【技术】关于水泥低温余热发电的几点思考

目前，我国水泥行业的低温余热发电事业尚处于起步阶段，国内相关设计院所及设备制造厂家对此充分重视，投入人力、物力进行研究和实践，开发出各具特色的水泥低温余热发电系统。针对国内水泥低温余热发电技术发展的现状，结合笔者多年从事水泥低温余热发电的经验和体会，提出对水泥余热发电的有关技术问题的思考，与有关人士共同探讨。

一、关于热力系统的选择
水泥窑废气余热的特点是流量大、品位低，废气温度大多在350摄氏度以下，因此采用普通火电厂的热力系统和设备难以充分利用这部分余热资源，必须开发针对水泥窑余热特点的热力系统。目前针对性强的、具有工业应用价值的热力系统有以下三种形式：
1、单压系统：
应用与普通电厂相似的单压系统时，必须降低主蒸汽压力，以保证主蒸汽有较高的过热度（提高单位工质的做功能力），并且由于蒸汽饱和温度较低，能够充分利用低位热能，提高吨熟料发电能力。根据目前新型干法水泥生产线的余热资源特点计算，主蒸汽参数选择0.6--0.7Mpa、305--320摄氏度，吨熟料发电能力可达35--40千瓦时，是较为理想的一个方案，日本川崎公司近期为海螺集团设计的余热发电系统就接近于这个方案。此项技术的应用的关键是汽轮机的设计制造，由于主蒸汽压力低，汽轮机叶片的开发和制造难度较大，需汽轮机厂家具有相当的研发能力以适应不同的余热资源。若选用主蒸汽压力较高的汽轮机，其热利用效率将随之降低，无法充分利用低位热能，降低吨熟料发电量。
2、双压系统
为充分利用低位热能，在锅炉（一般是窑头余热锅炉）上设置两个汽包，以高低两个压力系统的工质分别吸收高位和低位热能，采用补汽式汽轮机引入高压和低压汽轮机做功。这是一项较为成熟的技术，在燃气轮机尾气余热发电中应用较多（废气温度500摄氏度左右）。此项技术除余热锅炉的设计和制造较为复杂外，应用在水泥窑余热发电中的难点是如何应对窑头余热锅炉运行工况的变化，从国内新型干法生产线的运行状况看，窑头废气的温度变化较大，短时间内温度变化可达100--200摄氏度，这种运行工况的剧烈变化很可能破坏自然循环锅炉的水动力平衡，导致锅炉汽包水位异常，危及锅炉的安全运行。还有可能造成所谓的“汽塞”现象，如国内某厂的水泥余热发电系统投产后就经常因窑头余热锅炉废气温度的突然升高引起省煤器末端出现汽化现象，工质体积激增，导致向汽包给水无法满足保持汽包水位正常的需要，同时锅炉蒸发量增大，汽包水位很快降至警戒水位以下，锅炉非正常停炉，以致该厂窑头余热锅炉长期不能满负荷运行，发电量不能达到设计值。此种现象在单压系统中也有可能发生，但在双压系统的低压部分发生的可能性更大，设计单位和设备制造厂家一定要充分重视这一问题，要做几种不同条件的运行工况核算，以确保投产后不出问题。
3、闪蒸系统
同双压系统不同的是，闪蒸系统不是另设一个低压部分，而是利用闪蒸原理（即高温高压水在压力突然降低时，部分瞬间蒸发为饱和蒸汽的现象），加大省煤器中的工质流量，可以最充分地吸收低位热能，闪蒸出的饱和蒸汽进入汽轮做功。闪蒸系统可主动调节省煤器的工质流量，防止“汽塞”现象的发生，同时余热锅炉的结构也较为简单，日本川崎公司为宁国水泥厂提供的余热发电系统即采用了这种技术。此项技术的关键是补汽式的汽轮机，由于闪蒸蒸汽为饱和蒸汽，做功后即带水，因此汽轮机后几级的蒸汽含水量较高，对汽轮机的结构和叶片材质要求较高；同时给水泵流量较大，部分抵消了其充分利用低位热能的优势。

二、关于余热锅炉的设计
水泥窑余热发电需通过窑头和窑尾余热锅炉吸收废气中的热量产生蒸汽，根据窑头和窑尾废气特性的不同，设计相应的余热锅炉进行热量回收。
窑头废气的特点是含尘量较少，粉尘为熟料颗粒，磨砺性强但附着性不强，因此窑头锅炉不必设置专门的除灰装置，可以设计扩展受热面以加强换热能力。但锅炉设计风速不能过高，同时最好在废气入锅炉前设置预除尘器，否则受热面磨损较快，影响锅炉寿命。至于锅炉的布置形式，应以立式布置，烟气自上而下流动为好。
窑尾废气的特点是含尘量较高，粉尘即生料，磨砺性不强但有一定的附着性。因此窑尾锅炉设计的重点是如何降低粉尘集附对换热效果的影响，需设置专门的除灰装置，风速的选择上要兼顾换热效果和烟气阻力（影响窑尾高温风机的运行）。从布置形式上，窑尾余热锅炉有两种布置形式，即卧式布置和立式布置。卧式炉不易积灰，清灰容易，定期除灰对水泥工艺控制影响小；但占地面积大，密封困难。立式锅炉漏风点少、热效率较高，比较容易布置，占地面积较小；但锅炉易积灰（特别是窑尾废气中的粉尘浓度较高时）、耗钢量相对较大，定期除灰对水泥工艺控制影响较大。锅炉的积灰主要为生料粉，较为松散，通过机械连续振打可以除去，并且对水泥工艺影响较小，是较为理想的方案。

