浅析水泥纯低温余热发电原则热力系统方案

　　1 重庆X水泥公司新型干法水泥生产线的废气余热资源概况

　　水泥纯低温余热电站的规模和热力系统的选择取决于水泥工艺废气的余热量及其性质，进而取决于水泥生产规模和生产工艺，对于同一种生产规模若采用的生产工艺和设备不同，那么余热性质也有较大的差别。对重庆X水泥公司的1×4500t/h新型干法水泥生产线，低温纯余热发电系统的余热回收分为两部分：其一是窑尾预热器出口的废气余热；其二是窑头冷却机（篦冷机）出口的废气余热。

　　本工程水泥生产线窑头冷却机采用的是第三代充气梁篦冷机。窑头冷却风根据的工艺配置和原燃料特性，设窑用二次风和分解炉用三次风，窑头废气余热主要来自篦冷机的冷却风，其余热量与熟料的烧成状态和篦冷机的效率有关。经过比较采取对窑头冷却机局部改造后从中部抽气的取气方案，可保证抽取的废气温度达到350℃以上，排气温度根据热力系统设计确定，废气量为18×104m³/h(标况)。

　　本工程水泥生产线窑尾预热器废气量(标况)为32万m³/h，废气温度330℃。这部分废气还要用于生料粉磨的烘干用风，其用风温度随生料入磨水分而变化，本工程入窑生料烘干用风需要的温度为220℃。考虑到上述水泥生产工艺要求，窑尾废气余热可利用的废气量为32×104m³/h(标况)，进/出口废气温度：330℃/220℃。

　　2 热力系统方案分析选择

　　现在国内水泥纯低温余热发电技术的经过几年的发展，已经从当初的进口引进到现在的全部国产化，取得了很大进步。目前采用的主要热力系统工艺有双压系统，单压系统和闪蒸系统三种。此外还有一些改进技术方案如增设次中压过热器，将窑头窑尾的蒸汽进一步过热以提高蒸汽初参数的技术方案，但是该方案的过热器是从波动较大的窑头废气中取出，因此运行稳定性受到影响，目前工程应用较少。结合本工程余热条件，只对双压系统，单压系统和闪蒸系统三种主要的热力系统方案进行分析比较。

　　2.1单压系统

　　单压系统是目前最普遍采用的热力系统。本热力系统中，窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉生产相同或相近参数的主蒸汽，混合后进入汽轮机，主蒸汽在汽轮机内作功在凝汽器凝结成水，经窑头锅炉加热后到热力除氧器除氧，由给水泵送入窑头余热锅炉加热，窑头余热锅炉生产的热水再为窑头余热锅炉蒸汽段和窑尾余热锅炉供水，两台余热锅炉生产出合格的主蒸汽，从而形成一个完整的热力循环。

　　单压系统的主要特点是汽轮机只设置一个进汽口，窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉只生产参数相同或相近的主蒸汽。

　　2.2热水闪蒸补汽系统，简称闪蒸系统

　　闪蒸系统应用热力学上的闪蒸原理，根据废气余热品质的不同而生产一定压力的主蒸汽和热水，主蒸汽进入汽轮机高压进汽口；热水则在闪蒸容器里产生出低压的饱和蒸汽，然后补入补汽式汽轮机专门设计的低压进汽口；主蒸汽及低压饱和蒸汽在汽轮机内一起作功，然后拖动发电机发电。低压蒸汽发生器内的饱和水进入除氧器，与冷凝水一起经除氧后由给水泵供给锅炉。

　　2.3双压补汽系统，简称双压系统

　　双压系统是根据水泥窑废气余热的品位的不同，余热锅炉分别生产较高压力和较低压力的两路蒸汽。余热锅炉生产出较高压力的蒸汽后，烟气温度降低，余热品位下降，根据低温烟气的品位，再生产低压蒸汽。较高压力的蒸汽作为主蒸汽进入汽轮机主进汽口；较低压力的蒸汽进入汽轮机的低压进汽口；一起在汽轮机作功，推动发电机发电。作功后的乏汽在凝汽器凝结成水后经凝结水泵加压到除氧器除氧，再进入热力循环。

　　2.4不同热力系统的比较

　　2.4.1不同热力系统的发电能力的计算

　　根据公司水泥生产线的废气余热资源情况，三种热力系统配置下发电能力计算结果如下表所示：

　　发电能力计算表：

　　2.4.2投资和收益估算

　　按年运行7680h，年平均折旧15年估算如下：

　　投资和收益估算比较表：

　　2.4.3方案比较选择

　　（1）经济性比较：双压系统由于补汽汽轮机及其系统均比单压系统复杂，因此投资和运行维护成本均高于单压系统。闪蒸系统目前主要石引进日本的川崎技术，投资和运行维护成本较高。估算表明，和单压系统相比较，双压系统增加的投资和其增加的收益相比，需要约9年才能收回增加的投资。

　　（2）技术性能比较：单压系统的系统是最简单的，相应的也是最可靠和稳定的闪蒸系统和双压系统在理论上具有能源梯级利用的优势，比单压系统的发电能力略强一些，技术比单压系统先进。但作为工程应用，两者增加的发电效益与其增加的投资相比，在经济上反不如单压系统。

　　（3）运行维护比较：由于单压系统的热力系统简单可靠，没有补汽的中间环节和设备，因此对运行人员的要求较低，其运行维护也较其余两者简便。

　　综合上述分析比较，同时考虑到该公司的水泥生产是主业、余热发电是副业的技术原则，发电技术人员配备情况及公司的意见，本工程最终选择单压系统为施工图设计方案。

　　3 结束语

　　本工程已经投运了半年，设计的技术指标全部达到，除氧系统的加热蒸汽基本未投（达到了真空除氧耗汽少的要求），运行简便可靠，业主反馈意见满意。可见纯低温余热发电锅炉给水的除氧方式对于电站的稳定和经济运行具有重要意义，必须结合水泥生产线的实际余热资源情况，优选除氧系统，从整个热力系统的角度进行优化设计，结合锅炉的吨位、热力参数和水质要求、负荷变化、运行成本等情况综合考虑施工图设计。