双压纯低温余热发电技术在辽源金刚水泥厂的应用

 

     能源问题是关系经济发展、社会稳定和国家安全的重大战略问题。节能降耗和环保已成为我国的基本国策。2006年国家节能和环保两项指标未完成，一个重要原因是缺乏有效的节能环保技术。在这种形势下，相关单位纷纷研制开发节能环保技术，水泥窑纯低温余热发电技术就是一个既节能又环保的新技术。

 

     该项技术目前已得到广泛重视。国家发展改革委员会在《节能中长期专项规划》中，明确提出要在2 000 t/d以上水泥生产线中建设“余热余压利用工程”以降低生产成本，优化生产流程，控制污染物的排放，促进环境保护。因此水泥窑纯低温余热发电技术具有广阔的市场空间，必将推动水泥行业的技术进步，促进水泥行业的节能降耗和环保，实现清洁生产。

 

     水泥窑余热发电的原则就是在保证水泥生产线熟料质量、产量稳定且不增加热耗的条件下，尽可能的回收利用余热，提高吨熟料发电量。一方面要求尽可能多的回收低温余热，即提高余热锅炉效率，这需要在保证余热锅炉面积一定的条件下，降低蒸汽的压力与温度；另一方面，也要提高汽轮发机的效率，这需要提高蒸汽的压力与温度。要想提高整个余热发电系统循环的效率，就必须兼顾余热锅炉效率和汽轮机的效率。双压系统产生的高压蒸汽可提高汽轮机的效率，同时产生的低压蒸汽可提高余热锅炉效率，解决了二者的矛盾，最大限度提高了吨熟料发电量。本文介绍双压纯低温余热发电技术在辽源金刚水泥厂的工程应用。

 

 

     双压余热发电技术就是按照能量梯级利用的原理，在同一台余热锅炉中设置2个不同压力等级的汽水系统，分别进行汽水循环，产生高压和低压两种过热蒸汽；高压过热蒸汽作为主蒸汽、低压过热蒸汽作为补汽分别进入补汽凝汽式汽轮机，推动汽轮机做功发电，双压余热发电系统使能量得到合理利用，热回收效率高。

 

     余热资源参数不同，余热锅炉的低压受热面与高压受热面有不同的布置方式。根据辽源金刚水泥厂窑头(AQC)和窑尾(SP)的余热特点和工艺要求，经过余热利用后，要使AQC余热锅炉排烟温度降到100℃左右。使窑尾SP余热锅炉排烟温度降低到220℃左右后进入原料磨烘干原料,其设置的双压余热发电系统简图如图1。

 

     双压余热发电系统与常规余热发电系统不同之处在于其窑头(AQC)余热锅炉增设了低压汽水系统，其汽轮机组在第四压力级之后增加了补汽口，并适当增大补汽口以后汽轮机通流部分面积。

 

     采用双压系统的主要目的是为了提高系统循环效率。使低品位的热源充分利用，获得最大限度的发电功率，降低窑头(AQC)双压余热锅炉的排气温度；其次是双压系统的低压蒸汽是过热的，进入汽轮机后能保证汽轮机内的蒸汽最大湿度控制在14％以下，使汽轮机叶片工作在安全范围内，并提高机组的效率；同时低压蒸汽还可用于供热等其它需要热源的地方，提高运行灵活性。

 

     双压余热发电系统简单灵活、成本低、热利用率高。由于在余热锅炉上增设了低压省煤器、低压蒸发器，并且增设了低压过热器，能够把更多的低温余热吸收利用，比单压系统多发电10%左右，并且必要时能够解列，维持单压系统正常运行。而对于能够增加发电量的闪蒸系统来说，需要增加闪蒸器、汽水分离器等设备；闪蒸器产生的是饱和蒸汽，在进入汽轮机做功后，易使汽轮机排汽干度不能满足汽轮机的要求。

 

 

 

     为了改变本地区水泥行业的落后面貌，充分利用自身的经济实力、廉价的煤炭及电力资源，辽源金刚结合地方矿产资源，高标准、高起点建设二条5000 t/d具有五级预热器和预分解炉的新型干法生产线。这对加速当地水泥产业结构调整，实现水泥生产升级换代，拉动当地采矿、运输和服务的发展起了很大的推动作用。

