創(chuàng)新型余熱發(fā)電技術(shù)
一、企業(yè)簡(jiǎn)介
北京市琉璃河水泥有限公司是全國(guó)建材一類大型企業(yè),始建于1939年,是北京金隅集團(tuán)有限責(zé)任公司控股的北京金隅股份有限公司的核心子公司,注冊(cè)資本3.3億元,職工總數(shù)980人(其中工程技術(shù)人員300余人),年利潤(rùn)近1億元。公司位于北京西南40公里處,西鄰龍的故鄉(xiāng)—周口店北京猿人遺址,與京廣鐵路、京石高速公路、107國(guó)道緊鄰,交通四通八達(dá),運(yùn)輸暢捷迅速,廠區(qū)環(huán)境優(yōu)美。公司在行業(yè)內(nèi)率先通過(guò)ISO9001質(zhì)量體系認(rèn)證、ISO10012計(jì)量檢測(cè)體系認(rèn)證、OHSMS18001職業(yè)健康安全體系認(rèn)證、ISO14001環(huán)境管理體系認(rèn)證。公司生產(chǎn)的“金隅”(原“長(zhǎng)城”)牌水泥被國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局授予“國(guó)家免檢產(chǎn)品”,并獲得了北京市首批“綠色建材產(chǎn)品”稱號(hào),“長(zhǎng)城”牌商標(biāo)還連續(xù)多次被評(píng)為“北京市著名商標(biāo)”、“北京名牌商品”等稱號(hào)。
北京市琉璃河水泥有限公司擁有一條2500t/d新型干法水泥生產(chǎn)線和一條2000t/d新型干法水泥生產(chǎn)線,鐵路專用線13條合計(jì)20公里,主要產(chǎn)品有P.O42.5、P.Ⅰ42.5水泥,年生產(chǎn)供貨能力達(dá)220萬(wàn)噸以上,日出廠水泥最大量12000噸以上。公司以創(chuàng)新求發(fā)展,依靠科技進(jìn)步,不斷提高產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量,堅(jiān)持“塑卓越品質(zhì),鑄百年偉業(yè)”的質(zhì)量方針,真誠(chéng)服務(wù)用戶,履行企業(yè)社會(huì)職責(zé),按照“綠色北京”的要求,成為“生態(tài)友好型”企業(yè)。實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
北京市琉璃河水泥有限公司大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì),走理性、健康、可持續(xù)發(fā)展的道路。2006年公司在2500t/d新型干法水泥生產(chǎn)線配套開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新型低溫余熱發(fā)電示范項(xiàng)目,每小時(shí)平均發(fā)電能力在5800kwh以上,成為具有國(guó)際領(lǐng)先水平的示范工程。該項(xiàng)目被國(guó)家發(fā)改委列為2006年國(guó)家十大重點(diǎn)節(jié)能工程示范項(xiàng)目,被北京市發(fā)改委列為“清潔能源示范工程”,創(chuàng)新型低溫余熱發(fā)電技術(shù)已獲得國(guó)家實(shí)用新型專利和國(guó)家發(fā)明專利。在2000t/d新型干法水泥生產(chǎn)線配套建設(shè)的6兆瓦創(chuàng)新型低溫余熱發(fā)電生產(chǎn)線已于2009年6月并網(wǎng)發(fā)電,公司2009年被列為北京市首批循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)單位。
近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展以及國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入不斷加大,水泥工業(yè)的建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,為水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了市場(chǎng)條件。伴隨建設(shè)規(guī)模及水泥生產(chǎn)線產(chǎn)能的提高,水泥燃料熱耗逐漸降低。但即使如此,目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)的水泥生產(chǎn)工藝仍然有大量的350℃以下的低溫余熱不能被充分利用,其浪費(fèi)的熱量約占總輸入熱量的1/3左右??