水泥窑余热发电技术与装备

　　  目前，根据中国水泥行业的实际情况，华效资源正在设计、制造和建设的水泥窑余热发电项目中，以2500t/d和5000t/d水泥窑为例，其发电能力如下： 
　　1、5000t/d水泥窑，按照目前的一般实际运行状况，根据实际测量的余热参数，设计装机10000kW发电系统，实际发电能力在9000～11000kW之间。 
　　2、2500t/d水泥窑，按照目前的一般实际运行状况，根据实际测量的余热参数，设计装机5000kW发电系统，实际发电能力在4500～5500kW之间。  对于具体的项目要根据实际的参数标定，而后单独设计余热发电系统和主设备。

　闪蒸余热发电技术简介

1、闪蒸余热发电技术概述 
　　　闪蒸发电技术是一种能最大限度地利用中、低温余热的纯余热利用发电技术。该技术主要以200℃～500℃的低温废气作为热源，通过余热锅炉生产出过热蒸汽和一定量的饱和水，将常规发电系统无法利用的部分低品位低温热能，通过闪蒸系统生产出饱和蒸汽，与过热蒸汽一起进入多参数汽轮机作功发电，从而增加余热发电功率，因此此技术一般可比常规技术多发电10～30%左右。同时，因为增加了闪蒸回路，使得该系统具有平衡和吸收不稳定热源发生的参数变化，保证发电系统安全、稳定、高效的运行，也对原工艺系统(例如水泥窑系统)起到了平衡稳定的作用。华效资源有限公司是国内唯一拥有闪蒸发电技术的公司。 
2、闪蒸复合发电的主要技术特点： 
　　闪蒸复合发电技术可最大限度地利用200℃以上的低品位余热；  余热利用率80%左右，最终废气排出温度可控制在90℃以下；比常规余热发电技术效率高10～30%左右； 
　　闪蒸系统对余热源参数大幅度变化具有较强的适应性； 
　　闪蒸工艺和主设备完全拥有自主知识产权，所开发的多进汽闪蒸汽轮机达到国际同等技术水平，经过两个实际项目的运行效果良好。水泥窑余热锅炉的排灰除尘能力强，换热效率明显高于其他类型的锅炉。 
　　经济效益明显，一般项目都在2～4年收回投资。属纯余热利用技术，不增加任何对环境污染因素，社会效益高。  
 
3、带调节回路的闪蒸余热发电工艺原理 
　　闪蒸余热发电工艺技术，具有热利用率和发电效率高、能平衡余热热源大幅度的不稳定波动的特点。这是通过独特的闪蒸回路和闪蒸主动调节组合控制系统实现的，其原理就是利用闪蒸技术对大幅波动的烟气余热发电系统进行主动调节，在系统（锅炉）吸收大量波动的烟气余热后，利用闪蒸技术仅产生少量蒸汽的原理，大大减小了对闪蒸余热发电系统的扰动，保证余热发电系统平稳运行。 
带可调节闪蒸系统的余热发电工艺系统主要由锅炉(1和6)、闪蒸器11、闪蒸汽轮机12、发电机13、凝汽器14、水泵(15和16)、闪蒸主动调节组合控制器17和相应的专家管理自控软件等组成。可应用于多热源系统或单热源系统，可以用于立式锅炉或卧式锅炉。 
　　下图为带可调节闪蒸系统的多热源的余热发电工艺系统示意图。如图所示，所述多热源系统由一台立式锅炉1、一台卧式锅炉6和一套由汽轮机12和发电机13组成的汽轮发电机组组成。所述立式锅炉1中的省煤器2的出口之一接至 