为了提高企业综合效益，最大限度的利用水泥熟料生产线的窑头、窑尾废气余热，金刚集团对国家及吉林省资源综合利用的产业政策进行认真的学习和研究，同时对国内现有的资源综合利用电站进行综合调研的基础上，根据企业现有生产规模、技术条件和现有新型干法水泥窑所产生的余热及场地布置等因素，决定利用水泥熟料生产线窑头、窑尾余热资源，采用双压余热发电技术建设纯低温余热电站。

 

     由于设计时生产线尚未投产，原始废气参数只能根据设计参数和其它同类型线的经验参数取值，确定为：出窑尾预热器SP的废气流量为340 000Nm³/h、温度为320～350℃；冷却机AQC排出废气量为300 000 Nm³/h、温度为260℃，为了使窑头AQC锅炉产生参数稍高一些的蒸汽，以便与窑尾SP锅炉产生的蒸汽能混合进入汽轮机，对AQC进行了改造，从中部开孔，抽出的烟气量设计值为180 000 Nm³/h、温度为350℃。

 

 

 

     根据辽源金刚水泥厂的余热条件，结合朗肯循环原理，对能量进行梯级利用，采用双压工艺热力系统，可使相对高温热源（210~350℃烟气）产生较高参数的蒸汽，使相对低温热源（100~210℃烟气）产生较低参数的蒸汽，使能量分布优化，提高热力系统循环效率。

 

     在窑尾预热器废气出口设置SP余热锅炉。从预热器出来的350℃左右的烟气从顶部进入SP余热锅炉，由于其烟气粉尘浓度高为80－100g/Nm³、粉尘颗粒细、粉尘比电阻高、粉尘硬度低等特点，对锅炉受热面的磨损不严重、但容易积灰，因此在SP余热锅炉内设置振打除灰装置。烟气在锅炉内经过能量交换后，温度为220℃左右，进入原水泥系统。

 

     在窑头冷却机废气出口设置AQC余热锅炉，采用双压技术。由于窑头烟气带着磨损性较强的熟料微粒，含尘浓度为20－30g/Nm³左右，具有干燥，粉尘粒径粗、磨损性大、粘附性不强等特点；为减轻锅炉磨损，提高锅炉的使用寿命，在AQC锅炉前设置沉降室。350℃左右的烟气从篦冷机中部抽出后进入沉降室，在沉降室内约有60％的灰尘沉降下来，灰尘通过拉链机送到水泥熟料系统，烟气再从顶部进入AQC余热锅炉，在锅炉内经过能量交换成为温度为100℃左右的烟气，进入水泥系统的窑头电收尘器。

 

     余热发电汽水系统流程为：给水经高压给水泵进入AQC余热锅炉公共省煤器后，被加热成为饱和水后，分成二路分别进入AQC锅炉高压系统和SP锅炉。另一路低压给水经低压给水泵进入低压省煤器后，进入AQC锅炉低压系统。进入AQC高压系统和SP锅炉的水经过锅炉内部循环被加热成过热蒸汽；进入AQC低压系统的水被加热成低压补汽 ，两台锅炉的过热蒸汽混合后和低压补汽分别进入汽轮机前端高压进汽口和中部低压补汽口做功发电。

 

     为了保证电站事故时不影响水泥窑生产顺利进行，余热锅炉均设有旁通废气管道，一旦余热锅炉或电站发生事故时，可以将余热锅炉从水泥生产系统中解列，不影响水泥生产的正常运行。

 

      以上电站工艺系统特点，可以使电站运行方式灵活、可靠，很好地与水泥生产配合，并最大限度地利用余热。

 

 

     由于水泥线工艺布置较紧凑，现场空地不多，而窑尾SP锅炉又采用立式锅炉，所以将窑尾SP炉布置在窑尾预热器后的高温风机之上。在每条线最上一级（C1级）预热器至窑尾高温风机的下行管道上引出废气管道与SP锅炉相连。锅炉出口烟气温度在220℃左右，送到窑尾高温风机进风口的管道上，以满足下道工序烘干原料和煤的需要。烘干原料和煤后的废气由原废气处理系统的收尘器净化后排入大气。控制锅炉的烟气阻力≤1000Pa，使系统的阻力在窑尾高温风机的能力允许范围之内。在原预热器出口至高温风机的烟道引出管道、原下行管道以及锅炉出口管道上均增设电动百叶阀门，对气流进行控制和切换，原下行管道可做为锅炉的旁通烟道。当需要提高烘干原料和煤的烟气温度时，可适当调节下行烟道调节阀，让锅炉出口的低温烟气和C1级出口直接下行的高温烟气混合，提高进窑尾风机（原料磨）的烟温，其调节范围从220℃或更低直至C1级出口温度（即烟气一点不通过SP锅炉），而且SP炉的进口烟道阀和旁路烟道阀，正常设计在窑控制室操作，窑操可随时根据具体情况调整，既满足了水泥生产的稳定运行，又保证了SP炉的安全。通过旁通烟道的调节作用还可使水泥生产及余热锅炉的运行均达到理想的运行工况。

