水泥低溫廢熱（余熱）回收綜合利用與開發(fā)
2007-04-26 00:00
水泥廠的余熱按水泥工藝分為中高溫余熱和低溫余熱兩種，中高溫余熱是中空回轉窯（國內尚存幾條生產(chǎn)線）窯尾排出的廢氣，大約有850℃。低溫余熱是從干法預熱器窯窯尾SP窯排出的攜帶生料粉的廢氣，還有窯頭冷卻機（篦冷機）AQC窯排出的攜帶熟料粉的廢氣。國內對SP窯的廢氣取熱溫度（入鍋爐溫度）約在3 30℃左 右， AQC窯的廢氣取熱溫度（入鍋爐溫度）約在350℃至380℃之間。國外對AQC窯廢氣的取熱溫度（入鍋爐溫度）是310℃左右，其煙氣量遠大于國內同等窯型冷卻機的廢氣量。
為使水泥廠的余熱利用效果達到最佳狀態(tài)，盡量使窯頭AQC鍋爐的排煙溫度降到最低，采用閃蒸技術，部分給水用閃蒸器多級閃蒸產(chǎn)生低壓蒸汽，供汽輪機補汽用。同時，其中另一部分給水加熱后供SP鍋爐和AQC鍋爐。
閃蒸器產(chǎn)生的底壓蒸汽，用來汽輪機低壓段補汽的方法來回收低溫余熱，并提高余熱利用效率，提高噸熟料水泥的發(fā)電量。同時，汽輪機低壓段補汽的方式，對汽輪機的穩(wěn)定運行和安全起到了關鍵作用。國外對這種低壓段補汽的汽輪機研制中發(fā)現(xiàn)，研制高效的閃蒸器并多級閃蒸產(chǎn)生低壓蒸汽補汽時，鍋爐負荷的變化對汽輪機的影響比較小的同時，汽輪機的運行也比較穩(wěn)定。
目前，一些水泥廠和設計院作5級分解窯水泥企業(yè)的總體熱平衡計算后布置熱力系統(tǒng)時，取消或不設閃蒸系統(tǒng)。還有為了提高窯頭AQC鍋爐的蒸汽品位，篦冷機上的抽氣孔向前移動（窯頭燃燒器用的高溫熱風量不受影響前提下），使入鍋爐的廢氣瘟度提高至380℃，生產(chǎn)出滿足（不帶補汽的）汽輪機供汽要求的低壓微過熱蒸汽。這樣以來，降低了總的熱效率，降低了余熱利用率。
經(jīng)調查和研究，4—5級預分解窰的SP爐和AQC爐的工作壓力根據(jù)工廠的具體情況選擇不同的工作壓力，熱力系統(tǒng)中的閃蒸水量根據(jù)總的熱平衡來確定?？傊琒P爐的排煙溫度約210—220℃之間，AQC爐的排煙溫度約100℃以下。
從AQC鍋爐加熱水段加熱的熱水（接近飽和水）進入閃蒸器后，經(jīng)多級（兩級或叁級）擴容閃蒸出一定量的低壓飽和蒸氣，進入汽輪機相應的進汽口作功發(fā)電。一般情況下低壓鍋爐的給水是經(jīng)除氧器除氧后的除氧水，水溫為104℃，窄點溫度取20℃-25℃，相應的煙溫為124℃，排煙溫度將會超過124℃以上。閃蒸器內的飽和水（進行除氧處理）與汽輪機的冷凝水混合后由給水泵供給鍋爐，這時的給水水溫為40℃至70℃之間，當窄點溫度取20℃-25℃，相應的排煙溫度至少能達到105℃以下。這比常規(guī)的鍋爐多利用了100 ℃至124℃之間的熱量，煙氣焓相當于7．5Kacl/Nm3。
某水泥廠入AQC鍋爐的煙溫為380℃，按常規(guī)布置，包括SP爐的給水，AQC鍋爐加熱段進口水溫為45℃到70℃，出口水溫接近于鍋爐的工作壓力下的飽和溫度時，AQC鍋爐的煙氣溫度為130℃左右。這時，煙氣側的放熱量為76Kacl/Nm3。當用閃蒸系統(tǒng)時，排煙溫度為100℃左右，多吸收了7．5Kacl/Nm3,約占吸收熱量的10﹪，相對提高了總的余熱利用效率。
我公司為某水泥廠設計的HG-33000-AQC鍋爐是為窯外分解窯低溫余熱發(fā)電工程設計的余熱鍋爐。該鍋爐布置在窯外分解窯的窯頭位置，窯頭部分用來冷卻水泥熟料的空氣經(jīng)熱交換達到380℃后進入AQC鍋爐的進口，流經(jīng)過熱器，對流管束，省煤器，熱水段，煙溫降到100度之后，經(jīng)窯頭除塵器除塵后排入大氣中。
