關(guān)于水泥窯低溫余熱發(fā)電有關(guān)問(wèn)題的思考

1、關(guān)于水泥窯低溫余熱發(fā)電有關(guān)問(wèn)題的思考0 前言我國(guó)是世界水泥生產(chǎn)大國(guó)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年我國(guó)水泥產(chǎn)量為l0.39億t，約占全球水泥總產(chǎn)量的40。但我國(guó)水泥工業(yè)卻“大而不強(qiáng)”，突出問(wèn)題是耗能高、污染重。在能源消耗方面，我國(guó)噸水泥的平均綜合煤耗約為l59 kg(標(biāo)準(zhǔn)煤)，而國(guó)際先進(jìn)水平約為95110 kg，僅此一項(xiàng)，我國(guó)水泥工業(yè)每年多消耗的煤炭約為6000萬(wàn)t。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，可利用的資源越來(lái)越少，能源緊缺的局面在可預(yù)見(jiàn)的一段時(shí)期內(nèi)很難得到有效緩解。而且我國(guó)水泥行業(yè)經(jīng)過(guò)一輪猛烈的擴(kuò)張后，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步白熱化，生產(chǎn)成本的較小差別可能成為水泥企業(yè)生死存亡的分界線。采用余熱發(fā)電技術(shù)回收熟料燒成系統(tǒng)

2、排放的廢氣余熱，是提高能源利用效率、降低生產(chǎn)成本的一種非常有效的辦法。目前，我國(guó)水泥行業(yè)的低溫余熱發(fā)電事業(yè)尚處于起步階段，國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)院所及設(shè)備制造廠家對(duì)此充分重視，投入人力、物力進(jìn)行研究和實(shí)踐，開(kāi)發(fā)出各具特色的水泥低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)。針對(duì)國(guó)內(nèi)水泥低溫余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，筆者結(jié)合多年從事水泥低溫余熱發(fā)電的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，提出對(duì)水泥余熱發(fā)電的有關(guān)技術(shù)問(wèn)題的思考，與有關(guān)人士共同探討。1關(guān)于熱力系統(tǒng)的選擇水泥窯廢氣余熱的特點(diǎn)是流量大、品位低，廢氣溫度大多在350以下，因此采用普通火電廠的熱力系統(tǒng)和設(shè)備難以充分利用這部分余熱資源，必須開(kāi)發(fā)針對(duì)水泥窯余熱特點(diǎn)的熱力系統(tǒng)。目前針對(duì)性較強(qiáng)的、具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的熱

3、力系統(tǒng)主要有以下三種形式。11單壓系統(tǒng)應(yīng)用與普通電廠相似的單壓系統(tǒng)時(shí)，必須降低主蒸汽壓力，以保證主蒸汽有較高的過(guò)熱度(提高單位工質(zhì)的做功能力)，并且由于蒸汽飽和溫度較低，能夠充分利用低位熱能，提高噸熟料的發(fā)電能力。根據(jù)目前新型干法窯的余熱資源特點(diǎn)計(jì)算，主蒸汽參數(shù)選擇0.60.7 MPa、305320，噸熟料發(fā)電能力可達(dá)3540kWh，是較為理想的一個(gè)方案，日本川崎公司近期為海螺集團(tuán)設(shè)計(jì)的余熱發(fā)電系統(tǒng)就接近于此方案。其技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造，由于主蒸汽壓力低，汽輪機(jī)葉片的開(kāi)發(fā)和制造難度較大，需汽輪機(jī)廠家具有相當(dāng)?shù)难邪l(fā)能力以適應(yīng)不同的余熱資源。若選用主蒸汽壓力較高的汽輪機(jī)，其熱利用效率將

4、隨之降低，無(wú)法充分利用低位熱能，降低噸熟料的發(fā)電量。12雙壓系統(tǒng)為充分利用低位熱能，在鍋爐(一般是窯頭余熱鍋爐)上設(shè)置兩個(gè)汽包，以高低兩個(gè)壓力系統(tǒng)的工質(zhì)分別吸收高位和低位熱能，采用補(bǔ)汽式汽輪機(jī)引入高壓和低壓汽輪機(jī)做功。這是一項(xiàng)較為成熟的技術(shù)，在燃?xì)廨啓C(jī)尾氣余熱發(fā)電中應(yīng)用較多(廢氣溫度500左右)。此項(xiàng)技術(shù)除余熱鍋爐的設(shè)計(jì)和制造較為復(fù)雜外，應(yīng)用在水泥窯余熱發(fā)電中的難點(diǎn)是如何應(yīng)對(duì)窯頭余熱鍋爐運(yùn)行工況的變化，從國(guó)內(nèi)新型干法生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況看，窯頭廢氣的溫度變化較大，短時(shí)間內(nèi)溫度變化可達(dá)100200，這種運(yùn)行工況的劇烈變化很可能破壞自然循環(huán)鍋爐的水動(dòng)力平衡，導(dǎo)致鍋爐汽包水位異常，危及鍋爐的安全運(yùn)行。還

