低温余热发电锅炉技术的开发与实践

摘要：本文阐述了哈尔滨锅炉厂有限责任公司水泥窑余热锅炉技术的发展历程，低温余热锅炉的技术参数及纯低温余热锅炉的面临技术难点。
1．前言
　　水泥窑余热发电技术随水泥工业技术的发展而不断进步，哈尔滨锅炉厂有限责任公司（以下简称哈锅）自1980年以来较早预见水泥行业余热利用的发展趋势，一直致力于水泥窑余热锅炉技术及产品的开发与研究，余热锅炉技术在多次经历失败和挫折后也得到了较大的发展，先后开发了中空窑高温余热锅炉、低温带补燃余热锅炉、纯低温余热锅炉系列产品。
2.水泥窑余热锅炉技术简介
　　在中空窑的余热发电技术中，单台水泥窑余热发电功率小于7000KW，余热锅炉蒸汽参数：压力≤3.82MPa，温度≤450℃，余热锅炉进口废气温度为500-900℃。这一时期哈锅配套开发的高温余热锅炉成功应用于大连水泥厂、苏州南新水泥公司、偃师水泥厂等几十个水泥厂，取得了良好的环保和经济效益。该技术的成功运用为余热锅炉技术进一步发展积累了丰富的经验，为后来水泥窑低温余热发电技术奠定了基础。从数十台该型余热锅炉的实践中摸清了中空窑余热锅炉的漏风、磨损、积灰的机理并找到了相应的解决措施。
　　随着预分解窑技术在中国的推广和应用，哈锅和天津水泥设计研究院合作于二十世纪八十年代末期开始开发、研制预分解窑余热发电系统及设备，至二十世纪末已在国内为水泥熟料产量700 T/D-5000T/D各种规格型号的水泥窑设计制造了单台机组发电功率为4500KW-12000KW系列余热锅炉产品。在预分解窑余热发电技术中又分为两种类型；其一为不带补燃锅炉的纯低温余热发电技术，其二为带补燃锅炉的低温余热发电技术。
　　对于不带补燃锅炉的纯低温余热发电系统，根据废气温度和废气量的不同，余热发电系统的余热发电能力也不同，当窑尾预热器排出的废气温度为350?430℃、窑头熟料冷却机排掉的废气温度为200?360℃，通过余热锅炉回收其中的余热产生一定流量过热蒸汽温度为330-400℃，压力为1.6MPa-2.45 MPa，同时产生低压饱和蒸汽作为补汽进入汽轮机。在不改变水泥窑系统内的设备、不影响水泥生产中的物料烘干、不增加熟料热耗的条件下，每吨水泥熟料的余热发电能力为22-35KW。由于受到补汽式汽轮机技术及其它经济因素的制约，此项技术在国内近两年才得以大力推广应用。
　　对于带补燃锅炉的余热发电系统，所用余热来源与不带补燃锅炉的余热发电系统相同，不同之处在于在不带补燃锅炉的余热发电系统内串接补燃锅炉。串接补燃锅炉后，不仅余热发电系统的发电功率大幅度提高，企业经济效益相应增加，而且该发电系统可以不因水泥窑停运而停运、补燃锅炉排出的灰渣又可以用于生产水泥，发电能力可以根据水泥生产的需要而适当调节。另外由于补燃锅炉多采用流化床锅炉，在燃用劣质高硫煤情况下，该系统又具有环保和资源综合利用的优势，因此带补燃锅炉的低温余热发电系统近十几年我国的余热发电领域得到了广泛应用。其中哈锅设计制造的该型余热锅炉在河北冀东水泥厂，山东鲁南水泥厂，北京琉璃河水泥厂, 湖北葛洲坝股份公司水泥厂，牡丹江水泥厂，河北太行水泥厂等十二家水泥生产企业陆续运行，这些工程投入运行后产生了显著的经济效益。
3.带补燃的余热发电锅炉
　　八.五期间，根据我国当时大型水泥企业的余热利用中水泥窑的类型多为悬浮预热器和窑外预分解窑的技术的实际情况，余热多来源于温度400℃以下的废气，而当时我国的低温闪蒸发电技术在我国还不成熟，国家有关部门决定将带补燃锅炉的余热发电系统作为国家八.五重点攻关课题优先予以开发，由天津水泥工业设计研究院、哈尔滨锅炉厂有限责任公司（即哈尔滨锅炉厂）、山东鲁南水泥厂共同攻关。天津院负责系统总体设计，哈锅负责余热锅炉和补燃锅炉的设计开发和制造，由鲁南水泥厂负责工程具体实施。此工程在1996年11月完成，正式并网发电，各项指标均达到攻关目标，取得了良好效果。被评为国家八.五攻关科技成果重大成果一等奖。此后将煤粉补燃锅炉改为流化床补燃锅炉使该技术的水平进一步提高，使哈锅的该技术在国内处于领先地位。
　　该系统主要利用预分解窑窑尾悬浮预热器（Suspension preheater，简称SP）的320℃～400℃的废气余热产生中压饱和蒸汽及热水,然后将其引入补燃锅炉，通过补燃锅炉将蒸汽参数提高到汽轮机所需参数；其次，利用熟料篦式冷却机（Air Quenching Cooler，简称AQC） 200℃左右的废气生产低压饱和蒸汽及80～120℃的热水，为锅炉给水除氧并取代汽轮机回热抽汽，降低汽轮机的汽耗。此系统见图：