該鍋爐屬于單鍋筒自然循環(huán)立式鍋爐，被加熱的工質分為兩部分，一部分經(jīng)省煤器后進入鍋筒經(jīng)下降管入對流管束，在這里被加熱后的汽水混合物引入鍋筒，汽水分離后的飽和蒸汽入過熱器后過熱至350 ℃的微過熱蒸汽，此段循環(huán)為自然循環(huán)。
另一部分給水水溫為56（70）℃凝結水（來自凝結水泵）經(jīng)鍋爐的熱水段，工質在熱水段中加熱至210度—220℃、`2．6MPa未飽和水，一部分水進入蒸發(fā)段的省煤器中，一部分進入系統(tǒng)的閃蒸器中。
這種鍋爐的技術參數(shù)如下：
額定蒸發(fā)量 D t/h 15．5
額定工作壓力 P MPa 2．45
額定蒸汽溫度 te ℃ 350
給水溫度 tg ℃ 56—71
熱水段（省煤段通水量）Q t/h 35—45．8
這時，從熱水段出來的熱水一部分進入鍋爐的蒸發(fā)段，另-一部分熱水進入系統(tǒng)中的閃蒸器里。熱水段的給水量為35t-/h、鍋爐的出水溫度為220℃、排煙溫度約為105℃。閃蒸汽按三級閃蒸布置時，一級閃蒸段的工作壓力為1．25MPa、蒸汽溫度為190℃，其閃蒸蒸汽量為2，3t/h，二級閃蒸段的工作壓力為0.7MPa、蒸汽溫度為169℃，其閃蒸蒸汽量為1．2t/h，三級閃蒸段的工作壓力為0．5MPa、蒸汽溫度為151℃，其閃蒸蒸汽量為0，9t/h，總的蒸汽量為4．4t/h，占總蒸發(fā)量的14％以上。將這低壓蒸氣供汽輪發(fā)電機發(fā)電，多發(fā)10％以上的電，提高了余熱利用效率的同時，對汽輪發(fā)電機的穩(wěn)定運行起到了關鍵作用。因為窯外分解窯的工況是波動的，蒸汽產(chǎn)量也是波動的，這對汽輪發(fā)電機的運行產(chǎn)生不同程度的影響。采用低壓段補汽的汽輪發(fā)電機從根本上解決了汽輪機的運行不穩(wěn)定的問題。這種汽輪機不同于常規(guī)技術參數(shù)的汽輪機，從結構上采取特殊型式，如設冷凝水槽等結構，保證了汽輪機的穩(wěn)定運行。
根據(jù)國外資料介紹，水泥廢熱回收發(fā)電技術的利用針對不同水泥生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的廢熱條件及參數(shù)確定窯頭AQC鍋爐的工作參數(shù)和窯尾SP鍋爐的工作參數(shù)，窯尾SP鍋爐的排煙溫度同時還要滿足水泥生料烘干的需要。國內水泥廠的窯尾SP爐的排煙溫度一般采用220℃左右，國外水泥廠的窯尾SP爐的排煙溫度一般在245℃—290℃之間。國外水泥廠的窯頭AQC鍋爐的入口廢氣溫度一般采用200—300℃，排煙溫度一般采用110℃以下。
國內水泥廠熟料冷卻用篦冷機大多數(shù)采用空氣冷卻方式，其結構基本上成型固定，篦冷機前端冷卻熟料換熱的高溫廢氣（空氣）引入到煅燒水泥生料的窯頭燃燒器中，提高燃燒用熱風溫度，從而提高了燃燒效率，減少了熱損失，相當于降低了煅燒水泥的熱耗，余下的大部分換熱后低溫熱空氣（廢氣）引入到窯頭AQC鍋爐中，這時的廢氣溫度為200—300℃。 莫些水泥廠為了提高AQC鍋爐的蒸汽品位，提高入AQC鍋爐的煙氣溫度，將抽氣孔的置移至篦冷機的中前部，影響和減少了篦冷機前端的高溫廢氣（空氣）量，降低了窯頭燃燒器的熱效率，反而水泥熟料的單位熱耗增加了。