5、有可能造成所謂的“汽塞”現(xiàn)象，如國(guó)內(nèi)某廠的水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)投產(chǎn)后就經(jīng)常因窯頭余熱鍋爐廢氣溫度的突然升高引起省煤器末端出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，工質(zhì)體積激增。導(dǎo)致向汽包給水無(wú)法滿足保持汽包水位正常的需要；同時(shí)鍋爐蒸發(fā)量增大，汽包水位很快降至警戒水位以下，鍋爐非正常停爐，以致該廠窯頭余熱鍋爐長(zhǎng)期不能滿負(fù)荷運(yùn)行，發(fā)電量不能達(dá)到設(shè)計(jì)值。此種現(xiàn)象在單壓系統(tǒng)中也有可能發(fā)生，但在雙壓系統(tǒng)的低壓部分發(fā)生的可能性更大，設(shè)計(jì)單位和設(shè)備制造廠家一定要充分重視這一問(wèn)題，要做幾種不同條件的運(yùn)行工況核算，以確保投產(chǎn)后不出問(wèn)題。13閃蒸系統(tǒng)與雙壓系統(tǒng)不同的是。閃蒸系統(tǒng)不是另設(shè)一個(gè)低壓部分，而是利用閃蒸原理(即高溫高壓水在壓力突然降低時(shí)

6、，部分瞬間蒸發(fā)為飽和蒸汽的現(xiàn)象)，加大省煤器中的工質(zhì)流量，可以最充分地吸收低位熱能。閃蒸出的飽和蒸汽進(jìn)入汽輪做功。閃蒸系統(tǒng)可主動(dòng)調(diào)節(jié)省煤器的工質(zhì)流量，防止“汽塞”現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，日本川崎公司為寧國(guó)水泥廠提供的余熱發(fā)電系統(tǒng)即采用了這種技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是補(bǔ)汽式的汽輪機(jī)，由于閃蒸蒸汽為飽和蒸汽，做功后即帶水，因此汽輪機(jī)后幾級(jí)的蒸汽含水量較高，對(duì)汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和葉片材質(zhì)要求較高；同時(shí)給水泵流量較大，部分抵消了其充分利用低位熱能的優(yōu)勢(shì)。2 關(guān)于余熱鍋爐的設(shè)計(jì)水泥窯余熱發(fā)電需通過(guò)窯頭和窯尾余熱鍋爐吸收廢氣中的熱量產(chǎn)生蒸汽，根據(jù)窯頭和窯尾廢氣特性的不同，設(shè)計(jì)相應(yīng)的余熱鍋爐進(jìn)行熱量

7、回收。窯頭廢氣的特點(diǎn)是含塵量較少，粉塵為熟料顆粒，磨礪性強(qiáng)但附著性不強(qiáng)，因此窯頭鍋爐不必設(shè)置專門(mén)的除灰裝置，可以設(shè)計(jì)擴(kuò)展受熱面以加強(qiáng)換熱能力，但鍋爐設(shè)計(jì)風(fēng)速不能過(guò)高。同時(shí)最好在廢氣入鍋爐前設(shè)置預(yù)除塵器，否則受熱面磨損較快，影響鍋爐壽命。至于鍋爐的布置形式，應(yīng)以立式布置，煙氣自上而下流動(dòng)為好。窯尾廢氣的特點(diǎn)是含塵量較高，粉塵即生料，磨礪性不強(qiáng)但有一定的附著性。因此窯尾鍋爐設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是如何降低粉塵集附對(duì)換熱效果的影響，需設(shè)置專門(mén)的除灰裝置，風(fēng)速的選擇上要兼顧換熱效果和煙氣阻力(影響窯尾高溫風(fēng)機(jī)的運(yùn)行)。從布置形式上，窯尾余熱鍋爐有兩種布置形式，即臥式和立式。臥式爐不易積灰，清灰容易，定期除灰對(duì)水泥

