【正文】 第 9 章 純低溫余熱發(fā)電技術(shù) 概述 隨著新型干法水泥煅燒技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的水泥生產(chǎn)技術(shù)、 裝 備、管理日漸成熟 ， 目前國(guó)內(nèi)已建成 并 運(yùn)行了大量 2020t/d 以上熟料生產(chǎn)線 。 新型干法生產(chǎn)線與其他窯型相比在熱耗方面顯著降低，但是受煅燒工藝的限制，生產(chǎn)過(guò)程中仍有大量的中、低溫廢氣余熱資源未被充分利用，其中由窯頭熟料冷卻機(jī)和窯尾預(yù)熱器排出的廢氣，溫度約在 350℃ 左右，帶走的熱能大約為水泥熟料燒成系統(tǒng)熱耗量的 35％。 水泥回轉(zhuǎn)窯純低溫余熱發(fā)電是一項(xiàng)將水泥窯窯頭、窯尾排放的中低溫廢氣余熱轉(zhuǎn)化為電能的節(jié)能技術(shù) ， 該技術(shù)可有效 提高水泥生產(chǎn)過(guò)程中的能源利用效率 ，使水泥企業(yè)能源利用率提高到 95％以上， 降低能源消耗，減輕環(huán)境熱污染，從而實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)的節(jié)能減排，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 純低溫余熱發(fā)電發(fā)展歷程 水泥回轉(zhuǎn)窯余熱發(fā)電技術(shù)是隨著水泥回轉(zhuǎn)窯煅燒技術(shù)發(fā)展起來(lái)的。早在二十世紀(jì)初，德、日等國(guó)即開(kāi)始中空回轉(zhuǎn)窯余熱發(fā)電技術(shù)的研究及應(yīng)用 ， 到七十年代中期，無(wú)論是熱力系統(tǒng)還是裝備都已進(jìn)入實(shí)用階段，八十年代初期，此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用達(dá)到了高潮，尤其是日本，技術(shù)較為成熟 。 我國(guó)第一臺(tái)水泥窯余熱電站始建于大連水泥廠，日本小野田水 泥公司在1922~1923 年期間，擴(kuò)建該廠第二條 φ 360m 干法中空窯生產(chǎn)線時(shí)，利用日本余熱電站技術(shù)裝備，配套建設(shè)了高溫余熱發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量為 3MW，稱為 “ 水泥干法中空余熱發(fā)電窯 ” 。 我國(guó)水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展從第一個(gè)五年計(jì)劃開(kāi)始起步，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)、推廣、應(yīng)用工作經(jīng)歷了 4 個(gè)階段。 第一階段為 1950 年 ~1989 年。這 30 多年主要參照上世紀(jì)三十年代日本引進(jìn)德國(guó)技術(shù)在我國(guó)東北、華北地區(qū)建設(shè)的中空窯高溫余熱發(fā)電技術(shù)裝備，對(duì)老廠進(jìn)行改造，同時(shí)在老廠擴(kuò)建中得到應(yīng)用?？傆?jì)投 運(yùn)了約 290 條中空窯余熱發(fā)電系統(tǒng)。形成了不同主蒸汽參數(shù)、余熱鍋爐形式、裝機(jī)容量的高溫余熱發(fā)電窯系統(tǒng)。為我國(guó)開(kāi)展水泥窯中低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的研究開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 第二階段為 1990 年 ~1996 年。 “ 八五 ” 期間，國(guó)家安排了水泥行業(yè)科技攻關(guān)課題，其一是： “ 帶補(bǔ)燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的研究開(kāi)發(fā) ” ，主要內(nèi)容為采用國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)系列汽輪發(fā)電機(jī)組，回收 400℃ 以下廢氣余熱進(jìn)行發(fā)電。