據(jù)國外資料介紹，進入窯頭AQC鍋爐的廢氣是經(jīng)沉降室或旋風分離器分離粉塵后的含塵量較低的廢氣。這不僅改善了廢氣的條件，而且創(chuàng)造了AQC鍋爐的受熱面采用擴展受熱面—翅片管的條件，大大減小了鍋爐的體積布置足夠的換熱面積，保證AQC鍋爐的排煙溫度足夠低。在篦冷機和AQC鍋爐之間設置旋風分離器使進入鍋爐的廢氣的含塵濃度降到10g/Nm3左右，保證AQC鍋爐的穩(wěn)定運行。為保證篦冷機的冷卻熟料效果，篦冷機上的抽廢氣孔的位置沒有任何改動（移動），這說明入AQC鍋爐的廢氣溫度只有200—300℃的原因。
節(jié)能中長期專項規(guī)劃中對主要產(chǎn)品能耗指標規(guī)定，水泥綜合能耗2005年度為159千克標準煤/噸，到2010年將達到148千克標準煤/噸，到2020年將達到129千克標準煤/噸，這時，水泥分解窯的窯尾排出的廢氣溫度將進一步降低，水泥廢氣回收利用方式和方法會發(fā)生變化。水泥低溫廢氣回收或發(fā)電或供熱（供暖熱水鍋爐）和制冷，或根據(jù)水泥廠的具體條件設補燃鍋爐，作補燃鍋爐的給水進行加熱等。
發(fā)達國家水泥低溫廢熱回收發(fā)電裝備早在上世紀80年代開始安裝了帶有2—3級閃蒸器的熱力系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)，有些國家的水泥窯窯尾的排煙溫度低于270℃，低溫廢熱回收利用方式方法不僅僅是發(fā)電的方式了。上世紀70年代末80年代初水泥廢熱回收發(fā)電技術在發(fā)達國家中已經(jīng)推廣應用，當時的噸熟料發(fā)電量為31KWh（平均值），這一技術現(xiàn)在本國內已經(jīng)停止開發(fā)和使用了。只有少數(shù)外國公司在中國國內推銷水泥低溫廢熱回收發(fā)電技術和裝備。
我公司為某水泥廠1000t/d窯外分解窯設計制造了HG-F3200-SP鍋爐，其設計參數(shù)如下：
入鍋爐煙氣量 V Nm 3 /d 78000
入鍋爐煙氣溫度 T ℃ 320
排煙溫度 T’’ ℃ 100
保熱系數(shù) Φ - 0．978
鍋爐效率 η ％ 65
回水溫度 t’ ℃ 80
出水溫度 t″ ℃ 140
工作壓力 Pe MPa 1．6
鍋爐排污 Pw ％ 1．5
循環(huán)水量 Q t/h 101．05
熱功率 N MW 7．14
這一鍋爐安裝投入使用以后，水泥廠取消了供暖及生活用工業(yè)用鍋爐8-9臺。即節(jié)省了工業(yè)用煤，又保護了環(huán)境，保證了工廠及職工生活區(qū)的供暖需要。這一技改措施不僅得到了當?shù)卣块T的表彰，成了環(huán)境保護的先進單位，也成了行業(yè)內的節(jié)能和環(huán)境保護的先進單位。
總之，水泥廠的水泥低溫余熱回收綜合利用不能僅限于發(fā)電方式，應考慮其它的方式，如考慮廠區(qū)的供暖，制冷，小型電站或熱電聯(lián)供鍋爐的給水的加熱等其它形式。目前，水泥廠的節(jié)能采用低溫余熱回收發(fā)電方式時，應考慮水泥的綜合能耗達到最小的前提下提高發(fā)電量。在不影響水泥生產(chǎn)的前提下，所配置熱力系統(tǒng)是先進的，不僅僅是鍋爐，應包括閃蒸器及汽輪發(fā)電機，這樣，才能提高總的余熱回收熱效率，降低噸熟料的能耗。或者根據(jù)水泥廠地域和條件因地制宜考慮供暖等其它方式。
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