紤]目前國(guó)內(nèi)陸續(xù)投產(chǎn)的大型水泥窯技術(shù)及裝備的變化并結(jié)合國(guó)內(nèi)火力發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)制造現(xiàn)狀,對(duì)水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電所采用的熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式進(jìn)行深入的研究分析,從而進(jìn)一步提高我國(guó)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備水平、充分合理利用余熱進(jìn)而提高余熱發(fā)電能力是非常必要的。
二、北京市琉璃河水泥有限公司發(fā)電技術(shù)歷史情況簡(jiǎn)介
1、北京市琉璃河水泥有限公司在1939年建立之初,就設(shè)有兩套余熱發(fā)電機(jī)組;2、國(guó)家“八五”攻關(guān)項(xiàng)目中,公司
1993年2000t/d的新型干法生產(chǎn)線投產(chǎn)時(shí)已建有一套12MW資源綜合利用的余熱發(fā)電系統(tǒng);3、2000年建設(shè)2500t/d的新型干法生產(chǎn)線時(shí)已預(yù)留了余熱發(fā)電接口與場(chǎng)地。
三、創(chuàng)新型余熱發(fā)電技術(shù)研發(fā)
?。ㄒ唬﹦?chuàng)新基礎(chǔ)與核心
1、創(chuàng)新基礎(chǔ)
在保證水泥窯產(chǎn)、質(zhì)量不降低,在熟料熱耗不增加的基礎(chǔ)上,充分利用水泥窯頭、窯尾可利用余熱資源,實(shí)現(xiàn)高效率的能量轉(zhuǎn)換。
2、創(chuàng)新核心
?。?)與電力設(shè)計(jì)制造部門(mén)合作開(kāi)發(fā)新型干法水泥生產(chǎn)線的有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鍋爐與汽輪發(fā)電機(jī)的創(chuàng)新型純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)(專業(yè)化分工、強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合);(2)創(chuàng)造性地應(yīng)用“功能分開(kāi)”和“能級(jí)重組、梯度利用”的設(shè)計(jì)理論;(3)采用國(guó)際先進(jìn)技術(shù),創(chuàng)新設(shè)計(jì)、解決SP、AQC爐存在的漏風(fēng)、氣流分布不均、傳熱器積灰以及傳熱效率低等問(wèn)題。
3、技術(shù)特點(diǎn)
此項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)是在三次風(fēng)風(fēng)管的管路上設(shè)一帶有旁路風(fēng)管的三次風(fēng)余熱鍋爐,該三次風(fēng)余熱鍋爐的工質(zhì)入口端通過(guò)管路分別與AQC和SP爐連接,通過(guò)三次風(fēng)再次加熱AQC和SP爐的汽包,提升飽和蒸汽的品質(zhì),提高熱能利用率。在三次風(fēng)管取熱風(fēng)是最受爭(zhēng)議的一點(diǎn)技術(shù)革新,通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)踐證明,按北京地區(qū)大型火電廠發(fā)電煤耗355克標(biāo)煤/千瓦時(shí)計(jì)算,每小時(shí)我們借用的三次風(fēng)的熱量相當(dāng)于發(fā)電量為1000千瓦時(shí),也就是說(shuō),我們這種技術(shù)每小時(shí)所得到的發(fā)電成果是:純低溫發(fā)電量4800千瓦時(shí)(發(fā)電成本0.12元/kwh)和用發(fā)電煤耗為355克標(biāo)煤/千瓦時(shí)發(fā)的1000千瓦時(shí)電量(發(fā)電成本0.24元/kwh),可見(jiàn)經(jīng)濟(jì)效益是非常明顯的。從AQC廢氣排放溫度低于90℃等等技術(shù)指標(biāo)上可以充分體現(xiàn)這一技術(shù)“功能分開(kāi)”和“能級(jí)重組、梯度利用”的設(shè)計(jì)理論。此外,三次風(fēng)管取風(fēng)客觀上減少了三次風(fēng)溫上下波動(dòng)的范圍,在一定程度上起到了穩(wěn)定分解爐和回轉(zhuǎn)窯工況的作用。
?。ǘ﹦?chuàng)新型低溫余熱發(fā)電技術(shù)的理論基礎(chǔ)