　　本锅炉1的汽包5，通过蒸发受热面3及过热器4后的过热蒸汽引入汽轮机12，带动发电机13做功发电。省煤器2的出口之二接至卧式锅炉6的汽包10，通过水泵9和蒸发受热面7及过热器8后的过热蒸汽汇同过热器4中的过热蒸汽一同引入汽轮机12带动发电机13做功发电。省煤器2的出口之三经闪蒸主动调节组合控制器12接至闪蒸器11。闪蒸器11出口的闪蒸汽接入汽轮机12，带动发电机13发电，闪蒸器11下方出口的水汇同从汽轮机12的排汽与经凝汽器14进入凝结水泵15的水共同进入给水泵16，供给立式锅炉1中的省煤器2进行循环。闪蒸主动调节组合控制器（17）的专家管理系统软件通过对各相关数据的处理由控制器调节，达到对系统主动调节的目的。

2.1.3高效和平衡是闪蒸系统的两大特点
　　蒸汽/热水闪蒸复合发电技术应用于水泥生产工艺更为有利，因为窑头余热气体成分近似于空气，SOx组份可忽略不计，不存在低温腐蚀问题，可以将锅炉排气温度控制在90℃左右，这样就实现了最大限度地利用能量的目标。因此，闪蒸发电系统比一般单压发电系统的发电量提高10～30%，经济效益可观。 
　　闪蒸系统的另一个优势是，由于水泥窑运行时窑头排气余热温度（窑头余热锅炉入口烟气温度）波动，闪蒸系统可以通过主动调节组合控制器17(如系统图1)及闪蒸器11及回路系统，调节窑头余热锅炉给水量保证省煤器不会产生汽化，同时最大限度吸收余热。在保证主动适应水泥窑热工状况的波动的同时，通过闪蒸系统起到缓冲作用，对水泥窑篦冷机出口风温波动有明显的稳定作用，大幅降低了窑头排风机入口风温的波动，对水泥窑的正常运行起到了很好的辅助作用。 

2.1.4 闪蒸余热发电系统的技术门槛 
　　①、华效资源利用自己的经验和设计软件等自有技术，聚集电厂工艺设计(电力设计院)、锅炉和汽轮机设备制造设计的技术人员共同完成系统的设计和技术集成及协调，以达到系统优化和合理组合，否则无法实现。华效资源已完整的组成了设备开发制造和工艺系统设计于一体的开发研制设计队伍，形成了华效资源的最大优势。 
　　②、双进汽(或多进汽)的闪蒸汽轮机是整个系统的关键，这项技术是移植了我国唯一定点生产核潜艇汽轮机的哈电集团的核电技术实现的，同时也应用了如采用全三维叶片等大型发电机组的一些设计方法和技术。由于闪蒸汽属于饱和蒸汽，所以闪蒸汽含水量达到10％左右，必须对汽轮机采取除水等一系列措施。所以饱和蒸汽汽轮机的设计、开发和制造是整个系统的设备关键，具有唯一性。 
　　③、卧式锅炉的设计、制造也是系统中比较有高度的一项技术，华效资源完成的山东泰山水泥的卧式锅炉，实现除灰效果好、热效率高、操作简单和运行安全可靠。 
　　④、对不稳定热源采取的调节主动控制系统及专家管理系统控制软件，是华效资源根据实际项目的运行情况和各种余热特性，独立开发出来的一套控制思路和软件系统，是整个系统的灵魂。 
2.1.5 闪蒸技术的应用领域
燃汽轮机联合循环； 
水泥窑余热发电； 
钢铁行业各种窑炉余热利用； 
化工、焦炭、煤制气、玻璃窑等工艺过程产生的余热发电。 
2.2 </A>水泥窑余热发电技术比较 
在我国纯低温余热发电主要方式有三种：单压工艺系统；双压工艺系统；闪蒸工艺系统，其中单压与双压为传统常规工艺系统。 
2.2.1 单压工艺系统 
　　单压系统就是在上述闪蒸系统中去掉闪蒸器11及其回路、组合控制器17及其回路、调节阀18及其回路和调节控制阀19及其回路后的系统，如下图所示。 