8、工藝控制影響??；但占地面積大，密封困難。立式鍋爐漏風(fēng)點(diǎn)少、熱效率較高，比較容易布置，占地面積較?。坏仩t易積灰(特別是窯尾廢氣中的粉塵濃度較高時(shí))、耗鋼量相對(duì)較大，定期除灰對(duì)水泥工藝控制影響較大。鍋爐的積灰主要為生料粉，通過(guò)機(jī)械連續(xù)振打可以除去，并且對(duì)水泥工藝影響較小，是較為理想的方案。3 關(guān)于熟料燒成系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化31熱力系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題目前國(guó)內(nèi)水泥行業(yè)有相當(dāng)多的技術(shù)人員認(rèn)為，應(yīng)首先進(jìn)行燒成系統(tǒng)的優(yōu)化，再在此基礎(chǔ)上設(shè)置一個(gè)優(yōu)化的余熱發(fā)電系統(tǒng)。需知兩個(gè)最優(yōu)的子系統(tǒng)簡(jiǎn)單之和并不等于一個(gè)最優(yōu)的大系統(tǒng)，必須將兩個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一考慮，進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益。要進(jìn)行上述系統(tǒng)的優(yōu)化，必須先解決

9、一個(gè)問(wèn)題，即電能與熱能的換算比例。因?yàn)檫M(jìn)行優(yōu)化時(shí)不可避免地要遇到燒成熱耗與發(fā)電量的矛盾，即為了盡可能多發(fā)電，可能要求燒成系統(tǒng)有較高的廢氣出口溫度，要多耗一些煤。關(guān)于熱、電之間的換算，目前存在三種不同的意見(jiàn)。第一種為能量等值換算，即每1 kWh電量相當(dāng)于122.9g標(biāo)準(zhǔn)煤熱量，這種觀點(diǎn)沒(méi)有考慮能量的品位，從熱力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，這種觀點(diǎn)符合熱力學(xué)第一定律，但不符合熱力學(xué)第二定律，是不可取的，持此種觀點(diǎn)的人不可避免地會(huì)陷入兩個(gè)最優(yōu)的子系統(tǒng)之和的誤區(qū)之中。第二種觀點(diǎn)是以用戶的供電煤耗進(jìn)行換算，1 kWh電量相當(dāng)于390g左右標(biāo)準(zhǔn)煤熱量，此種觀點(diǎn)符合熱力學(xué)第二定律及能量經(jīng)濟(jì)學(xué)的理論，比較貼近實(shí)際，可作為理

10、論研究和政府決策的依據(jù)。第三種即以燃煤和電力的價(jià)格比進(jìn)行換算，如熱量為5600×4.2 kJkg的煤價(jià)是600元t。電價(jià)為0.5元kWh，換算比例為l kWh的電量相當(dāng)于667g的標(biāo)準(zhǔn)煤熱量(換算公式為：0.5÷600×(5600÷7000)×1000)，這種方法從純經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，考慮了發(fā)、配、用電各個(gè)環(huán)節(jié)的成本和利潤(rùn)，作為經(jīng)濟(jì)主體的水泥企業(yè)，最能接受的換算方式應(yīng)該是這種方式。正如以上所述，對(duì)新型干法窯的預(yù)熱器級(jí)數(shù)應(yīng)作重新考慮。目前國(guó)內(nèi)新型干法窯一般為五級(jí)預(yù)熱器，設(shè)計(jì)出口溫度約320，實(shí)際運(yùn)行時(shí)一般稍高于設(shè)計(jì)值。這種等級(jí)的余熱溫度進(jìn)行動(dòng)力回收

11、也是可行的，但由于火用 值較低，影響了噸熟料發(fā)電能力。若預(yù)熱器設(shè)計(jì)為四級(jí)，雖然噸熟料煤耗有所增加，但余熱發(fā)電能力的提高所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)煤耗的增加帶來(lái)的損失，從日本國(guó)內(nèi)的水泥廠運(yùn)行情況足以得到證明。具有余熱發(fā)電經(jīng)驗(yàn)的臺(tái)商亞?wèn)|水泥在建設(shè)工廠時(shí)就只設(shè)計(jì)了四級(jí)預(yù)熱器，目前正在籌備建設(shè)余熱發(fā)電系統(tǒng)；泰山水泥在設(shè)計(jì)低溫余熱發(fā)電時(shí)，經(jīng)過(guò)認(rèn)真核算，決定實(shí)施預(yù)熱器的改造，將入窯生料直接導(dǎo)入三級(jí)旋風(fēng)筒出口，其第一級(jí)旋風(fēng)筒只作為一個(gè)廢氣通道，實(shí)際變成了四級(jí)預(yù)熱，從而大幅度地提高了發(fā)電能力。因此，今后水泥生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)中，若用戶已有意向建設(shè)余熱發(fā)電系統(tǒng)，應(yīng)考慮四級(jí)預(yù)熱器為宜，這樣既可減少投資，又可降低窯尾高溫風(fēng)