該課題在 1996 年完成了攻關(guān)工作，形成了 “ 帶補(bǔ)燃鍋爐的水泥窯中低溫余熱發(fā)電技術(shù) ” ；其二是 “ 水泥窯純低溫余熱發(fā)電工藝及裝備技術(shù)的 研究開(kāi)發(fā) ” ；其三是 “ 純低溫余熱發(fā)電技術(shù)裝備 —— 螺桿式膨脹機(jī)研究開(kāi)發(fā) ” 。根據(jù)帶補(bǔ)燃鍋爐的水泥窯中低溫余熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，以日本 KHI 公司為寧國(guó)水泥廠4000t/d 水泥窯提供的 6480kW 純低溫余熱電站的建設(shè)為契機(jī)，基本形成了我國(guó)水泥窯純低溫余熱發(fā)電工藝技術(shù)裝備體系。 第三階段為 1997 年 ~2020 年。推廣、改進(jìn) “ 帶補(bǔ)燃鍋爐的水泥窯中低溫余熱發(fā)電技術(shù) ” 和 “ 水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù) ” 。截止 2020 年底，利用 “ 帶補(bǔ)燃鍋爐的水泥窯中低溫余熱發(fā)電技術(shù) ” 的水泥廠 ，國(guó)內(nèi)有 23 個(gè) 36 條 1000～4000t/d 預(yù)分解 窯生產(chǎn)線上安裝了 28 臺(tái)帶補(bǔ)燃鍋爐的中溫余熱發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)為 。與此同時(shí)， 我國(guó)水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的研發(fā)也取得了突破性的進(jìn)展， 利用國(guó)產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)先后在 13 條新型干法窯上，配套建設(shè)了裝機(jī)容量分別為 、 、 、 的純低溫余熱電站。 第四階段為 2020 年以后。由于水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)和裝備已 日臻 成熟，國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策明確規(guī)定不允許上帶補(bǔ)燃爐的余熱發(fā)電系統(tǒng)，而純低溫余熱發(fā)電的概念是相對(duì)于帶補(bǔ)燃爐余熱發(fā)電技術(shù)而命名的，隨著帶補(bǔ)燃爐余熱發(fā)電技術(shù)被取締，純低溫余熱發(fā)電技術(shù)被 更名為水泥窯低溫余熱發(fā)電技術(shù)。自此，水泥余熱發(fā)電進(jìn)入了蓬勃發(fā)展階段。 純低溫余熱發(fā)電技術(shù) 1． 單壓式純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng) （ 1）單壓系統(tǒng)工藝流程 新型干法水泥生產(chǎn)線上，一般中低溫純余熱發(fā)電系統(tǒng)的余熱回收分為兩部分：一是窯尾預(yù)熱器一級(jí)筒出口排出的 300～ 350℃ 的廢氣余熱；二是窯頭熟料篦式冷卻機(jī)尾部排出 400℃ 以下的廢氣余熱。由于生產(chǎn)需要，生產(chǎn)線的廢氣余熱還將作為生料粉磨系統(tǒng)、煤粉制備系統(tǒng)的烘干熱源。 為了同時(shí)滿足發(fā)電與原 、 燃料烘干的需要，窯尾 SP 鍋爐一般均采用立式鍋爐，布置在窯尾預(yù)熱器后的高溫風(fēng)機(jī)之 上。窯尾在最上一級(jí)（ C1 級(jí)）預(yù)熱器至窯尾高溫風(fēng)機(jī)的下行管道上引出廢氣管道與 SP 鍋爐相連 ， 鍋爐出口煙氣溫度控制在 220℃ 左右，送到窯尾高溫風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的管道上，以滿足下道工序烘干原料和 燃料 的需要。烘干原料和 燃料 后的廢氣由原廢氣處理系統(tǒng)的收塵器凈化后排入大氣。控制鍋爐的煙氣阻力 ≤1000Pa，使系統(tǒng)的阻力在窯尾高溫風(fēng)機(jī)的能力允許范圍之內(nèi)。在原預(yù)熱器出口至高溫風(fēng)機(jī)的煙道引出管道、原下行管道以及鍋爐出口管道上均增設(shè)電動(dòng)百葉閥門，對(duì)氣流進(jìn)行控制和切換，原下行管道可做為鍋爐的旁通煙道。