 

     在熟料冷却机与窑头收尘器之间设一台AQC锅炉，由废气管道连接。为保证锅炉正常产汽量，需对冷却机进行改造，从冷却机中部（原煤磨抽风处）引出管道，抽出350℃左右的废气送至沉降室，滤去大颗粒粉尘后再由管道引向AQC锅炉。从冷却机中部抽风的目的是提高进入AQC余热锅炉的废气温度，提高整个系统的循环效率。

 

     每条线出AQC锅炉的废气进入原有的窑头收尘器收尘后，由原有窑头排风机排放，冷却机剩余的低温余风仍由原管路进窑头收尘器。原余风管路系统可做为锅炉的旁通烟道，当锅炉故障或水泥生产不正常时可关闭去AQC锅炉的阀门，气流可不经锅炉而由此旁路系统直接排至窑头收尘器。在冷却机原余风管路上、新设的去锅炉管路上和出锅炉管路上均增设电动百叶阀门，以实现对气流的控制和切换。锅炉和沉降室的烟气总阻力控制小于1000Pa，使改造后的气体流量和压力在窑头排风机的能力允许范围之内。

 

 

     窑尾SP余热锅炉管束上的积灰经过振打装置振下后通过螺旋输送机送到原水泥系统增湿塔下面的链式输送机，与增湿塔下来的料混合后，温度降低，对系统设备不会造成影响，再通过链式输送机送到原料库；AQC余热锅炉及沉降室的积灰量清下后通过拉链机送到熟料输送机，再由熟料输送机送到熟料库。

 

 

     循环冷却水系统包括循环冷却水泵站、冷却构筑物、循环水池及循环水管网。运行时，循环冷却水泵自循环水池抽水送至各生产车间供生产设备冷却用水，冷却过设备的水（循环回水）利用循环水泵的余压送至冷却构筑物，冷却后的水流至循环水池，供循环水泵继续循环使用。为确保该系统良好、稳定的运行，系统中设置了加药和旁滤设备。

 

     加药系统采用两套自动加药装置定期加入阻垢剂与杀菌剂，分别投加HEDP和ClO₂。HEDP除去水中的Ca²⁺ ,Mg²⁺等金属离子，降低水的硬度，防止设备、管道结垢；ClO₂防止水中滋生藻类，同时可以杀菌作用。

 

 

     为了保证锅炉给水水质，提高供水安全可靠性考虑，建设一条一级反渗透+一级混床除盐的除盐水系统。考虑采用一级反渗透+混床水处理系统的原因为：

① 用一级反渗透+混床制除盐水，与用软化水相比较：

可降低锅炉排污率，从而降低热量的损失，提高了余热的利用效率。用一级反渗透+混床制除盐水的排污率为0.4％，用软化水的排污率为7.5％。

可大大提高了补给水水质，解决了中低压锅炉中常用软化水作补给水而引起的硅酸盐结垢的问题。有利于锅炉的长期稳定运行，延长了锅炉的使用寿命。

由于纯低温余热发电利用废烟气，温差波动较大，造成锅炉负荷变化大，因此蒸汽中携带的盐分较多，在过热器及汽轮机中造成盐类的积聚，引起过热器堵塞及汽轮机故障，选用纯度较高的除盐水，能在负荷不稳的情况下保证蒸汽的品质，提高系统运行的可靠性。

② 用一级反渗透+混床制除盐水与用一级除盐水相比较，

可降低酸碱耗量，一级反渗透+混床的再生酸碱耗量为一级除盐水的5％，从而减少了酸碱废水的排放量，有利于环境保护。

减少了系统的频繁再生操作，使系统的运行操作更简单，

系统的出水水质更易得到保证，且大大提高了出水水质。

采用一级反渗透+混床水处理系统符合系统及现场的条件，有利于系统的稳定运行。

 

 

     为控制锅炉给水的含氧量，减少溶解氧对热力系统设备的腐蚀，根据余热发电工艺要求，进入锅炉的给水含氧量必须≤0.05mg/l。采用化学药剂除氧，在给水中加入化学还原药剂联氨（N₂H₄），使其与氧反应生成无腐蚀的稳定化合物，将水中的溶解氧除去。

