浅论余热发电工艺和实现最佳效益的有效途径

  前言

  新型干法水泥熟料生产企业中由窑头熟料冷却机和窑尾预热器排出的350℃左右废气，其热能大约为水泥熟料烧成系统热耗量的35%，低温余热发电技术的应用，可将排放到大气中占熟料烧成系统热耗35%的废气余热进行回收，使水泥企业能源利用率提高到95%以上。项目的经济效益十分可观。

  我国是世界水泥生产和消费的大国，近年来新型干法水泥生产发展迅速，技术、设备、管理等方面日渐成熟。目前国内已建成运行了大量2000t/d以上熟料生产线，新型干法生产线与其他窑型相比在热耗方面有显着的降低，但新型干法水泥生产对电能的消耗和依赖依然强劲，因此，新型干法水泥总量的增长对水泥工业用电总量的增长起到了推动作用，一定程度上加剧了电能的供应紧张局面。国内由于经济潜力增长加剧了电力短缺的矛盾，刺激了煤电项目的增长，一方面煤电的发展会加速煤炭这种有限资源的开采、消耗，另一方面煤电生产产生大量的CO₂等温室气体，加剧了对大气的环境污染。因此在水泥业发展余热发电项目是行业及国家经济发展的必然。此外，为了提高企业的市场竞争力，扩大产品的盈利空间，国内的许多水泥生产企业在建设熟料生产线的同时，也纷纷规划实施余热发电项目。

  随着世界经济快速发展、新型节能技术的推广应用，充分利用有限的资源和发展水泥窑余热发电项目已经成为水泥业发展的一种趋势，也完全符合国家产业政策。

  1背景

  新型干法水泥熟料生产企业中由窑头熟料冷却机和窑尾预热器排出的350℃左右废气，其热能大约为水泥熟料烧成系统热耗量的35%，低温余热发电技术的应用，可将排放到大气中占熟料烧成系统热耗35%的废气余热进行回收，使水泥企业能源利用率提高到95%以上。项目的经济效益十分可观。

  水泥制造业是一个高能耗产业，不仅每年要消耗大量的煤炭等一次能源（每吨水泥熟料消耗燃料折标准煤为100～115kg），而且还要消耗大量的二次能源—电力（每吨水泥约消耗90～115kwh），虽然随着水泥煅烧技术的发展，系统热效率得到了较大地提高，但由窑尾预热器、窑头熟料冷却机等排掉的400℃以下低温废气余热，其热量仍约占水泥熟料烧成总耗热量35%以上，造成的能源浪费非常严重，如果将排掉的400℃以下低温废气余热转换为电能并回用于水泥生产，可使水泥熟料生产综合电耗降低60%或水泥生产综合电耗降低30%以上，可以大幅减少向水泥生产企业的购电量，并且可避免水泥窑废气余热直接排入大气造成的热岛现象，同时由于减少了水泥生产企业的燃料消耗，可减少CO₂等燃烧废物的排放而有利于保护环境。

  2余热发电简介及原理

  即在新型干法生产线生产过程中，通过余热回收装置——余热锅炉将水泥窑窑头、窑尾排出大量低品位的废气余热进行回收换热产生过热蒸气和饱或蒸汽推动汽轮机实现热能——机械能的转换，再带动发电机发出电能，并供给水泥生产过程中的用电负荷。

  纯低温余热发电技术的基本原理就是以30℃左右的软化水经除氧器除氧后，经水泵加压进入窑头余热锅炉省煤器，加热成190℃左右的饱和水，分成两路，一路进入窑头余热锅炉汽包，另一路进入窑尾余热锅炉汽包，然后依次经过各自锅炉的蒸发器，过热器产生1.2MPa、310℃左右的过热蒸汽，汇合后进入汽轮机作功，作功后的乏汽进入冷凝器，冷凝后的水和补充软化水经除氧器除氧后再进入下一个热力循环。

