江西水泥廠低溫余熱發(fā)電工程設(shè)計(jì)方案（1）

1 前言
　　水泥窯余熱發(fā)電大致經(jīng)歷了中空窯高溫余熱發(fā)電、預(yù)熱器及預(yù)分解窯帶補(bǔ)燃爐中低溫余熱發(fā)電、預(yù)熱器及預(yù)分解窯低溫余熱發(fā)電三個(gè)發(fā)展階段。日本于1919年首次將余熱發(fā)電技術(shù)引入水泥工業(yè),我國(guó)在20世紀(jì)20~30年代由于電力緊張，建設(shè)了一批干法中空窯余熱發(fā)電水泥廠（如啟新、大連等）。以后，由于我國(guó)的電力短缺，中空窯余熱發(fā)電有了較大發(fā)展。70年代末至80年代，在對(duì)原有中空余熱發(fā)電窯進(jìn)行技術(shù)改造的同時(shí)，又新建了一批類似生產(chǎn)線。直到90年代初，預(yù)分解窯帶補(bǔ)燃爐余熱發(fā)電技術(shù)在我國(guó)開始應(yīng)用（如魯南、琉璃河等）。上述技術(shù)的發(fā)展均以提高發(fā)電量，緩解電力供應(yīng)不足為主要目的，為我國(guó)水泥工業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。
　　隨著人們節(jié)能和環(huán)保意識(shí)的提高，世界上單純以余熱利用為目的的預(yù)熱器及預(yù)分解窯低溫余熱發(fā)電在80年代初有了較大發(fā)展，特別是日本、我國(guó)臺(tái)灣等能源短缺地區(qū)，低溫余熱發(fā)電已被廣泛應(yīng)用。日本川崎重工為我國(guó)寧國(guó)水泥廠4000t/d生產(chǎn)線提供了一套低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，于1998年2月并網(wǎng)發(fā)電，單位熟料發(fā)電量達(dá)33.88kWh/t。使水泥生產(chǎn)中大量中、低溫?zé)煔庥酂岬玫匠浞只厥?，?jīng)濟(jì)效益顯著。作為這一技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的工業(yè)性試驗(yàn)項(xiàng)目，江西水泥廠#3窯低溫余熱發(fā)電工程于1998年1月開工，1999年4月底開始并網(wǎng)發(fā)電。決算總投資2088萬元，設(shè)計(jì)單位熟料發(fā)電量33.6kWh。本文就該廠低溫余熱發(fā)電工程的設(shè)計(jì)作一介紹。

2 原工藝條件及整改措施
　　江西水泥廠#3窯始建于1984年4月，1986年11月建成投產(chǎn)，是我國(guó)第一條自行設(shè)計(jì)制造的采用RSP窯外分解工藝的2000t/d新型干法生產(chǎn)線，也是國(guó)家“六·五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目之一。由于是第一條大型國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)時(shí)缺少經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)存在問題較多，后經(jīng)多次技術(shù)改造以及廠方努力，現(xiàn)生產(chǎn)情況顯著改善，熟料產(chǎn)量達(dá)到2000t/d設(shè)計(jì)水平，熟料月產(chǎn)量超過5萬噸。但因投產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，加之設(shè)計(jì)、制造、安裝等方面的不足，該生產(chǎn)線部分設(shè)備不盡合理，多處熱力風(fēng)管銹蝕嚴(yán)重，系統(tǒng)漏風(fēng)偏大，熱耗偏高。為保證余熱發(fā)電工程能達(dá)到預(yù)期效果，我院于1998年2月對(duì)系統(tǒng)有關(guān)部分進(jìn)行了測(cè)試，在此基礎(chǔ)上對(duì)#3窯系統(tǒng)提出了如下整改意見：
　?、?調(diào)整篦冷機(jī)操作風(fēng)量，適當(dāng)減少篦冷機(jī)熱端冷卻風(fēng)機(jī)供風(fēng),增加冷端冷卻風(fēng)量，使總的冷卻風(fēng)量有所下降，以提高篦冷機(jī)運(yùn)行效率。同時(shí)由于總的冷卻風(fēng)量減少，可望篦冷機(jī)廢氣溫度有所提高。
　?、?針對(duì)窯頭、窯尾密封及三次風(fēng)管漏風(fēng)嚴(yán)重的問題，采取措施以提高系統(tǒng)對(duì)篦冷機(jī)熱風(fēng)利用率，降低系統(tǒng)熱耗。
　?、?更換部分熱煙氣風(fēng)管，恢復(fù)篦冷機(jī)電除塵排灰鎖風(fēng)閥等，以減少系統(tǒng)漏風(fēng)。
　?、?為在余熱發(fā)電投入使用后保證生料磨仍有足夠的烘干能力，增加粗粉倉(cāng)、細(xì)粉倉(cāng)入磨端鎖風(fēng)裝置，使熱風(fēng)使用量超過75%。

