国产水泥回转窑纯低温余热发电技术和经验介绍

    水泥生产过程需要消耗大量的能源（煤或油）和天然矿物，而这些资源是不可再生的，所以这就制约了水泥工业的可持续发展，如何降低水泥生产过程中原燃料的消耗是保证水泥工业可持续发展的最有效措施。水泥熟料煅烧过程需要较高的煅烧温度，消耗大量的天然矿石能源------煤炭（或油），以目前先进的新型干法水泥窑为例，其单位熟料烧成热耗在2900---3300kj/kg，以年产熟料50万吨规模计，每年消耗原煤约6.5万，但同时约占熟料烧成热耗30%左右的大量350℃左右的废气从窑尾和窑头收尘器排入大气，而采用余热发电技术将这部分热量回收是一种非常有效的办法，由于废气温度较低，对装备和技术的要求较高，采用纯低温余热发电国内尚未有非常成熟和成功的技术和工程，宁国水泥厂纯低温余热发电是引进日本的技术和装备。目前国内新型干法窑主要采用的是带补燃炉的余热发电技术，但这种技术和国家有关政策有冲突，使这种技术的利用受到限制。2002年我公司日产1050吨（实际1350吨）φ3.5×88m四级旋风预热器窑（SP窑）采用纯低温余热发电技术进行了技术改造，项目由天津水泥设计研究院设计，于2003年5月建成投产，项目装机容量2.5MW，设计发电能力1800kw/h，全部采用国产设备和技术，经过半年左右的运行，主要设备和整个系统都运转正常，各项技术经济指标达到设计要求。下面就我公司纯低温余热发电系统作一介绍。
1． 热力系统
　　系统主机为两台余热锅炉(窑头AQC锅炉和窑尾SP锅炉)和一套补汽凝汽式汽轮发电机组，装机容量为2.5MW，设计发电能力为1800kw/h。
　　余热来源SP（窑尾预热器）：废气流量95000Nm3/h，温度390℃（实际360℃）；AQC（冷却机）：废气流量40000Nm3/h，温度350℃。
　　冷却机中部设置抽风口作为AQC锅炉的取风口，通过与冷却机原抽风口之间的风门调节，保证中部抽风口的废气温度达到350℃左右，为减轻废气对AQC锅炉的磨损，在锅炉前设置了沉降室，AQC省煤器出水分三路：一路进入AQC高压汽包，一路进入AQC低压汽包，另一路进SP锅炉汽包。AQC锅炉产生的蒸气分为二路，一路由锅炉Ⅰ段产生的1.6Mpa-300℃主蒸气和SP锅炉产生的主蒸气混合后进汽轮机主进汽口,另一路由锅炉Ⅱ段产生的0.25Mpa-150℃低压蒸气进入汽轮机补汽口。
　　SP锅炉汽包进水由AQC省煤器供给，当AQC锅炉未投用时也可由锅炉给水泵直接供给而独立运行，SP锅炉产生1.6Mpa-300℃主蒸气。两台锅炉都设计有旁路系统，当锅炉停用时水泥生产系统可正常运行。
　　汽轮机为补汽凝汽式汽轮机，设计能力2.5MW,原机型为3MW的抽汽凝汽式汽轮机，将原抽汽口改为补汽口。通过半年运行，该汽轮机运行可靠，对蒸汽质量适应范围大，操作较方便，缺点是补汽较困难。
    锅炉给水中的溶解氧是造成热力设备和管道腐蚀的主要原因，为防止和减轻氧腐蚀，必须对锅炉给水进行除氧处理，目前锅炉给水的除氧方式有热力除氧、真空除氧、化学除氧等，宁国水泥厂采用的是化学除氧方式，我公司根据系统蒸气温度和压力较低的情况，采用真空除氧方式，真空除氧是利用抽真空的方法，使水在常温下呈沸腾状态，除去水中溶解氧，其关键是在除氧器内形成和保持真空状态，所以除了利用真空泵将真空除氧器抽为真空外，系统的密闭性非常重要。目前我公司的真空除氧系统运行真空度为-0.09Mpa，水中残氧量小于0.05mg/L，运行方式为间歇式，即当补充新鲜软水时以及锅炉给水中含氧量超标时，除氧器才投入使用，所以系统运行成本较低，根据目前情况真空除氧器的运行费用约1.0元/小时。
2． 锅炉