单压发电系统的特点是：

　　①、由于缺少闪蒸器及其回路，则没有二次蒸汽进入汽轮机发电，所以系统发电效率低。 
　　②、由于没有闪蒸器和回路，因此窑头锅炉废气出口一般在150℃以上，有大量的热量没有吸收。而当水泥窑余热温度和流量发生突然增高的时候，没有任何方法可以吸收多余的热量，所以系统图2中省煤器(2)的水管中的水会发生汽化(专业术语教“汽塞”)，使得锅炉汽包(5和10)的水位无法控制，从而造成整个发电系统停止运行。当发电系统停止运行的时候锅炉换热也将停止，所以锅  炉出口废气温度会大幅上升，使得水泥窑废气引风机的耗电量急剧上升，对整个水泥窑正常稳定的生产，造成了比较大的影响。 
　　③、由于以上原因，单压系统发电效率低、系统只能间断运行或者是把系统的工质热水排放掉，所以整个发电项目的经济效益差。 
　　④、系统属常规发电工艺，并且套用国家原有的系列发电设备，所以项目总投资略低于闪蒸发电项目，但投资回收期较长。  

　　①、由于双压系统是在单压系统的基础上，又机械的叠加了一套较低压力的单压系统，以提高整个系统的发电效率，所以双压发电系统的发电量从理论上讲高于单压发电系统。 
　　②、由于是两个单压系统的叠加，所以单压系统的第①和第②的问题依然存在，所以系统的调节能力和单压相同，也处于间断发电的状态，造成经济效益较差。  
 
3.1闪蒸汽轮机的特殊设计 

　　由于闪蒸汽轮机有多级叶片在湿蒸汽区域工作，末级叶片湿度非常大，必须采取特殊措施，尽最大可能地去除去蒸汽中的水分，减少对末级叶片的水蚀。主要采取的措施如下： 
　　1．末二级动叶片背弧顶部均采用焊接整条的司太立合金片，采用先进的工艺，保证焊接质量，可以很好地起到防止水刷、保护叶片的作用，倒数第三级动叶采用电火花强化处理以加强强度。 
　　2． 在结构上采用核电汽轮机特有的去湿结构设计，进一步去除通流蒸汽中的水分。核电汽轮机特殊的去湿结构设计主要有：在隔板和汽缸上设计专门的去湿环和捕水口，在末两级动叶片上设计有去湿槽结构，利用转子旋转的离心力作用将大部分水分从蒸汽内甩出主流区，达到去湿度、防水蚀的目的。 
　　3．在汽缸隔板结合面处采用特殊工艺（核电用），以保证结合面不被水蚀。 
　　4．把核电汽封的结构模式架接到闪蒸汽轮机的设计上。 
3.2窑尾余热锅炉 
　　窑尾余热锅炉有两种结构形式：即卧式和立式。 
3.2.1卧式炉 
 　华效资源采用的卧式炉主要优点有：不易积灰，这与锅炉内部的换热面采用挂件式布置有关；清灰容易，不存在累积搭桥的可能。因为外形结构与粉尘沉降室一致，机械振打落下的粉尘落入灰斗，不影响高温风机的运行。 
卧式炉可能的问题点及对策： 
　冷热烟气在炉内水平流动，可能会造成流场不均，影响换热效果。
 