12、機(jī)電力消耗(一級(jí)預(yù)熱器投資約為窯尾余熱鍋爐的l3至12，而煙氣阻力相當(dāng))。3.2 煤磨的位置水泥生產(chǎn)線的煤磨可設(shè)置在窯頭或窯尾，各有利弊。但從考慮余熱發(fā)電的角度來(lái)看，如煤磨選型為立磨，布置在窯尾更好。從熱量的充分利用來(lái)看，窯尾廢氣為烘干原料必須將余熱鍋爐出口溫度設(shè)計(jì)在220以上，這部分廢氣除用于原料烘干外，尚有部分需進(jìn)入增濕塔降溫，無(wú)疑是一種能量損失，而將煤磨設(shè)置在窯尾可有效地減少這一損失。另外，將煤磨設(shè)置在窯尾，使得在冷卻機(jī)上開(kāi)設(shè)余熱鍋爐的抽風(fēng)口更加方便，可利用的熱量也大幅增加。同時(shí)，煤磨設(shè)置在窯尾有利于煤磨系統(tǒng)熱工穩(wěn)定和安全(窯尾廢氣含氧量少)，有利于緩解分解爐喂煤量較大時(shí)可能產(chǎn)生的脈動(dòng)現(xiàn)

13、象等。3.3窯頭余熱鍋爐在冷卻機(jī)抽氣口的位置目前，窯外分解窯所配套的篦式冷卻機(jī)出口廢氣溫度多在200以上，其熱量品位較低，很難進(jìn)行動(dòng)力回收，影響噸熟料的發(fā)電能力，除非在窯尾廢氣溫度相當(dāng)高的特殊情況下。一般情況下應(yīng)在冷卻機(jī)中部開(kāi)設(shè)單獨(dú)的抽氣口(即相當(dāng)于窯頭煤磨抽氣口位置)，抽出溫度在300以上的中溫廢氣，進(jìn)行余熱動(dòng)力回收，避免冷熱廢氣混合時(shí)造成的火用 損失，使噸熟料發(fā)電能力有較大幅度的提高。日本國(guó)內(nèi)水泥余熱發(fā)電早期直接利用冷卻機(jī)出口廢氣進(jìn)行熱量回收，但從以后無(wú)一例外地都采用中部取氣的方式；從寧國(guó)水泥廠余熱發(fā)電站的運(yùn)行效果來(lái)看，這種抽氣方式能大大地提高噸熟料的發(fā)電能力，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。3.4增

14、濕塔的布置方式目前窯尾增濕塔的布置有在線式(即增濕塔設(shè)置在窯尾高溫風(fēng)機(jī)前)和離線式(在高溫風(fēng)機(jī)后)兩種形式。這兩種形式都可以接入余熱鍋爐，但離線式布置無(wú)論在空間上還是在工藝流程上，更方便接入余熱鍋爐。增濕塔的離線式布置避免了與余熱鍋爐空間上的沖突，使余熱鍋爐的布置更加容易；同時(shí)在余熱鍋爐接入后兩者之間是串聯(lián)關(guān)系，可同時(shí)使用，能方便地調(diào)節(jié)進(jìn)入窯尾除塵器的廢氣溫度和濕度，而在線布置的增濕塔因與余熱鍋爐為并聯(lián)關(guān)系，一般情況下非此即彼，使得有效控制和調(diào)節(jié)進(jìn)入窯尾收塵器的廢氣品質(zhì)變得較為困難。4 其它41余熱發(fā)電的建設(shè)時(shí)機(jī)目前水泥余熱發(fā)電均是在水泥生產(chǎn)線投產(chǎn)后，以技術(shù)改造形式建設(shè)的。在進(jìn)行水泥生產(chǎn)線的設(shè)

15、計(jì)時(shí)，基本上未考慮余熱發(fā)電的要求，這樣給余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)帶來(lái)不小的困難，有些工程建設(shè)時(shí)考慮到了余熱發(fā)電，但從工藝流程、運(yùn)行參數(shù)確定、空間位置及建筑結(jié)構(gòu)上，考慮得還是不多。因此，最好的辦法是設(shè)計(jì)水泥生產(chǎn)線的同時(shí)，提前做好余熱發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃或初步設(shè)計(jì)，可以同步建設(shè)(這時(shí)余熱發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)組容量要考慮充分，留有一定余量)。也可待水泥生產(chǎn)線投產(chǎn)后根據(jù)熱工標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)和工程建設(shè)，盡量做到兩方面兼顧。42余熱發(fā)電站與水泥生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)的關(guān)系余熱發(fā)電站一般都配置獨(dú)立的集散控制系統(tǒng)(DCS)。但由于余熱鍋爐的操作與熟料燒成系統(tǒng)有千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，兩個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)系特別是相關(guān)廢氣擋板的操作控制是