目前,所有的熱能—?jiǎng)恿D(zhuǎn)換技術(shù)理論基礎(chǔ)均基于朗肯循環(huán)理論,不同電站僅僅是由于熱能種類、所采用的工質(zhì)參數(shù)及實(shí)際循環(huán)方式不同,鍋爐產(chǎn)生蒸汽時(shí),壓力變化一般都不大,所以蒸汽的產(chǎn)生過(guò)程接近于一個(gè)定壓加熱過(guò)程。一般來(lái)講有如下三個(gè)過(guò)程:
第一個(gè)過(guò)程,水被逐步加熱至某一溫度,在此溫度下水開(kāi)始逐漸產(chǎn)生蒸汽,形成飽和水,其蒸汽溫度與水溫相同;第二個(gè)過(guò)程,飽和水繼續(xù)被加熱時(shí)開(kāi)始汽化,這個(gè)定壓汽化過(guò)程水溫將不再變化,蒸汽將不斷增加至水全部變?yōu)轱柡驼羝?;第三個(gè)過(guò)程,蒸汽后繼續(xù)定壓加熱,則蒸氣的溫度將不斷升高,便得到過(guò)熱蒸汽。
在水及水蒸氣被熱源加熱過(guò)程中,熱源與水及水蒸氣間必將存在換熱溫差,并且熱源溫度必須高于水及水蒸氣溫度,同時(shí)在此換熱過(guò)程中的某一位置存在最小溫差點(diǎn),此點(diǎn)稱為換熱溫差窄點(diǎn)。
一般通過(guò)熱平衡的方法,即通過(guò)熱量的收入與支出來(lái)分析評(píng)價(jià)某一熱工過(guò)程,進(jìn)而確定熱效率。但是熱平衡評(píng)價(jià)方法是基于熱力學(xué)第一定律,即能量收入與支出之和必須是零。它僅表示能源在量方面的利用情況,并不涉及能質(zhì)。能質(zhì)的表現(xiàn)方式是考察能源對(duì)環(huán)境而言所能作的最大有用功,它是基于熱力學(xué)第二定律:熱量只能從高溫?zé)嵩磦鬟f給低溫?zé)嵩?,因此,并不是所有的熱量都能作功,溫度愈?作功能力愈大,環(huán)境溫度下的熱量不能作功。通過(guò)對(duì)余熱發(fā)電熱力循環(huán)過(guò)程進(jìn)行能質(zhì)分析和評(píng)價(jià),可以對(duì)余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行更深入的分析從而找出構(gòu)成合理、高效的余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)的方法。
朗肯循環(huán)是最簡(jiǎn)單的蒸汽動(dòng)力循環(huán),由給水泵、鍋爐、汽輪機(jī)和冷凝器四個(gè)主要裝置組成。在對(duì)實(shí)際的循環(huán)進(jìn)行簡(jiǎn)化和理想化的前提下,我們認(rèn)為汽水循環(huán)過(guò)程如下:
1、在給水泵中水被壓縮升壓,這個(gè)過(guò)程中流經(jīng)水泵的流量較大,水泵向周圍的散熱量可以忽略,這個(gè)過(guò)程可簡(jiǎn)化為可逆絕熱壓縮過(guò)程,即定熵壓縮過(guò)程。2、水在鍋爐中被加熱的過(guò)程本來(lái)是在外部熱源與工質(zhì)之間有較大溫差的條件下進(jìn)行的,而且不可避免地工質(zhì)會(huì)有壓力損失,是一個(gè)不可逆加熱過(guò)程。我們把它理想化為不存在工質(zhì)壓力變化,并將過(guò)程想象為無(wú)數(shù)個(gè)與工質(zhì)溫度相同的熱源與工質(zhì)可逆?zhèn)鳠?,也就是把傳熱不可逆因素放在系統(tǒng)之外,只著眼于工質(zhì)一側(cè)。這樣,將加熱過(guò)程理想化為定壓可逆吸熱過(guò)程。3、蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹過(guò)程中因其流量大、散熱量相對(duì)較小,當(dāng)不考慮摩擦等不可逆因素時(shí),簡(jiǎn)化為可逆絕熱膨脹過(guò)程,即定熵膨脹過(guò)程。4、蒸汽在冷凝器中被冷卻水,同樣將不可逆溫差傳熱因素放于系統(tǒng)之外來(lái)考慮,簡(jiǎn)化為可逆定壓冷卻過(guò)程。
通過(guò)對(duì)上述分析,提高其循環(huán)熱效率的措施有如下三點(diǎn)結(jié)論:1、提高汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度、壓力等初參數(shù)可提高循環(huán)熱效率;2、降低汽輪機(jī)排汽溫度、壓力等終參數(shù)可提高循環(huán)熱效率。3、提高鍋爐對(duì)余熱分能級(jí)利用的水平,充分發(fā)揮中高溫?zé)煔鉄嵝实耐瑫r(shí),盡可能多回收低溫?zé)煔鉄崃俊?/P>