　　SP、AQC两台余热锅炉是水泥窑纯低温余热发电系统中最重要的设备，锅炉是否能稳定正常运行直接影响到项目的最终效果。我公司窑头AQC锅炉、窑尾SP锅炉由我公司和杭州锅炉厂一起合作研究，并由杭州锅炉厂设计制造具有一定自主知识产权。为减少占地面积和漏风，二台锅炉都采用立式布置，废气流向自上而下。
　　SP锅炉的设计较有特点，为立式、机械振打、自然循环。换热管为蛇形光管，上端固定在框架上，下端呈自由状态，振打装置通过连杆对换热管定期振打，整个锅炉的振打形式为连续式，所以清灰较为均匀，同时灰斗设计合理，避免了因清灰原因而造成废气中含尘浓度过大而引起风机跳停，影响生产。该锅炉最具特点的地方是采用自然循环方式，省掉了二台强制循环热水泵，降低了运行成本，提高了系统可靠性。SP锅炉目前运行状态稳定，锅炉阻力小于800Pa，废气进口温度350---360℃，出口温度230℃左右，基本达到设计目标。
　　AQC锅炉为立式、自然循环。冷却机废气中粉尘粘附性不强，所以不设置振打装置，同时换热管采用螺旋翅管，大大增加了换热面积，锅炉体积大幅下降，降低了投资成本。为减少漏风，AQC锅炉没有设计出灰装置，在风管底部粉尘形成一定自然堆积后，粉尘随废气一起进入电收尘。半年来AQC锅炉运行状态较好，锅炉阻力小于700Pa，废气进口温度在380℃左右，废气出口温度在90℃左右，达到设计目标。
3． 与原生产系统的结合
　　在原水泥生产系统中接入余热发电系统，对水泥生产系统的影响主要在以下几个方面：
　　（1）由于余热锅炉的接入，气体流程的系统阻力增加，排风机能力是否适用。由于废气通过余热锅炉后气体温度和含尘浓度降低，排风机的抽风量得以增加，加上水泥厂原设计一般都有一定富裕能力，所以不用更换排风机，这在我公司的改造中及国内外工程实例得到证实，如果回转窑及其它设备许可，由于排风机能力增加而提高了回转窑产量（台湾花莲水泥厂装配余热发电后，窑产提高10%），我公司余热发电投入使用后，窑尾排风机电流也有所下降。
　　（2）窑尾SP锅炉清灰会引起气体含尘浓度变化而导致窑尾排风机工况突变，甚至风机因气体含尘浓度过高而过载跳停。我公司由于在风管布置、灰斗设计较为合理，同时采用连续机械振打方式，气体中含尘浓度较为均匀，所以窑尾风机电流波动没有异常。
　　（3）窑尾SP锅炉废气出口温度应根据生料磨工艺及入磨原料水份来确定，我公司生料磨为风扫式烘干磨，磨内气体流量大，所以设计SP锅炉出口温度为225℃，一般烘干生料磨SP锅炉的出口温度在250℃以上（具体根据生料水份）。
4． 经济分析
　　项目总投资1500万元，设计发电能力1800KW/h，目前实际发电能力大于1800KW/h，以年发电7000小时计，每年发电量为1260×104kwh，扣除10%（实际8%）电站自用电，减少外购电1134×104kwh，电站运行成本约0.06元/kwh,外购平均电价0.48元/kwh(不含税),每年可为企业节约电费476万元,实际运行中通过电站运行调整用电系统功率因素并使现有供配电系统损耗减少,还可节约电费,所以根据此计算三年左右就可收回项目投资。
　　水泥窑纯低温余热发电项目由于将废气中热能转化为电能，减少了能源消耗，废气通过余热锅炉降低了废气排放温度，减轻了对环境的热污染，具有显著的环保节能效果，所以水泥窑纯低温余热发电项目具有较好的经济效益和社会效益。
5． 结言
　　我公司水泥窑纯低温余热发电系统是国内第一条达到设计指标的生产线，实际每吨熟料发电量达到33---35kwh/t，电站自用电比例小于8%，达到了国际先进水平（AQC废气没有二次循环）。整个系统运行可靠，操作简易灵活，整个电站定员15人，每班操作人员仅2人，由于全部采用国产设备和技术，投资成本低，具有很好的推扩价值和前景。（中国水泥网 转载请注明出处）