      
　　配套设计的余热锅炉是在已有余热锅炉的经验基础上，合理进行优化设计，包括烟速的选择、传热系数的选择、温压的选取、受热面结构形式的选择、积灰和磨损的结构处理等。
　　窑尾余热锅炉均采用立式布置，一般分为蒸汽段和热水段，其中蒸汽段对流管束内工质循环方式为强制循环。窑头余热锅炉采用立式布置，为解决受热面磨损的问题，锅炉受热面采用膜式结构，受热面的弯头区采取了有效的防磨措施。此类产品的成功开发为以后开展纯低温余热锅炉研制积累了宝贵的经验。
 4.纯低温余热发电锅炉
 4.1 系统简介
　　哈锅的纯低温余热发电锅炉是在国内蒸汽/热水闪蒸复合发电技术得到成功应用后，首先与北京华效资源有限公司合作为山东某水泥有限公司2500t/d、5000t/d窑外分解窑蒸汽/热水闪蒸复合发电工程配套设计制造4台余热锅炉。以2500t/d水泥窑配套的余热锅炉为例简单介绍：该工程采用蒸汽/热水闪蒸复合发电技术，在2500 t/d水泥生产线上配置一台窑头余热锅炉和一台窑尾余热锅炉，窑尾余热锅炉产生的主蒸汽进入一台双进汽汽轮机的主汽口进行发电，两台余热锅炉的部分热水抽出后分别引入同一台闪蒸器中闪蒸出低压饱和蒸汽进入汽轮机的补汽口辅助发电。该系统见下图：

    
　　纯低温余热发电锅炉从窑头窑尾余热锅炉整体合理的布置形式、受热面管束的布置、烟气速度的选取、以及如何解决锅炉的磨损、积灰和漏风等问题。从低温带补燃余热锅炉实践中借鉴到较丰富实际经验。
4.2  2500t/d窑配套的纯低温余热锅炉技术参数如下：
　　窑尾余热锅炉
　　废气温度：                  420℃
　　废气流量：                  168000 Nm3/h
　　锅炉出口蒸汽流量：          20t/h
　　锅炉出口蒸汽压力：          2.5MPa(g)
　　锅炉出口蒸汽温度：          400℃
　　省煤器出口总流量：          40 t/h
　　给水温度：                  205℃
　　窑头余热锅炉
　　废气温度:                    225℃
　　废气流量：                   140200 Nm3/h
　　锅炉出口热水流量：           45t/h
　　锅炉出口热水压力：           2.8MPa(a)
　　锅炉出口热水温度：           205℃
　　给水温度：                   80℃
4.3主要技术难点
　　由于水泥窑的生产工艺、生产方法、原料、燃料条件的变化，其产生的烟气余热的品质随之产生很大的波动，给纯低温余热锅炉的余热利用带来了很多困难。因为纯低温余热锅炉应尽可能适应水泥窑的变化，产生稳定的蒸汽参数，对汽轮机产生较小的影响。因此充分了解低温余热烟气特性是非常重要的，余热锅炉设计时应考虑采取必要的措施适应窑尾烟气的特点和发电系统工艺要求，最大限度的利用烟气的余热，如何解决此问题是纯低温余热锅炉设计的难点之一。
　　其次由于窑尾余热锅炉的烟气含尘量大，粉尘细，容易在锅炉受热面上积灰，影响锅炉受热面的传热效果，致使锅炉出力降低，此外漏风会降低余热利用率，因此如何解决锅炉的漏风和积灰问题成为锅炉设计又一难点。
　　再次，虽然窑头锅炉的空气含尘量较小，但由于粉尘主要是熟料粉尘，粉尘颗粒比较硬，对受热面的磨损比较严重，解决窑头余热锅炉的磨损问题成为余热利用的难点之一。
5.结束语
　　 综上所述，中空窑余热锅炉在解决水泥生产与电力供求矛盾方面做出了贡献，预分解窑低温余热发电锅炉，利用低温余热，既提高了余热发电量，又能降低用电成本，为企业带来了较好的经济效益。低温余热利用中的带补燃的余热锅炉技术已趋成熟，纯低温余热发电锅炉技术正处于快速发展阶段，纯低温余热发电锅炉技术的进一步发展和完善将是今后几年相关人员面临的主要任务。