上述結(jié)論是指導(dǎo)余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),是確定余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。但在實(shí)際工程中,由于材料、水及水蒸氣特性的限制以及余熱熱源溫度的限制,進(jìn)汽輪機(jī)的蒸汽壓力、溫度不可能無(wú)限制提高,因此相應(yīng)的制約了循環(huán)熱效率的提高;同樣,由于汽輪機(jī)排汽受循環(huán)冷卻水溫度的限制也不可能過(guò)低,也制約了熱效率的提高。
(三)創(chuàng)新型低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化
以北京市琉璃河水泥有限公司現(xiàn)有日產(chǎn)2500t水泥熟料生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電工程為例:項(xiàng)目根據(jù)水泥廠余熱的分布與能級(jí)特點(diǎn),利用經(jīng)優(yōu)化的汽水循環(huán)系統(tǒng)、合理的工質(zhì)參數(shù)及核心發(fā)電設(shè)備,主要建設(shè)一臺(tái)6MW純凝汽式汽輪機(jī)和一臺(tái)6MW發(fā)電機(jī),三臺(tái)分別設(shè)置于窯頭、窯尾和三次風(fēng)管主路的余熱鍋爐,合理、充分地利用水泥生產(chǎn)過(guò)程的工藝余熱,產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。
純余熱電站不燒煤,不增加新的煙氣排放點(diǎn),但是純低溫余熱發(fā)電受到了余熱品位和余熱量的制約。所以要研究余熱發(fā)電,首先就必需了解水泥窯排放煙氣的廢氣參數(shù),從而進(jìn)一步研究熱量利用方案。廢氣量、廢氣溫度、廢氣成分等參數(shù)決定了余熱鍋爐的產(chǎn)汽量和發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。為了合理配置余熱鍋爐和發(fā)電系統(tǒng),使鍋爐和發(fā)電系統(tǒng)處于高效率的運(yùn)行工況,我們對(duì)水泥生產(chǎn)線長(zhǎng)期穩(wěn)定工況下的廢氣參數(shù)進(jìn)行篩選驗(yàn)證,對(duì)影響余熱參數(shù)的窯系統(tǒng)各點(diǎn)的確定進(jìn)行了多方論證研討,確保電站開(kāi)工前的所有設(shè)計(jì)工作準(zhǔn)確無(wú)誤、與水泥生產(chǎn)系統(tǒng)配合得當(dāng),并在電站建設(shè)完成后還要進(jìn)行跟蹤檢測(cè),與建設(shè)前參數(shù)進(jìn)行比較(見(jiàn)圖一:工藝流程)。
圖一:余熱發(fā)電工藝流程
本項(xiàng)目利用窯頭鍋爐與窯尾鍋爐蒸發(fā)受熱面來(lái)回收進(jìn)入鍋爐的中高溫?zé)煔猱a(chǎn)生飽和蒸汽,飽和蒸汽壓力達(dá)到2.0MPa以上,溫度可提高到210℃左右,這樣就使在230℃以上的煙氣全部用來(lái)生產(chǎn)飽和蒸汽。由于煙氣溫度較高和流量很大,窯頭鍋爐能生產(chǎn)10.6t/h飽和蒸汽,窯尾鍋爐能產(chǎn)汽20.6t/h;為實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫段煙氣的合理利用,經(jīng)與蒸發(fā)受熱面換熱后形成的低溫?zé)煔庥墒∶浩鱽?lái)回收,用下級(jí)省煤器來(lái)加熱凝結(jié)水,上級(jí)省煤器繼續(xù)加熱來(lái)自除氧器的給水,減少了從汽輪機(jī)抽汽作為除氧熱源的環(huán)節(jié),有利于提高了汽輪機(jī)的效能;飽和蒸汽送入三次風(fēng)鍋爐,利用少量850℃左右的高溫三次風(fēng)來(lái)加熱飽和蒸汽以及少量的減溫水產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽,使過(guò)熱蒸汽溫度達(dá)到400℃,壓力達(dá)到1.9 MPa左右,過(guò)熱蒸汽流量為32.4t/h。
利用根據(jù)余熱高低品位分能級(jí)利用的原則,窯頭鍋爐、窯尾鍋爐生產(chǎn)飽和蒸汽,三次風(fēng)鍋爐生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽,從而提高了過(guò)熱蒸汽的品質(zhì)(過(guò)熱度、壓力)與產(chǎn)量,這些思路和實(shí)踐是水泥工業(yè)與水泥窯余熱發(fā)電工業(yè)的一大創(chuàng)新。