當(dāng)需要提高烘干原料和 燃料 的煙氣溫度時(shí) ，可適當(dāng)調(diào)節(jié)下行煙道調(diào)節(jié)閥，讓鍋爐出口的低溫?zé)煔夂?C1 級(jí)出口直接下行的高溫?zé)煔饣旌?，提高進(jìn)窯尾風(fēng)機(jī)（原料磨）的煙溫，其調(diào)節(jié)范圍從 220℃ 或更低直至 C1 級(jí)出口溫度（即煙氣一點(diǎn)不通過(guò) SP 鍋爐），而且 SP 爐的進(jìn)口煙道閥和旁路煙道閥，正常設(shè)計(jì)在窯控制室操作，窯操 作 可隨時(shí)根據(jù)具體情況調(diào)整，既滿足了水泥生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行，又保證了 SP 爐的安全。通過(guò)旁通煙道的調(diào)節(jié)作用還可使水泥生產(chǎn)及余熱鍋爐的運(yùn)行均達(dá)到理想的運(yùn)行工況。 在熟料冷卻機(jī)與窯頭收塵器之間設(shè)一臺(tái) AQC 鍋爐，由廢氣管道連接。為保證鍋爐正常產(chǎn)汽量，需對(duì)冷卻機(jī)進(jìn)行改造，從 冷卻機(jī)中部（原煤磨抽風(fēng)處）引出管道，抽出 350℃ 左右的廢氣送至沉降室，濾去大顆粒粉塵后再由管道引向 AQC鍋爐。從冷卻機(jī)中部抽風(fēng)的目的是提高進(jìn)入 AQC 余熱鍋爐的廢氣溫度，提高整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)效率。 出 AQC 鍋爐的廢氣進(jìn)入原有的窯頭收塵器收塵后，由原有窯頭排風(fēng)機(jī)排放，冷卻機(jī)剩余的低溫余風(fēng)仍由原路進(jìn)窯頭收塵器。原余風(fēng)管路系統(tǒng)可做為鍋爐的旁通煙道，當(dāng)鍋爐故障或水泥生產(chǎn)不正常時(shí)可關(guān)閉去 AQC 鍋爐的閥門，氣流可不經(jīng)鍋爐而由此旁路系統(tǒng)直接排至窯頭收塵器。在冷卻機(jī)原余風(fēng)管路上、新設(shè)的去鍋爐管路上和出鍋爐管路上均增設(shè)電動(dòng)百葉閥 門，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣流的控制和切換。鍋爐和沉降室的煙氣總阻力控制小于 1000Pa，使改造后的氣體流量和壓力在窯頭排風(fēng)機(jī)的能力允許范圍之內(nèi)。 （ 2）熱力系統(tǒng)方案 目前普遍采用的單壓系統(tǒng)熱力流程如圖 91 所示。 圖 91 單壓系統(tǒng)熱力流程圖 本熱力系統(tǒng)中，由于窯尾 SP 鍋爐排氣需要提供給水泥 原料 生產(chǎn)系統(tǒng)作為烘干 用 熱源，因此排氣溫度不能太低，故 SP 鍋爐只設(shè)蒸發(fā)器和過(guò)熱器，蒸發(fā)器給水由窯頭 AQC 鍋爐的省煤器加熱后供給。窯頭 AQC 鍋爐排氣溫度要保證在系統(tǒng)中不結(jié)露和節(jié)點(diǎn)溫差合理的前提下盡可能低 ，故窯頭鍋爐由省煤器、蒸發(fā)器、過(guò)熱器組成，省煤器加熱后的熱水同時(shí)作為窯尾和窯頭蒸發(fā)器的給水。窯頭、窯尾鍋爐同時(shí)生產(chǎn)一種壓力的過(guò)熱蒸汽，混合后進(jìn)入汽輪機(jī)，汽輪機(jī)排氣經(jīng)凝汽器凝結(jié)成水由凝結(jié)水泵輸送到除氧器，除氧后再由給水泵加壓送回窯頭鍋爐的省煤器，從而形成完整的汽水熱力循環(huán)系統(tǒng)。 單壓熱力系統(tǒng)的特點(diǎn)是汽輪機(jī)只設(shè)置一個(gè)進(jìn)汽口，窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐只生產(chǎn)參數(shù)相同或相近的主蒸汽。 那么考慮水泥窯廢氣余熱的調(diào)配及利用 、余熱鍋爐的設(shè)計(jì)、電站熱力系統(tǒng)的配置等因素的唯一目的，就是提高主蒸汽品質(zhì)及產(chǎn)量。主蒸汽品質(zhì)及產(chǎn)量在外 部條件確定的情況下，完全決定了 余熱發(fā)電 系統(tǒng)的發(fā)電功率。 （ 3）主要設(shè)備及系統(tǒng)配置 ① SP 余熱鍋爐 在窯尾設(shè)置 SP 余熱鍋爐，利用預(yù)熱器一級(jí)筒出口廢氣作熱源。