪機(jī)：新汽壓力為5.0～6.0MPa；④高壓汽輪機(jī)：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(jī)等等。

  4.3 發(fā)電機(jī)

  余熱發(fā)電所用汽輪發(fā)電機(jī)為三相交流同步發(fā)電機(jī)，型式為臥式，無(wú)刷勵(lì)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(jī)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(lì)磁方式：旋轉(zhuǎn)整流器式無(wú)刷勵(lì)磁方式，絕緣等級(jí)：F級(jí)，潤(rùn)滑方式：強(qiáng)制潤(rùn)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(tái)冷卻水泵和一套強(qiáng)制通風(fēng)冷卻塔及相應(yīng)的冷卻水管道等。三臺(tái)冷卻水泵日常一備兩用，采用強(qiáng)制通風(fēng)冷卻塔在場(chǎng)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(qiáng)制通風(fēng)，故廠用電量增加，同時(shí)增加了日常維護(hù)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(duì)冷卻塔內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，對(duì)冷卻水進(jìn)行強(qiáng)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(qiáng)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(duì)余熱發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性影響很大，對(duì)安全性影響小一些。由于漏風(fēng)會(huì)造成部分換熱損失、增加過(guò)?？諝庀禂?shù)會(huì)相應(yīng)提高耗電、過(guò)?？諝庀禂?shù)過(guò)高還會(huì)導(dǎo)致排煙熱損失增加。在安全方面，如果漏風(fēng)會(huì)導(dǎo)致局部溫度升高，對(duì)鍋爐巡檢人員造成燙傷，局部溫度升高或降低還會(huì)破壞自然水循環(huán)，可能會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)熱，但這種可能性不大。

  2）加強(qiáng)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(qiáng)篦冷機(jī)的操作控制，提高料層厚度，盡可能提高進(jìn)鍋爐的氣體溫度；

  合理控制篦冷機(jī)運(yùn)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(gè)相對(duì)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?yàn)榻Y(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(jìn)鍋爐的氣體溫度偏低，從而影響發(fā)電量；

  5）汽輪機(jī)的真空度、汽耗率等對(duì)汽輪機(jī)發(fā)電量有很大的影響；

  汽輪機(jī)運(yùn)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(jī)組負(fù)荷不變，汽輪機(jī)進(jìn)汽量勢(shì)必增大，使軸向推力增大以及葉片過(guò)負(fù)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(jī)組中心偏移，使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)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(jìn)鍋爐的氣體溫度；

  可以將窯頭進(jìn)入除塵器之前的部分廢氣引入冷卻風(fēng)機(jī)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(jī)廠家為了汽輪機(jī)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(dá)到了一定的高度，而調(diào)節(jié)汽閥已經(jīng)達(dá)到了廠家調(diào)節(jié)的開(kāi)度，負(fù)荷也不能再增加了。造成了多余的煙氣白白流失。