　换热面积的设计上充分考虑此因素，受热面分段布置，出入口及内部设置特殊设计的导流板以达到均匀流场的效果。   漏风点较多，密封要求高  采用高质量回转喂料阀，在此基础上以加上灰柱密封，可以完全锁住漏风。 振打装置停运一段时间后开启时，大量粉尘落下有可能压死输送设备，  灰柱密封本身已将灰斗与输送设备隔开，完全消除了此种可能
3.2.2立式炉： 
 　　立式锅炉主要优点：漏风点少、比较容易布置（可顺着窑尾风管方向布置）、占地面积较小。 
立式锅炉主要缺点：在管束间距相同的情况下锅炉易积灰（特别是窑尾废气中的粉尘浓度较高）、管束间易出现搭桥现象，耗钢量相对较大。因为外形结构的原因（见附图），机械振打落下的粉尘落入一部分随废气进入高温风机，在振打装置停运一段时间后开机时，可能因大量粉尘进入高温风机而恶化高温风机的运行状况，从而影响整个烧成系统的稳定。 
3.2.3关于锅炉积灰： 
　　锅炉的积灰主要与粉尘浓度和粉尘性质及受热面的布置水平有关，中空窑进入锅炉的废气温度约为850±50℃，此时的粉尘为熔融状态，容易附积在换热面和炉墙上，无论是立式还是卧式部署，通过振打吹扫等清灰手段不易清除，从而影响锅炉的热效率。 
　　新型干法窑预热器出口的烟气温度约330℃，此时的粉尘主要为生料粉，较为松散，在进行立式余热锅炉设计时，换热管束间距可以布置的相对大一些，换热管束采用光管，并通过机械振打等手段，在一定时间内可基本达到清灰目的，但由于工作温度较高，部分粉尘附着在换热面上，经振实后，逐渐形成陶瓷态外壳，不易清除并逐渐加厚。 
卧式炉由于传热管竖直布置，不会出现上述问题。 
3.1.4国外应用经验： 
　　最早开发水泥余热发电的国家是日本，其在早期也是卧式、立式都有，但立式炉的管束间距很大，以防止发生搭桥。因此卧式炉的体积是立式炉的3到4倍，差别很大。自从进入上世纪八十年代中期 ，立式炉经过3年以上的运行，其积灰不易清除的后果逐渐显现，锅炉运行工况恶化。立式炉逐渐退出市场，成为卧式炉的一统天下。 
四、水泥窑余热发电工程设计和建设应注意的问题 
　　1、 余热发电的建设时机及与主生产线的协调目前水泥余热发电均是在水泥生产线投产后，以技术改造形式建设的。在进行　　　　　　　　　　　水泥生产线的设计时，基本上未考虑余热发电的要求，这样给余热发电系统的设计和建设带不小的困难，有些工程建设时考虑到了余热发电，但从工艺流程、运行参数确定、空间位置及建筑结构上，考虑得还是不多。因此，最好的办法是设计水泥生产线的同时，提前做好余热发电系统的规划或初步设计，可以同步建设（这时余热发电系统的机组容量要考虑充分，留有一定余量），也可待水泥生产线投产后根据热工标定数据进行施工图设计和工程建设，尽量做到两方面兼顾。 
　　2、余热电站基本设计参数的确定 
　　余热发电工程是纯粹利用水泥生产工艺系统的废气余热回收发电的，废气的流量和温度是系统设计的最根本的参数，如果设定有误，则设计出的热力系统不能很好地利用废气余热发电，影响发电能力甚至发电系统的安全运行；另外水泥生产系统各主机设备的运行式况也是进行余热发电系统设计的重要参数，关系到发电系统能否很好地适应烧成系统的各种工况，以及发电系统并入后对主生产线的运行是否产生不利影响。有条件的企业应认真研究生产线投产以来的运行情况，总结出最有代表性的相关参数，结合对生产线的热工标定，提出能使余热发电系统最好地适应主生产线运行的相关参数，从而达到最好的效果。 
3、余热发电站与水泥生产线的控制系统的关系 
　　余热发电站一般都配置独立的集散控制系统（DCS），但由于余热锅炉的操作与熟料烧成系统有千丝万缕的关系，两个控制系统的关系特别是相关废气挡板的操作控制是设计人员必须充分重视的问题。如有可能，应尽量将余热电站的操作台设置在中央控制室内；若条件不允许，也应充分考虑两个系统之间的数据通讯和各种联锁和保护。要在操作规程中明确规定有关操作程序，以保证窑操作员和电站操作员的动作协调，在保证熟料烧成系统热工稳定的前提下尽量提高发电功率，获得最大的经济效益。 
4、关于闪蒸水供热和制冷由闪蒸器排出的约120℃的热水可以作为工厂冬季供热、夏季致冷（吸收式）、职工生活设施等处的热源，只需投入少量的管道、水泵的投资，可以节约大量能源和投资。企业在进行工厂规划时，应统一考虑，以达最佳的经济和社会效益。