其反应方程式如下：N₂H₄ +O₂ = N₂↑+2H₂O

 

     其反应产物N₂和H₂O对热力系统没有任何害处，在200℃以上的高温水中，N₂H₄还可以将Fe₂O₃还原成Fe₃O₄、FeO以及Fe。联氨的这些性质对防止锅炉内的铁垢有一定的作用。被广泛地应用于中、高压锅炉给水的化学除氧处理。

采用化学除氧的原因：

常用的除氧方法有热力除氧、真空除氧、化学除氧（包括药剂除氧和钢屑除氧）、解析除氧等。

热力除氧不符合工艺要求（给水水温55℃，锅炉排烟温度95℃左右），如果改变工艺，则造成系统的复杂；

采用真空除氧造成操作及系统复杂，由于在真空状态下，被除氧的水温度对除氧效果有着直接关系，除盐水温度应高出除氧器运行的真空度所对应的饱和温度3-5℃，水喷射真空泵工作的循环水温应低于该饱和温度3-5℃。两者温差为6-10℃，只有控制好这一温差，除氧效果才能好，在实际运行中，由于运行条件的变化及四季的变换，这一温差不好控制、操作困难，除氧不很可靠。

采用化学除氧的铁屑除氧在运行时需要反洗，要经常更换滤芯，维护费用较大。

采用解析除氧要消耗燃料，工艺复杂。

采用化学除氧的药剂除氧。可以简化全厂的热力系统并保证除氧效果。综合考虑，采用化学药剂除氧系统。

 

 

     由于本工程地处东北严寒地区，需对室外的仪表等设备进行伴热保温。电气设备各测点的导压管、变送器设置自限温伴热带，同时设置保温箱以确保仪表灵敏、准确工作；对于室外液位计、现场控制箱等需防冻的设备，设置保温箱进行保护。

 

其型号为：QC180/350-14(4)-1.6(0.35)/330(165)①。是为满足5000t/d水泥熟料生产线的窑头冷却机的余热回收而设计的。

锅炉规范及主要参数为：

1、 锅炉额定蒸发量：14(4) t/h

2、 额定蒸汽压力：1.6(0.35) MPa(g)

3、 额定蒸汽温度：330(165) ℃

4、 给水温度：55 ℃

5、 余热烟气量：180 000 Nm ³/h

6、 余热烟气进口温度：350 ℃

7、 设计烟气出口温度：95 ℃

8、 烟气含尘量：30 g/Nm³

AQC 余热锅炉采用双压结构，高压段出口额定蒸汽压力为1.6MPa(g)，低压段出口额定蒸汽压力为0.35MPa(g)。AQC 锅炉整体采用管箱式结构，自上而下有高压过热器管箱、两级高压蒸发器管箱、高压省煤器管箱、低压过热器管箱、低压蒸发器管箱，高低压省煤器管箱。管箱采用左右对称结构共14 只管箱，这些管箱均通过底座型钢将自身重量传递到钢架的横梁上。采用这种管箱式结构，可将锅炉漏风降至最低，提高锅炉效率，减少现场安装的工作量。

 

其型号为：QC340/350-24-1.6/320。是为满足5000t/d水泥熟料生产线的窑尾预热器(SP)的余热回收而设计的。

锅炉规范及主要参数为：

1 锅炉额定蒸发量：24 t/h

2 额定蒸汽压力：1.6 MPa(g)

3 额定蒸汽温度：320 ℃

4 给水温度：134 ℃

5 余热烟气量：340 000 Nm³/h

6 余热烟气进口温度：350 ℃

7 设计烟气出口温度：220 ℃

     SP 余热锅炉采用单锅筒自然循环方式、露天立式布置，结构紧凑、占地小。烟气从上向下分别横向冲刷过热器、五级蒸发器、省煤器，气流方向与粉尘沉降方向一致。

 

其型号为：BN6.5-1.5/0.35。是为满足水泥行业5000 t/d熟料生产线双压余热发电而设计的低参数汽轮机，适合水泥厂及其它具有中低温废热资源单位使用。其主要参数为：

装机功率：6.5 MW

额定转速：3000r/min

进汽压力：1.5 Mpa(a)

进汽温度：300℃

进汽量：38 t/h

补汽压力：0.35Mpa(a)