  3 水泥余热发电生产工艺及控制

  水泥余热发电，随着熟料生产工艺线的不同，一般有两种窑型，三种发电模式。

  采用立式余热锅炉和补汽式汽轮发电机组的二级余热发电系统。立式余热锅炉彻底解决了卧式余热锅炉漏风及炉内温度场实际分布与锅炉设计时所假想的温度完全不相同的问题，可以大大提高锅炉蒸汽产量；篦冷机或立式余热锅炉排出的300℃左右废气余热可以充分回收并用以发电。这样可使吨熟料余热发电量在熟料热耗不变的前提下提高到195千瓦小时以上，使水泥窑综合能耗达到同规模预分解窑的能耗水平。

  为了克服带补燃锅炉的中低温余热发电系统存在的缺点，采用补汽式汽轮机组，充分回收200℃以下的废气余热，同时补燃锅炉应当以煤矸石等劣质煤或垃圾为燃料，除节约优质煤外，还可为水泥生产提供原料，降低发电成本，进一步提高经济效益。

  ⑴中控窑高温余热发电

  ⑵预分解窑及带补燃锅炉的中低温余热发电

  ⑶纯低温余热发电

  中低温余热发电主要是回收利用预分解窑或悬浮预热器窑窑头冷却机300℃废气、窑尾400℃废气，用于发电或热电联供。

  余热电站涉及到的控制系统主要是MCS（模拟量控制）和SCS（顺序控制），在控制方案中，逻辑（顺序）控制占多数，主要是各电器设备的逻辑启停；模拟量控制回量以常规PID为主，水位控制以减温水控制回路以串级控制算法为主。

  窑头篦冷机和窑尾预热器来的废气，通过锅炉与锅炉内布置的过热器、蒸发器、省煤器产生热交换，加热水产生高压饱和蒸汽，带动汽轮机转动做功，从而带动发电机发电。一般主机为两台余热锅炉(窑头AQC锅炉和窑尾SP锅炉)和一套汽轮发电机组。为减轻废气对AQC锅炉的磨损，在锅炉前设置了沉降室、AQC炉输灰系统除去烟气中的粉尘，SP炉设机械振打解决粉尘附着问题。AQC省煤器出水分两路：一路进入AQC汽包，另一路进SP锅炉省煤器。AQC锅炉产生的主蒸气和SP锅炉产生的主蒸气混合后进汽轮机进汽口。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。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。

  主蒸汽温度、压力及汽包压力的检测。

  汽包水位的三冲量控制：以汽包水位作为主调，以主蒸汽流量和给水量为参考的三冲量液位调节系统。在三参数液位调节时，如果产汽量或给水量发生变化，在液位未变化前就调整给水量，以保证汽包液位稳定，特别是能克服产气量突然增加造成汽包假液位现象。

  窑头余热锅炉输灰系统：AQC炉星型下料器、AQC炉链式输送机的顺序起停（由后向前开，由前向后关），以及故障保护（当后面的电机出现故障时，前面的电机必须停）汽包水位报警。

  主蒸汽温度、压力及汽包压力的检测。

  汽包水位的三冲量控制：以汽包水位作为主调，以主蒸汽流量和给水量为参考的三冲量液位调节系统。在三参数液位调节时，如果产汽量或给水量发生变化，在液位未变化前就调整给水量，以保证汽包液位稳定，特别是能克服产气量突然增加造成汽包假液位现象,汽包水位报警。

  凝结水泵、给水泵、循环水泵各两台，分别是一用一备的关系，当联锁投上,工作泵出现故障跳闸时，备用泵自动启动。

  热井水位控制（单回路PID）。

  主气门开关报警。

  汽机轴向位移报警、汽机转速报警、汽机润滑油压报警、汽机前后轴承温度报警。

  汽机、发电机前后轴承回油温度检测。

  凝汽器压力报警。

  ?发电机进风温度、出风温度报警。

  电动油泵与主油泵出口油压间的联锁。

  4 主机设备工作原理

  4.1 余热锅炉

  余热锅炉：AQC炉和SP炉

  AQC锅炉的设计特点如下：锅炉型式为立式,锅炉由省煤器、蒸发器、过热器、汽包及热力管道等构成。锅炉前设置一预除尘器（沉降室），降低入炉粉尘。废气流动方向为自上而下,换热管采用螺旋翅片管，以增大换热面积、减少粉尘磨损的作用。锅炉内不易积灰，由烟气带走，故未设置除灰装置，工质循环方式为自然循环方式。过热器作用：将饱和蒸汽变成过热蒸汽的加热设备，通过对蒸汽的再加热，提高其过热度（温度之差），提高其单位工质的做功能力。蒸发器作用：通过与烟气的热交换，产生饱和蒸汽。

