江西水泥厂低温余热发电工程设计方案（1）

1 前言
　　水泥窑余热发电大致经历了中空窑高温余热发电、预热器及预分解窑带补燃炉中低温余热发电、预热器及预分解窑低温余热发电三个发展阶段。日本于1919年首次将余热发电技术引入水泥工业,我国在20世纪20~30年代由于电力紧张，建设了一批干法中空窑余热发电水泥厂（如启新、大连等）。以后，由于我国的电力短缺，中空窑余热发电有了较大发展。70年代末至80年代，在对原有中空余热发电窑进行技术改造的同时，又新建了一批类似生产线。直到90年代初，预分解窑带补燃炉余热发电技术在我国开始应用（如鲁南、琉璃河等）。上述技术的发展均以提高发电量，缓解电力供应不足为主要目的，为我国水泥工业的发展作出了重要贡献。
　　随着人们节能和环保意识的提高，世界上单纯以余热利用为目的的预热器及预分解窑低温余热发电在80年代初有了较大发展，特别是日本、我国台湾等能源短缺地区，低温余热发电已被广泛应用。日本川崎重工为我国宁国水泥厂4000t/d生产线提供了一套低温余热发电系统，于1998年2月并网发电，单位熟料发电量达33.88kWh/t。使水泥生产中大量中、低温烟气余热得到充分回收，经济效益显著。作为这一技术国产化的工业性试验项目，江西水泥厂#3窑低温余热发电工程于1998年1月开工，1999年4月底开始并网发电。决算总投资2088万元，设计单位熟料发电量33.6kWh。本文就该厂低温余热发电工程的设计作一介绍。

2 原工艺条件及整改措施
　　江西水泥厂#3窑始建于1984年4月，1986年11月建成投产，是我国第一条自行设计制造的采用RSP窑外分解工艺的2000t/d新型干法生产线，也是国家“六·五”重点攻关项目之一。由于是第一条大型国产化生产线，设计时缺少经验，系统存在问题较多，后经多次技术改造以及厂方努力，现生产情况显著改善，熟料产量达到2000t/d设计水平，熟料月产量超过5万吨。但因投产时间较长，加之设计、制造、安装等方面的不足，该生产线部分设备不尽合理，多处热力风管锈蚀严重，系统漏风偏大，热耗偏高。为保证余热发电工程能达到预期效果，我院于1998年2月对系统有关部分进行了测试，在此基础上对#3窑系统提出了如下整改意见：
　　⑴ 调整篦冷机操作风量，适当减少篦冷机热端冷却风机供风,增加冷端冷却风量，使总的冷却风量有所下降，以提高篦冷机运行效率。同时由于总的冷却风量减少，可望篦冷机废气温度有所提高。
　　⑵ 针对窑头、窑尾密封及三次风管漏风严重的问题，采取措施以提高系统对篦冷机热风利用率，降低系统热耗。
　　⑶ 更换部分热烟气风管，恢复篦冷机电除尘排灰锁风阀等，以减少系统漏风。
　　⑷ 为在余热发电投入使用后保证生料磨仍有足够的烘干能力，增加粗粉仓、细粉仓入磨端锁风装置，使热风使用量超过75%。

3 低温余热发电系统设计方案
3.1 需考虑的问题
　　低温余热发电系统的窑尾余热锅炉（SP炉）和篦冷机余热锅炉（AQC炉）串联于熟料生产线上，两锅炉阻力均小于1000Pa。设计时，必须考虑下列问题：
(1) 窑尾主排风机和窑头、窑尾电除尘器及其风机的能力是否适应增设窑尾余热锅炉和篦冷机余热锅炉的条件；
(2) 原料磨的热风系统能否满足工艺要求；
(3) 该两台锅炉系统的安装是否不破坏原生产厂房。
经对窑系统设计资料认真复核，确认增设两台锅炉系统后所涉及的上述设备能力可以满足要求，不须作任何改造；两台锅炉系统的布置可以不破坏原生产厂房；出窑尾锅炉废气被送至生料原系统作为烘干热源，经核算,只要控制出窑尾锅炉废气温度≥240℃～℃260就可满足入磨原料综合水份≤5%的烘干要求。窑系统排风机性能见表1。
　　表1 窑系统排风机性能
　　　额定风量/（m3h-1）额定风压/Pa装机功率/kW³工作温度/℃
窑尾主排风机：
　　　　　474840 　　　　　7848 　　　　1600　　　　350 
窑头余风风机：
　　　　　　324000　　　　　　　　　　　 3158　　　　 475 