三、关于熟料烧成系统与发电系统的优化
1、热力系统优化问题
目前国内水泥界有相当多的技术人员认为，应首先进行烧成系统的优化，再在优化的烧成系统上挂上一个优化的余热发电系统，需知两个最优的子系统的简单之和并不等于一个最优的大系统，必须将烧成系统和余热发电系统合并作为一个系统进行优化。
要进行上述系统的优化，必须先解决一个问题，即电能与热能的换算比例。因为进行优化时不可避免地要遇到烧成热耗与发电量的矛盾，即为了尽可能地多发电，可能要求烧成系统有较高的废气出口温度，要多耗一些煤。关热、电之间的换算，目前存在三种不同的意见，第一种即以能量等值换算，即每千瓦时电力相当于122.9克标准煤，这种观点没有考虑能量的品位，从热力学的角度来说，这种观点符合热力学第一定律，但不符合热力学第二定律，是不可取的，持此种观点的人不可避免地会陷入两个最优的子系统之和的误区之中。第二种观点是以用户的供电煤耗进行换算，每千瓦时电相当于390克标准煤左右，此种观点符合热力学第二定律及能量经济学的理论，比较贴近实际，可作为理论研究和政府决策的依据。第三种即以燃煤和电力的购买价格比进行换算，如5600千卡／千克的煤每吨600元，电价每千瓦时0.5元，换算比例为每千瓦时电力＝0.5÷600×（5600÷7000）×1000＝667克标准煤，这种方法从纯经济的角度出发，考虑了发、配、用电各个环节的成本和利润，作为经济主体的水泥企业，最能接受的换算方式应该是这种方式。
正如以上所述，对新型干法窑的预热器级数应作重新考虑。目前国内新型干法窑的一般均为5级预热器，设计出口温度约320摄氏度，实际运行时一般稍高于设计值。这种等级的余热温度进行动力回收也是可行的，但由于火用值较低，影响了吨熟料发电能力。若预热器设计为4级，虽然吨熟料煤耗有相应增加，但余热发电能力的提高所产生的经济效益远远超过煤耗的增加带来的损失，从日本国内的水泥厂运行情况足以证明。具有余热发电经验的台商亚东水泥在建设工厂时就只设计了4级预热器，目前正在筹备建设余热发电系统；泰山水泥在设计低温余热发电时，经过认真核算，决定实施预热器的改造，将入窑生料直接导入3级旋风筒出口，其第1级旋风筒只作为一个废气通道，实际变成了4级预热，从而大幅度提高了发电能力。因此，今后水泥生产线的设计中，若用户已有意向建设余热发电系统，应考虑4级预热器，这样即可减少投资，又可降低窑尾高温风机电力消耗（一级预热器投资约为窑尾余热锅炉的1/3至1/2，而烟气阻力相当）。
2、煤磨的位置
水泥生产线的煤磨可设置在窑头或窑尾，各有利弊。但从考虑余热发电的角度来看，放在窑尾更好。从热量的充分利用来看，窑尾废气为烘干原料必须将余热锅炉出口温度设计在220摄氏度以上，这部分废气除用于原料烘干外，尚有部分需进入增湿塔降温，无疑是一种能量损失，而将煤磨设置在窑尾可有效地减少这一损失。另外，将煤磨设置在窑尾，使得在冷却机上开设余热锅炉的抽风口更加方便，可利用的热量也大幅增加。同时，煤磨设置在窑尾有利于煤磨热工稳定，有利于煤磨收尘器的安全（窑尾废气含氧量少），有利于缓解分解炉喂煤量较大时可能产生的脉动现象，不必设置煤磨热风炉等。
3、窑头余热锅炉在冷却机抽气口的位置
目前，窑外分解窑所配套的篦式冷却机出口废气温度多在200多度，在这种温度下的热量品位较低，很难进行动力回收，影响了吨熟料发电能力。除非窑尾废气温度相当高的特殊情况，一般情况下应在冷却机中部开设单独的抽气口（即相当于窑头煤磨抽气口位置），抽出温度在300摄氏度以上的中温废气，进行余热动力回收，避免冷热废气混合时造成的火用损失，使吨熟料发电能力有较大幅度的提高。日本国内水泥余热发电早期直接利用冷却机出口废气进行热量回收，但从中期开始无一例外地都采用中部取气的方式；从宁国水泥厂余热发电站的运行效果来看，这种抽气方式能大大提高吨熟料发电能力，具有显著的经济效益。
4、增湿塔的布置方式
目前窑尾增湿塔的布置有在线式（即增湿塔设置在窑尾高温风机前）和离线式（在高温风机后）两种形式。这两种形式都可以接入余热锅炉，但离线式布置无论在空间上还是在工艺流程上，更方便接入余热锅炉。增湿塔的离线式布置避免了与余热锅炉空间上的冲突，使余热锅炉的布置更加容易；同时在余热锅炉接入后两者之间是串联关系，可同时使用，能方便地调节进入窑尾收尘器的废气温度和湿度，而在线布置的增湿塔因与余热锅炉为并联关系，一般情况下非此即彼，使得有效控制和调节进入窑尾收尘器的废气品质变得较为困难。

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