鍋爐僅設(shè)置蒸汽段，生產(chǎn) ~， 310~340℃ 的過(guò)熱蒸汽，與窯頭 AQC 余熱鍋爐生產(chǎn)的過(guò)熱蒸汽混臺(tái)后送入汽輪發(fā)電機(jī)，出 SP 余熱鍋爐的廢氣溫度降到 190~220℃ ，供生料粉磨或煤粉制備烘干使用。 ② AQC 余熱鍋爐 在窯頭設(shè)置 AQC余熱鍋爐，利 用篦式冷卻機(jī)中部抽取的廢氣（約 350~400℃ ）作為熱源。余熱鍋爐分為蒸汽段和熱水段運(yùn)行，蒸汽段生產(chǎn)的 ~，310~340℃ 過(guò)熱蒸汽，與窯尾 SP 余熱鍋爐生產(chǎn)的過(guò)熱蒸汽混合后送入汽輪發(fā)電機(jī)組，熱水段生產(chǎn)的 85~200℃ 熱水作為 AQC 余熱鍋爐蒸汽段及 SP 余熱鍋爐的給水，出 AQC 鍋爐廢氣溫度降至 100℃ 左右。 ③ 汽輪發(fā)電機(jī)組 配置凝汽式汽輪機(jī)組一套。 ④ 除氧系統(tǒng)方案 a． 真空除氧 真空除氧器是一種使水在真空下低溫沸騰，脫除水中的氧氣、氮?dú)?、二氧化碳等氣體的設(shè)備。一般在 30~60℃ 溫度下進(jìn)行 ， 可實(shí)現(xiàn) 水面低溫狀態(tài)下除氧（ 60℃或常溫），對(duì)熱力鍋爐和負(fù)荷波動(dòng)大而熱力除氧效果不佳的蒸汽鍋爐，均可用真空除氧而獲得滿意除氧效果。 真空除氧能利用低品位余熱，可用射氣抽汽器加熱軟化水，又能分級(jí)及低位安裝，除氧可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)。當(dāng)負(fù)荷在 40% ~ 120%范圍內(nèi)變化時(shí)，除氧效果都能達(dá)標(biāo)。對(duì)于低壓蒸汽鍋爐，其給水含氧量 ≤可符 合 要求 。 b． 熱力除氧 熱力除氧的工作原理即利用蒸汽對(duì)水進(jìn)行加熱，使水達(dá)到一定壓力下的飽和溫度，即沸點(diǎn)。這時(shí)除氧器的空間充滿著水蒸氣，而氧氣的分壓力逐漸降低為零，溶解于水中的氧氣將全部逸出，以保證給水含氧量合格，同時(shí)還能去除其他的氣體。低參數(shù)的小型電站采用的是大氣式除氧器，工作壓力 ，工作溫度104℃ ，給水含氧量 。通過(guò)對(duì)熱力系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，在余熱電站中使用熱力除氧器的同時(shí)，可以使 AQC 鍋爐出口的廢氣溫度 ≤100℃ ，余熱利用效率還有所提高。 c． 化學(xué)除氧 化學(xué)除氧是利用容易和氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的一些藥劑，使之與水中溶解氧化合而達(dá)到除氧目的?；瘜W(xué)除氧能夠徹底除去水中溶解氧，但不能除去其他氣體?，F(xiàn)在常用的化學(xué)藥劑是聯(lián)氨 （ N2H4） ，它不僅能除氧 、 提高給水的 pH 值，同時(shí)還可在管道內(nèi)表面形成一層保護(hù)膜。 2． 閃蒸式純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng) （ 1）閃蒸系統(tǒng)工藝流程 閃蒸純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)窯尾余熱鍋爐（ PH 爐）一般均采用框架結(jié)構(gòu)，其型式為臥式強(qiáng)制循環(huán)。從預(yù)熱器出口風(fēng)管引高溫廢氣至窯尾 PH 余熱鍋爐，經(jīng)過(guò)鍋爐熱交換后，從鍋爐出口返回到預(yù)熱器出口的熱風(fēng)管道，鍋爐內(nèi)運(yùn)行時(shí)沉降下來(lái)的生料粉塵通過(guò)除灰系統(tǒng)送回熟料生產(chǎn)線。 高溫廢氣是否經(jīng)過(guò)余熱鍋爐可以由預(yù)熱器出口分別到窯尾高溫風(fēng)機(jī)熱風(fēng)管道和鍋爐取風(fēng)管道上的兩臺(tái)電動(dòng)百葉閥來(lái)控制。當(dāng)鍋爐取風(fēng)管道上的電動(dòng)百葉閥打開(kāi)，旁路電動(dòng)百葉閥 關(guān)閉時(shí)，高溫廢氣通過(guò) PH 鍋爐；當(dāng)鍋爐取風(fēng)管道上的電動(dòng)百葉閥關(guān)閉，旁路電動(dòng)百葉閥打開(kāi)時(shí)，高溫廢氣從原通道通過(guò)。當(dāng)原料的水分偏高時(shí)，還可以部分打開(kāi)旁路電動(dòng)百葉閥，以提高進(jìn)入原料磨的熱風(fēng)溫度，滿足原料烘干的要求。 