3.2热力系统设计方案及特点
图1 江西厂#3窑热力系统流程

　　热力系统工艺流程见图1。汽轮机冷凝器中的凝结水通过水泵和来自软化水车间的补充水一起进入除氧器进行化学除氧，由锅炉给水泵分两路送入篦冷机锅炉省煤器管束。经省煤器加热后，给水由40℃升至186℃,成为饱和水，然后分别被送入窑头分离汽包和窑尾分离汽包。窑尾余热锅炉和篦冷机余热锅炉均设有蒸发器，各自分离汽包的饱和水经热水循环泵分别被送至相应的蒸发器加热，转化为汽水混合物后再送回各自的分离汽包进行汽水分离。分离后的蒸汽在窑尾锅炉分离汽包内汇合后进入窑尾锅炉过热器继续加热成为305℃，1.05Mpa的过热蒸汽，再送至气轮机作功发电。篦冷机锅炉蒸发器的生产能力为产饱和汽4.1t/h，过热蒸汽19.05t/h。
经热交换后，篦冷机废气由270℃降为140℃，经窑头电收尘净化后排空。窑尾烟气由400℃左右降至260℃，送至生料磨作为原料烘干热源。
　　针对江西厂废气热焓情况、原料烘干要求、含尘量及粉尘特性采取了如下措施：
(1) 两台锅炉采用了一个共用的汽水回路系统，将两台锅炉的省煤器布置在窑头锅炉内，以充分利用篦冷机低温废气热源；将蒸汽过热器布置在窑尾锅炉内，以使过热蒸汽达到设定的温度，提高发电效率。
(2) 针对篦冷机废气所含熟料粉尘粒径较大、磨蚀性强的特点，为防止篦冷机锅炉换热器过早磨损，在锅炉前设置两台并联旋风收尘器作为预除尘装置，除尘效率设计在75%左右。
(3) 为防止因集灰而影响锅炉的换热效率，篦冷机锅炉和窑尾锅炉均设置机械振打和超声波两套除灰装置，两台锅炉底部均设置了专门的排灰系统。
(4) 为避免卧式锅炉漏风严重和流场分布不均的隐患，两台锅炉均采用立式锅炉。
(5) 采用化学除氧，其原理是利用氧具有活泼的化学性质，它能与很多的非金属和金属直接化合形成稳定的氧化物，使水中的溶解氧在进入锅炉以前转变成化合物，达到常温除氧的目的。较之热力除氧可大量减少系统蒸汽消耗，且除氧效果好,运行成本很低。
(6) 采用低参数单压凝汽式汽轮机,系统简单可靠,比较适应水泥窑工况波动大,频繁停窑的场合。
3.3 主要设备配置
　　该系统均采用国产设备, 汽轮机型号为N3-11，3000kW，5600RPM，进汽1.1MPa、305℃，排汽背压0.008MPa，发电机型号QF-3-2，3000kW、6300V。篦冷机锅炉和窑尾锅炉为针对该系统新开发设备，分别介绍如下：
　　(1) 篦冷机余热锅炉。篦冷机余热锅炉本体自上而下由省煤器和蒸发器组成，受热面管束均采用Ф45×3.5mm 的#20无缝钢管制成的蟹爪形针管，针管的肋化系数为5.19，大大提高了受热面的换热效果。同时蟹爪形针管有较强的自清灰功能，可有效地减缓受热面的磨损。受热面管束均采用逆流布置，即废气与工质反向流动，烟气经旋风收尘器除尘后，自下而上横向冲刷管束。省煤气受热面分为大小两组，大的一组为窑尾锅炉省煤器，小的一组为窑头锅炉自身省煤器。蒸发器采用强制循环，循环倍率为8。
在锅炉本体上下烟罩部位共安装了两台美国BHA公司制造的ModelAH-25A型声波除尘器，声波除尘器的启停程序由余热发电系统计算机控制，运行中根据需要灵活调整控制程序。
　　(2) 窑尾余热锅炉。窑尾余热锅炉本体自上而下由过热器和三级蒸发器组成，过热器和三级蒸发器受热面均由采用Ф38mm×4mm的#20锅炉钢管，由水平前后方向弯制成的上下蛇形管束组成，逆流布置型式。蒸发器采用强制循环，循环倍率为6。
解决好烟气粉尘对受热面的冲刷磨损以及集灰对换热效果的影响，是水泥窑余热锅炉设计的关键。在窑尾锅炉烟气入口截面上,管束和弯头等受气流冲刷严重的位置均设置防磨罩。为保证受热面的清洁，在锅炉本体内有4台BHA声波除尘器对称分布于锅炉本体，在左右炉墙各布置70个机械振打点，由14台调速电机驱动。
　　(3) 系统控制。整个余热发电系统采用PLC控制系统，为此新设一余热发电中央控制室。现场一次仪表检测的各种工艺参数经变送器送至中控室，由计算机处理、控制和显示。计算机设有完善的流程控制画面和报警系统等，主要有汽包水位控制、热井水位控制、前压调节控制、主蒸汽温度控制等五条PID调节回路和各种保护控制（如汽机超速、润滑油压力、轴温等）。PLC可编程控制器采用美国Modicom公司生产的Quantum系列产品，负责系统启停、参数检测、调节回路等,并且有实时趋势和历史趋势显示及打印功能。该系统可和窑中控制通信、交换显示参数以协调窑系统和余热发电系统的操作，如锅炉进口及旁路烟气风门开度、窑尾高温风机电流等。因属首次工业性试验项目，为确保运行安全，系统中设置了一些必要的手操功能，对重要参数也可进行仪表控制。