  省煤器作用：设置这样一组受热面，对锅炉给水进行预热，提高给水温度，避免给水进入汽包，冷热温差过大，产生过大热应力对汽包安全形成威胁，同时也避免汽包水位波动过大，造成自动控制困难。一方面最大限度地利用余热，降低排烟温度，另一方面，给水预热后形成高温高压水，作为闪蒸器产生饱和蒸汽的热源。

  沉降室作用：利用重力除尘的原理将烟气中的大颗粒熟料粉尘收集，避免粉尘对锅炉受热面的冲刷、磨损。

  SP锅炉的设计特点如下:锅炉型式为立式,锅炉由蒸发器、过热器、汽包及热力管道构成，废气流动方向为自上而下流动,换热管采用蛇形光管，以防止积灰。因生料具有粘附性，故锅炉设置振打装置进行除灰,工质循环为采用循环泵进行自然循环方式。

  4.2 汽轮机

  汽轮机是用具有一定温度和压力的蒸汽来做功的回转式原动机。依其做功原理的不同，可分为冲动式汽轮机和反动式汽轮机两种类型。两种型式汽轮机各具特点，各有其发展的空间。

  ⑴冲动式汽轮机：蒸汽的热能转变为动能的过程，仅在喷嘴中发生，而工作叶片只是把蒸汽的动能转变成机械能的汽轮机。即蒸汽仅在喷嘴中产生压力降，而在叶片中不产生压力降。

  ⑵反动式汽轮机：蒸汽的热能转变为动能的过程，不仅在喷嘴中发生，而且在叶片中也同样发生的汽轮机。即蒸汽不仅在喷嘴中进行膨胀，产生压力降，而且在叶片中也进行膨胀，产生压力降。

  冲动式与反动式在构造上的主要区别在于：

  ⑴冲动式：动叶片出、入口侧的横截面相对比较匀称，汽流通道从入口到出口其面积基本不变。

  ⑵反动式：动叶片出、入口侧的横截面不对称，叶型入口较肥大，而出口侧较薄，汽流通道从入口到出口呈渐缩状。

  最简单的汽轮机单级汽轮机结构，工作原理为：具有一定压力和温度的蒸汽通入喷嘴膨胀加速，此时蒸汽压力、温度降低，速度增加，蒸汽热能转变为动能，然后，具有较高速度的蒸汽由喷嘴流出，进入动叶片流道，在弯曲的动叶片流道内，改变汽流方向，给动叶片以冲动力，产生了使叶轮旋转的力矩，带动主轴旋转，输出机械功，完成动能到机械能的转换。

  热能→动能→机械能，这样一个能量转换的过程，便构成了汽轮机做功的基本单元，通常称这个做功单元为汽轮机的级，它是由一列喷嘴叶栅和其后紧邻的一列动叶栅所构成。

  由于单级汽轮机的功率较小，且损失大，故使汽轮机发出更大功率，需要将许多级串联起来，制成多级汽轮机。

  汽轮机分类按热力过程可分为：

  ⑴凝汽式汽轮机：进入汽轮机做功的蒸汽，除少量漏汽外，全部或大部分排入凝汽器，形成凝结水。

  ⑵背压式汽轮机：蒸汽在汽轮机内做功后，以高于大气压力被排入排汽室，以供热用户采暖和工业用汽。

  ⑶调整抽汽式汽轮机：将部分做过功的蒸汽以某种压力下抽出，供工业用或采暖用。

  ⑷中间再热式汽轮机：将在汽轮机高压缸做完功的蒸汽，再送回锅炉过热器加热到新蒸汽温度，回中、低压缸继续做功。

  按蒸汽初蒸汽分类：

  ①低压汽轮机：新汽压力为1.2～1.5MPa；②中压汽轮机：新汽压力为2.0～4.0MPa； ③次高压汽轮机：新汽压力为5.0～6.0MPa；④高压汽轮机：新汽压力为6.0～10.0MPa；还有超高压、亚临界压力、超临界压力汽轮机等等。