窯頭 AQC（熟料冷卻機(jī)）鍋爐：由于水泥熟料生產(chǎn)線中熟料冷卻機(jī)出口的廢氣溫度一般較低，很難進(jìn)行動(dòng)力回收，需要對(duì)冷卻機(jī)進(jìn)行必要的改造，使進(jìn)入AQC 爐的廢氣溫度提高。改造方法是在冷卻機(jī)中部新開(kāi)抽氣口，并增設(shè)出口廢氣管道，利用這部分 溫度為 360℃ 左右的廢氣，通過(guò)沉降室引入 AQC 余熱鍋爐進(jìn)行回收。沉降室中收集的粉 塵通過(guò)除灰系統(tǒng)送回熟料生產(chǎn)線。 AQC 鍋爐系統(tǒng)一般共設(shè)五臺(tái)閥門。在新安裝的鍋爐取風(fēng)管道上安裝一臺(tái)電動(dòng)百葉閥，用來(lái)控制鍋爐入口風(fēng)量；在冷卻機(jī)至原收塵器入口管道上安裝一臺(tái)電動(dòng)百葉閥，用來(lái)控制或切斷直接進(jìn)入收塵器的廢氣；在鍋爐出口廢氣管道上安裝一臺(tái)電動(dòng)閘板閥，以滿足窯系統(tǒng)運(yùn)行而鍋爐系統(tǒng)故障需要臨時(shí)檢修時(shí)完全切斷進(jìn)入鍋爐的廢氣；在冷卻機(jī)尾部余風(fēng)風(fēng)管至鍋爐取風(fēng)管之間連接一根風(fēng)管并安裝一臺(tái)電動(dòng)百葉閥，用于調(diào)節(jié)入鍋爐風(fēng)溫；在鍋爐取風(fēng)管道上安裝一臺(tái)用于摻入冷風(fēng)的電動(dòng)蝶閥，在回轉(zhuǎn)窯工況波動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)鍋爐風(fēng)溫。 （ 2）熱力系統(tǒng)介紹 整個(gè)熱力系統(tǒng)工藝流程是一個(gè)完整的水汽循環(huán)利用過(guò)程。在生產(chǎn)線窯尾、窯頭各設(shè)置一臺(tái)余熱鍋爐，用于與廢氣的熱量交換，熱交換后鍋爐產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽導(dǎo)入汽輪機(jī)做功，汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。做過(guò)功后的蒸汽經(jīng)凝汽器冷凝成凝結(jié)水，經(jīng)凝結(jié)水泵與閃蒸器出水匯合，通過(guò)鍋爐給水泵增壓進(jìn)入 AQC 鍋爐省煤器進(jìn)行加熱，經(jīng)省煤器加熱后的高溫水分三路分別送到 AQC 爐汽包、 PH 爐汽包和閃蒸器內(nèi)。進(jìn)入兩臺(tái)鍋爐汽包內(nèi)的高溫水在鍋爐內(nèi)循環(huán)受熱，最終產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，兩路過(guò)熱蒸汽匯集后進(jìn)入汽輪機(jī)。進(jìn)入閃蒸器的高溫水根據(jù)閃蒸汽化原理（高溫高壓水進(jìn)入低壓空間后 會(huì)部分瞬間汽化）產(chǎn)生一定壓力的飽和蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后級(jí)輔助做功 ， 做功后的蒸汽經(jīng)過(guò)凝汽器冷凝后形成凝結(jié)水重新參與系統(tǒng)循環(huán) ，循環(huán)過(guò)程中消耗掉的水由純水裝置制取出的純水補(bǔ)充到系統(tǒng)中。 閃蒸發(fā)電技術(shù)是一種能最大限度地利用中、低溫余熱的純余熱利用發(fā)電技術(shù)。該技術(shù)主要以 200℃ ～ 500℃ 的低溫廢氣作為熱源，通過(guò)余熱鍋爐生產(chǎn)出過(guò)熱蒸汽和一定量的飽和水，將常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法利用的部分低品位低溫?zé)崮?，通過(guò)閃蒸系統(tǒng)生產(chǎn)出飽和蒸汽，與過(guò)熱蒸汽一起進(jìn)入多參數(shù)汽輪機(jī)做功發(fā)電，從而增加 余熱發(fā)電 功率。同時(shí)，因?yàn)樵黾恿碎W蒸回路，使得該系統(tǒng)具有平衡和吸收不穩(wěn)定熱源發(fā)生的參數(shù)變化，保證發(fā)電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效的