鍋爐系統(tǒng)工質(zhì)具體的循環(huán)過(guò)程是來(lái)自三次風(fēng)余熱鍋爐的過(guò)熱蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹做功后,乏汽排入冷凝器凝結(jié)成水,凝結(jié)水從冷凝器出來(lái),通過(guò)凝結(jié)水泵分別進(jìn)入AQC余熱鍋爐低溫省煤器和SP余熱鍋爐低溫省煤器中,從AQC余熱鍋爐和SP余熱鍋爐低溫省煤器出來(lái)的低壓給水送入除氧器,經(jīng)除氧器除氧并經(jīng)電動(dòng)給水泵升壓后分別進(jìn)入AQC余熱鍋爐和SP余熱鍋爐高溫省煤器。從高溫省煤器出來(lái)的水分別送入該余熱鍋爐的蒸汽受熱面生成飽和蒸汽;AQC余熱鍋爐和SP余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽經(jīng)汽包再分別通過(guò)管路送至三次風(fēng)過(guò)熱器,經(jīng)三次風(fēng)過(guò)熱器的低溫過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器加熱產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽,汽水循環(huán)的工質(zhì)壓力可以提高至次中壓,過(guò)熱蒸汽經(jīng)主蒸汽管送入汽輪機(jī)推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
四、北京市琉璃河水泥有限公司2500t/d新型干法水泥生產(chǎn)線配套6MW創(chuàng)新型余熱發(fā)電運(yùn)行效果
1、自2007年7月投運(yùn)以來(lái),運(yùn)行狀況良好,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。2009年上半年發(fā)電2489.4萬(wàn)kwh,發(fā)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)98%,隨窯運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)100%,發(fā)電功率平均值達(dá)到5800kw以上,電站自用電率達(dá)到6%,供電能力高。余熱電站與水泥窯系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合,不但未對(duì)窯煅燒帶來(lái)任何影響,而且起到了穩(wěn)定窯熱工制度的作用,熟料產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定提升。2、北京市琉璃河水泥有限公司創(chuàng)新型余熱發(fā)電系統(tǒng)已于2009年1月14日獲得國(guó)家發(fā)明專利(專利號(hào):ZL200610171599.0)。
五、結(jié)束語(yǔ)
樹(shù)立科學(xué)發(fā)展觀,創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì),是我國(guó)當(dāng)今發(fā)展的主題。大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì),是實(shí)現(xiàn)節(jié)約型社會(huì)的重要途徑之一,是國(guó)家倡導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。伴隨水泥行業(yè)的生產(chǎn)工藝進(jìn)一步發(fā)展,水泥生產(chǎn)的熱耗進(jìn)一步降低,水泥生產(chǎn)線的窯頭及窯尾所排出的廢氣溫度將進(jìn)一步降低時(shí),所配置的余熱鍋爐(以水為介質(zhì)時(shí))只能制成熱水鍋爐或采暖,另一方面余熱鍋爐的介質(zhì)采用低沸點(diǎn)的(有機(jī)或無(wú)機(jī))液體時(shí),使鍋爐排出溫度低于90℃或更小,使余熱利用率進(jìn)一步提高。這一技術(shù)和領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)與涉足,符合國(guó)家長(zhǎng)期科技開(kāi)發(fā)規(guī)劃,符合建立和諧社會(huì)的需要,是再生能源、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、提高能源利用效率和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑,北京市琉璃河水泥有限公司愿與社會(huì)各界攜手,為我國(guó)水泥窯余熱發(fā)電的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。
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