3 低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
3.1 需考慮的問題
　　低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的窯尾余熱鍋爐（SP爐）和篦冷機(jī)余熱鍋爐（AQC爐）串聯(lián)于熟料生產(chǎn)線上，兩鍋爐阻力均小于1000Pa。設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮下列問題：
(1) 窯尾主排風(fēng)機(jī)和窯頭、窯尾電除塵器及其風(fēng)機(jī)的能力是否適應(yīng)增設(shè)窯尾余熱鍋爐和篦冷機(jī)余熱鍋爐的條件；
(2) 原料磨的熱風(fēng)系統(tǒng)能否滿足工藝要求；
(3) 該兩臺(tái)鍋爐系統(tǒng)的安裝是否不破壞原生產(chǎn)廠房。
經(jīng)對(duì)窯系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料認(rèn)真復(fù)核，確認(rèn)增設(shè)兩臺(tái)鍋爐系統(tǒng)后所涉及的上述設(shè)備能力可以滿足要求，不須作任何改造；兩臺(tái)鍋爐系統(tǒng)的布置可以不破壞原生產(chǎn)廠房；出窯尾鍋爐廢氣被送至生料原系統(tǒng)作為烘干熱源，經(jīng)核算,只要控制出窯尾鍋爐廢氣溫度≥240℃～℃260就可滿足入磨原料綜合水份≤5%的烘干要求。窯系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)性能見表1。
　　表1 窯系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)性能
　　　額定風(fēng)量/（m3h-1）額定風(fēng)壓/Pa裝機(jī)功率/kW³工作溫度/℃
窯尾主排風(fēng)機(jī)：
　　　　　474840 　　　　　7848 　　　　1600　　　　350 
窯頭余風(fēng)風(fēng)機(jī)：
　　　　　　324000　　　　　　　　　　　 3158　　　　 475 

3.2熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及特點(diǎn)
圖1 江西廠#3窯熱力系統(tǒng)流程