  4.3 发电机

  余热发电所用汽轮发电机为三相交流同步发电机，型式为卧式，无刷励磁全封闭式。通风冷却，全封闭水冷热交换器型，采用空气冷却方式。发电机额定参数：额定功率，额定电压，额定电流，额定频率：50HZ，极数4P，功率因数：80%滞后，励磁方式：旋转整流器式无刷励磁方式，绝缘等级：F级，润滑方式：强制润滑。

  4.4 冷却水系统

  冷却水系统的作用主要是为凝汽器及其他冷却设备提供冷却循环用水。包括三台冷却水泵和一套强制通风冷却塔及相应的冷却水管道等。三台冷却水泵日常一备两用，采用强制通风冷却塔在场地受到限制的情况下可以大大减少占地面积，另外还可以减少初期投资；但因采用风扇强制通风，故厂用电量增加，同时增加了日常维护工作量。

  组成主要有冷却水泵、冷却风扇、集水槽、散水嘴、散水管、填料、分离器和相应的连接管道等。

  冷却风扇：对冷却塔内进行强制通风，对冷却水进行强制换热。散水嘴与散水管：将循环冷却水呈水滴状均匀地洒向填料层。填料：将散水嘴喷射出的水滴在填料的表面形成水膜，增大冷却面积。

  分离器：防止散水嘴喷射出的水滴因强制通风造成飞沫损失，从而降低循环冷却水损失。

  5 提高余热发电发电量的措施

  1）避免锅炉漏风；

  锅炉漏风对余热发电的经济性影响很大，对安全性影响小一些。由于漏风会造成部分换热损失、增加过剩空气系数会相应提高耗电、过剩空气系数过高还会导致排烟热损失增加。在安全方面，如果漏风会导致局部温度升高，对锅炉巡检人员造成烫伤，局部温度升高或降低还会破坏自然水循环，可能会产生局部过热，但这种可能性不大。

  2）加强热风管、锅炉、蒸汽管道等的保温，降低热损；

  保温效果的好坏直接影响到发电量的多少，保温效果越好，热损失越小，发电量越高。

  3）加强篦冷机的操作控制，提高料层厚度，尽可能提高进锅炉的气体温度；

  合理控制篦冷机运转速度的快慢和料层的速度，使AQC锅炉入口烟气保持一个相对稳定且较为高的温度。

  4）调整配料，避免熟料结大块；

  因为结大块的熟料，表面温度降得快，但内部温度依然很高，冷却的结果是进锅炉的气体温度偏低，从而影响发电量；

  5）汽轮机的真空度、汽耗率等对汽轮机发电量有很大的影响；

  汽轮机运行中，凝汽器真空下降的主要象征为：排汽室温度升高；真空表指示下降和凝汽器端差明显增大。真空下降后，若保持机组负荷不变，汽轮机进汽量势必增大，使轴向推力增大以及叶片过负荷；不仅如此，由于真空下降，使排汽室温度升高，从而引起：排汽缸变形，机组中心偏移，使机组产生振动以及凝汽器铜管因受热膨胀产生松弛、变形甚至断裂。

  6）采用窑头循环冷却的技术，可以有效提高进锅炉的气体温度；

  可以将窑头进入除尘器之前的部分废气引入冷却风机的入口，提高冷却风的温度，从而提高锅炉入口的烟气温度

  7）提高阀位控制的行程

  有的汽轮机厂家为了汽轮机的安全性，调低了调节汽阀的行程，即使压力和温度都达到了一定的高度，而调节汽阀已经达到了厂家调节的开度，负荷也不能再增加了。造成了多余的烟气白白流失。