16、設(shè)計(jì)人員必須充分重視的問(wèn)題。如有可能，應(yīng)盡量將余熱電站的操作臺(tái)設(shè)置在中央控制室內(nèi)；若條件不允許，也應(yīng)充分考慮兩個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊和各種聯(lián)鎖和保護(hù)。要在操作規(guī)程中明確規(guī)定有關(guān)操作程序，以保證窯操作員和電站操作員的動(dòng)作協(xié)調(diào)，在保證熟料燒成系統(tǒng)熱工穩(wěn)定的前提下盡量提高發(fā)電功率，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。43電站水處理系統(tǒng)余熱鍋爐補(bǔ)給水的品質(zhì)要求很高，需設(shè)置專門(mén)的化學(xué)水處理系統(tǒng)。由于水泥生產(chǎn)線建設(shè)時(shí)都配套建設(shè)的水處理系統(tǒng)，若該系統(tǒng)出水品質(zhì)穩(wěn)定(主要指加藥混凝時(shí)的加藥量控制和出水的離子成分及濃度)，電廠水處理系統(tǒng)可利用其進(jìn)行深度處理生產(chǎn)合格的鍋爐補(bǔ)給水，降低工程投資；若不能保證水質(zhì)穩(wěn)定，則需直接利用原水并設(shè)

17、置電廠自用的前處理系統(tǒng)，或利用城市自來(lái)水。 關(guān)于鍋爐給水的除氧，普通電廠應(yīng)用的熱力除氧方式需從汽輪機(jī)抽氣，與水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)為充分利用低位熱能而選用補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的思想背道而馳，為減少抽氣量而在余熱鍋爐中設(shè)置低壓受熱面使設(shè)備更加復(fù)雜并增加了管道系統(tǒng)的投資。因此，鍋爐給水的除氧應(yīng)采用化學(xué)除氧方式，選擇合適的除氧劑和加藥方法，以除去鍋爐給水中的溶解氧。5 需進(jìn)一步探索的問(wèn)題在水泥生產(chǎn)線均需配置余熱發(fā)電系統(tǒng)的前提下，有必要對(duì)熟料燒成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行重新思考，進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化(指包括余熱發(fā)電在內(nèi)的大系統(tǒng))。對(duì)此，提出一些不成熟的思路，以拋磚引玉： (1)預(yù)熱器與窯尾余熱鍋爐的一體化。從工廠布置的優(yōu)化及節(jié)省

18、投資的角度來(lái)說(shuō)，若能將窯尾余熱鍋爐的空間位置與預(yù)熱器統(tǒng)一考慮，如設(shè)置在預(yù)熱器框架內(nèi)或外掛在預(yù)熱器旁，既可減少土建和非標(biāo)管道投資，可減少熱量損失，是設(shè)計(jì)部門(mén)應(yīng)該考慮的一個(gè)議題。(2)冷卻機(jī)與窯頭余熱鍋爐的一體化。與窯尾相比，冷卻機(jī)與窯頭余熱鍋爐的一體化更具有可行性，同時(shí)可進(jìn)一步提高對(duì)各種品位余熱資源的利用效率。(3)冷卻機(jī)循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)與窯頭廢氣的零排放。寧國(guó)水泥廠在建設(shè)余熱發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，為保證達(dá)到協(xié)議規(guī)定的發(fā)電功率，根據(jù)日方要求對(duì)冷卻機(jī)進(jìn)行了循環(huán)風(fēng)改造，從窯頭煙囪抽取廢氣(約120)，經(jīng)冷卻風(fēng)機(jī)鼓入冷卻機(jī)中部作為冷卻用風(fēng)，以提高入鍋爐廢氣溫度。該循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)曾啟用一段時(shí)間，起到了相應(yīng)的作用，后因發(fā)電功率已達(dá)限制值而停用。如果我們?cè)谒嗌a(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)就考慮采用這種形式，加大冷卻機(jī)規(guī)模(因換熱溫差略有降低)，在做好窯頭用風(fēng)平衡的前提下，引入余熱鍋爐對(duì)廢氣進(jìn)行冷卻，然后鼓入冷卻機(jī)中部，就可做到窯頭廢氣真正的零排放，同時(shí)也大大增加了余熱發(fā)電的能力。(4