　　熱力系統(tǒng)工藝流程見圖1。汽輪機(jī)冷凝器中的凝結(jié)水通過水泵和來自軟化水車間的補(bǔ)充水一起進(jìn)入除氧器進(jìn)行化學(xué)除氧，由鍋爐給水泵分兩路送入篦冷機(jī)鍋爐省煤器管束。經(jīng)省煤器加熱后，給水由40℃升至186℃,成為飽和水，然后分別被送入窯頭分離汽包和窯尾分離汽包。窯尾余熱鍋爐和篦冷機(jī)余熱鍋爐均設(shè)有蒸發(fā)器，各自分離汽包的飽和水經(jīng)熱水循環(huán)泵分別被送至相應(yīng)的蒸發(fā)器加熱，轉(zhuǎn)化為汽水混合物后再送回各自的分離汽包進(jìn)行汽水分離。分離后的蒸汽在窯尾鍋爐分離汽包內(nèi)匯合后進(jìn)入窯尾鍋爐過熱器繼續(xù)加熱成為305℃，1.05Mpa的過熱蒸汽，再送至氣輪機(jī)作功發(fā)電。篦冷機(jī)鍋爐蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力為產(chǎn)飽和汽4.1t/h，過熱蒸汽19.05t/h。
經(jīng)熱交換后，篦冷機(jī)廢氣由270℃降為140℃，經(jīng)窯頭電收塵凈化后排空。窯尾煙氣由400℃左右降至260℃，送至生料磨作為原料烘干熱源。
　　針對(duì)江西廠廢氣熱焓情況、原料烘干要求、含塵量及粉塵特性采取了如下措施：
(1) 兩臺(tái)鍋爐采用了一個(gè)共用的汽水回路系統(tǒng)，將兩臺(tái)鍋爐的省煤器布置在窯頭鍋爐內(nèi)，以充分利用篦冷機(jī)低溫廢氣熱源；將蒸汽過熱器布置在窯尾鍋爐內(nèi)，以使過熱蒸汽達(dá)到設(shè)定的溫度，提高發(fā)電效率。
(2) 針對(duì)篦冷機(jī)廢氣所含熟料粉塵粒徑較大、磨蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，為防止篦冷機(jī)鍋爐換熱器過早磨損，在鍋爐前設(shè)置兩臺(tái)并聯(lián)旋風(fēng)收塵器作為預(yù)除塵裝置，除塵效率設(shè)計(jì)在75%左右。
(3) 為防止因集灰而影響鍋爐的換熱效率，篦冷機(jī)鍋爐和窯尾鍋爐均設(shè)置機(jī)械振打和超聲波兩套除灰裝置，兩臺(tái)鍋爐底部均設(shè)置了專門的排灰系統(tǒng)。
(4) 為避免臥式鍋爐漏風(fēng)嚴(yán)重和流場(chǎng)分布不均的隱患，兩臺(tái)鍋爐均采用立式鍋爐。
(5) 采用化學(xué)除氧，其原理是利用氧具有活潑的化學(xué)性質(zhì)，它能與很多的非金屬和金屬直接化合形成穩(wěn)定的氧化物，使水中的溶解氧在進(jìn)入鍋爐以前轉(zhuǎn)變成化合物，達(dá)到常溫除氧的目的。較之熱力除氧可大量減少系統(tǒng)蒸汽消耗，且除氧效果好,運(yùn)行成本很低。
(6) 采用低參數(shù)單壓凝汽式汽輪機(jī),系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠,比較適應(yīng)水泥窯工況波動(dòng)大,頻繁停窯的場(chǎng)合。
3.3 主要設(shè)備配置
　　該系統(tǒng)均采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備, 汽輪機(jī)型號(hào)為N3-11，3000kW，5600RPM，進(jìn)汽1.1MPa、305℃，排汽背壓0.008MPa，發(fā)電機(jī)型號(hào)QF-3-2，3000kW、6300V。篦冷機(jī)鍋爐和窯尾鍋爐為針對(duì)該系統(tǒng)新開發(fā)設(shè)備，分別介紹如下：
　　(1) 篦冷機(jī)余熱鍋爐。篦冷機(jī)余熱鍋爐本體自上而下由省煤器和蒸發(fā)器組成，受熱面管束均采用Ф45×3.5mm 的#20無縫鋼管制成的蟹爪形針管，針管的肋化系數(shù)為5.19，大大提高了受熱面的換熱效果。同時(shí)蟹爪形針管有較強(qiáng)的自清灰功能，可有效地減緩受熱面的磨損。受熱面管束均采用逆流布置，即廢氣與工質(zhì)反向流動(dòng)，煙氣經(jīng)旋風(fēng)收塵器除塵后，自下而上橫向沖刷管束。省煤氣受熱面分為大小兩組，大的一組為窯尾鍋爐省煤器，小的一組為窯頭鍋爐自身省煤器。蒸發(fā)器采用強(qiáng)制循環(huán)，循環(huán)倍率為8。
在鍋爐本體上下煙罩部位共安裝了兩臺(tái)美國(guó)BHA公司制造的ModelAH-25A型聲波除塵器，聲波除塵器的啟停程序由余熱發(fā)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制，運(yùn)行中根據(jù)需要靈活調(diào)整控制程序。
　　(2) 窯尾余熱鍋爐。窯尾余熱鍋爐本體自上而下由過熱器和三級(jí)蒸發(fā)器組成，過熱器和三級(jí)蒸發(fā)器受熱面均由采用Ф38mm×4mm的#20鍋爐鋼管，由水平前后方向彎制成的上下蛇形管束組成，逆流布置型式。蒸發(fā)器采用強(qiáng)制循環(huán)，循環(huán)倍率為6。
解決好煙氣粉塵對(duì)受熱面的沖刷磨損以及集灰對(duì)換熱效果的影響，是水泥窯余熱鍋爐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在窯尾鍋爐煙氣入口截面上,管束和彎頭等受氣流沖刷嚴(yán)重的位置均設(shè)置防磨罩。為保證受熱面的清潔，在鍋爐本體內(nèi)有4臺(tái)BHA聲波除塵器對(duì)稱分布于鍋爐本體，在左右爐墻各布置70個(gè)機(jī)械振打點(diǎn)，由14臺(tái)調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
　　(3) 系統(tǒng)控制。整個(gè)余熱發(fā)電系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)，為此新設(shè)一余熱發(fā)電中央控制室?，F(xiàn)場(chǎng)一次儀表檢測(cè)的各種工藝參數(shù)經(jīng)變送器送至中控室，由計(jì)算機(jī)處理、控制和顯示。計(jì)算機(jī)設(shè)有完善的流程控制畫面和報(bào)警系統(tǒng)等，主要有汽包水位控制、熱井水位控制、前壓調(diào)節(jié)控制、主蒸汽溫度控制等五條PID調(diào)節(jié)回路和各種保護(hù)控制（如汽機(jī)超速、潤(rùn)滑油壓力、軸溫等）。PLC可編程控制器采用美國(guó)Modicom公司生產(chǎn)的Quantum系列產(chǎn)品，負(fù)責(zé)系統(tǒng)啟停、參數(shù)檢測(cè)、調(diào)節(jié)回路等,并且有實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)顯示及打印功能。該系統(tǒng)可和窯中控制通信、交換顯示參數(shù)以協(xié)調(diào)窯系統(tǒng)和余熱發(fā)電系統(tǒng)的操作，如鍋爐進(jìn)口及旁路煙氣風(fēng)門開度、窯尾高溫風(fēng)機(jī)電流等。因?qū)偈状喂I(yè)性試驗(yàn)項(xiàng)目，為確保運(yùn)行安全，系統(tǒng)中設(shè)置了一些必要的手操功能，對(duì)重要參數(shù)也可進(jìn)行儀表控制。