补汽温度：155℃

补汽量：  4 t/h

排汽压力：0.007 Mpa(a)

排汽温度：39.02℃

 

    汽轮机补汽缸采用渐缩蜗壳式结构，保证低压蒸汽能均匀补进汽轮机，补进后能与主蒸汽均匀混合；末级叶片采用扭叶片，提高汽轮机后缸热力性能和汽轮机的效率。对于补汽式汽轮机，在主蒸汽及补汽参数确定后，补汽点的选取和补汽结构的设计是关键。补汽点位置选取不当会造成蒸汽补不进去或补汽损失太大，在经过详细的汽轮机通流部分计算，兼顾额定工况、最大工况和变工况以及汽轮机的实际结构后，确定补汽点为第四压力级后。

 

    汽轮机高压主蒸汽参数的确定：高压主蒸汽压力增加使蒸汽焓降有所增加，但同时压力增加使进汽比容减小，由于高压级叶片较短，损失增加；压力增加也使排汽湿度增加，对末级叶片的安全性及经济性不利。而且压力增加也使系统耗功增加，所以汽轮机进汽压力并非越高越好，经过优化后取汽轮机进汽压力为1.5 MPa(a)。机组出力随主蒸汽温度的提高而明显地增加，但它受余热烟气温度的限制。考虑锅炉投资同增加出力的关系取热端温差为25℃。同时考虑到沿途散热及损失的影响，进汽轮机的主蒸汽温度定为300℃。

汽轮机低压补汽参数的确定：低压补汽参数的选取从三个方面来考虑：(1) 最佳的经济性，补汽压力的确定要使汽轮机出力最大。 (2) 补汽温度同主流温度要匹配，补汽与主蒸汽温差不宜太大，这是为了降低补汽口处缸体的热应力。 (3) 补汽过热度要求，补入蒸汽带有湿度不利于机组安全运行，设计要求在任何工况下补汽的过热度大于11 ℃。综合以上情况选取补汽压力为0. 35MPa (a) ，补汽温度为155 ℃，过热度为16℃。

 

 

     辽源金刚水泥厂首次应用双压余热发电系统进行余热利用。经过5个多月时间的建设，于2006年9月27日一次并网发电成功。在水泥生产线熟料产量稳定在5000 t/d且不增加热耗的条件下，吨熟料发电量达到37 kwh/t.cl以上，实际发电功率达到7726 kw，自用电量小于7％。窑头AQC锅炉排烟温度在100℃以下。窑尾预热器排烟温度为220℃，在设计范围之内。该余热发电技术处于国内领先水平，并达到了国际先进水平。

以下为辽源金刚余热发电的设计与实际运行情况对比表：

项目		设计参数	运行参数	优化后可以达到参数
AQC烟气参数	流量(Nm3/h)	180 000	约150 000	220 000
	温度(℃)	350	约360	380
SP烟气参数	流量(Nm3/h)	340 000	约340 000	340 000
	温度(℃)	350	350	350
AQC蒸汽参数	流量(t/h)	14(4)	18(3.8)	20(4)
	温度(℃)	320(165)	330(160)	350(180)
	压力(MPag)	1.6(0.35)	1.51(0.17)	1.6(0.35)
SP蒸汽参数	流量(t/h)	24	18.7	24
	温度(℃)	320	320	320
	压力(MPag)	1.6	1.54	1.6
发电量(kw)		6500	7726	>9000
汽耗(kg/kwh)		6.46	5.24	<5
吨熟料发电量kwh/t.cl		30	37	43

 

 

    双压余热发电技术是一项成熟的技术，可适用于多种中、低温余热发电的专利技术，属于国家发改委重点支持和推广的节能项目。该技术能够在成本投资较小的情况下，极大限度地利用温度在200～400 ℃之间的低品位热源，比同条件下的常规余热发电系统能多发电10%左右。辽源金刚水泥厂余热发电建成投产，并网发电一次成功，表明国内纯低温余热发电技术有了重大突破，已经步入国际先进行列。整个余热发电系统工程造价低、热效率高、设备均为国产，具有很好社会效益和经济效益可观，符合我国能源政策的节能和环保的发展趋势，有极大的推广价值。

 

参考文献:

[1] 彭岩..纯低温余热发电双压技术分析.中国水泥，2006(6).

[2]刘志江.新型干法水泥技术.北京.中国建材工业出版社，2005.

[3] 辽源市金刚水泥厂纯低温余热发电技改工程可行性研究报告