幾種水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)電能力及存在問題的比較分析

1、前言 
    
近年來，隨著我國水泥工業(yè)工藝及裝備技術(shù)得以迅速發(fā)展，數(shù)百條數(shù)千噸級新型干法水泥熟料生產(chǎn)線（簡稱水泥窯）的陸續(xù)投產(chǎn)，為水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的推廣應用創(chuàng)造了市場條件。在這個背景條件下，目前國內(nèi)具有水泥窯余熱發(fā)電工程設計、技術(shù)開發(fā)能力的數(shù)家單位，以利用日本KHI技術(shù)及設備建設的安徽寧國水泥廠、廣西柳州水泥廠純低溫余熱電站為藍本，推出了幾種水泥窯純低溫余熱發(fā)電的熱力循環(huán)系統(tǒng)并已在上海萬安企業(yè)1400t/d預分解窯、江西萬年2000t/d預分解窯上實際應用。考慮目前國內(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)合國內(nèi)火力發(fā)電設備設計制造現(xiàn)狀，對水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電應采用的熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式進行深入的研究分析從而進一步提高我國純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備水平、充
分合理利用余熱盡而提高余熱發(fā)電能力是非常必要的。 

2、目前國內(nèi)已普遍采用的幾種熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式的特點及存在的主要問題 
   
 目前水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)中熱力循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)成、循環(huán)參數(shù)及熟料冷卻機、窯尾預熱器廢氣取熱方式有如下三種（筆者稱為普遍型水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)）： 

其一：不補汽式純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式，見圖1。 

其二：復合閃蒸補汽式純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式，見圖2。 

其三：多壓補汽式純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式，見圖3。 

2.1 上述熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式的主要特點： 
    
(1)僅在水泥窯窯頭熟料冷卻機中部設一個抽取冷卻機廢氣的抽廢氣口，根據(jù)水泥窯規(guī)模的不同，抽取的廢氣溫度在250～400℃范圍內(nèi)。利用抽取的廢氣設置窯頭熟料冷卻機余熱鍋爐（簡稱AQC爐），AQC爐生產(chǎn)0.8～1.6Mpa—飽和溫度～360℃的蒸汽或同時生產(chǎn)0.1～0.5Mpa—飽和溫度至180℃的低壓低溫蒸汽、85～200℃的熱水。 
   
 (2)僅利用水泥窯窯尾預熱器排出的250～400℃廢氣余熱設置窯尾預熱器余熱鍋爐（簡稱SP爐或PH爐），SP爐生產(chǎn)0.8～1.6Mpa—飽和溫度至360℃的蒸汽。 
   
 (3)將AQC爐、SP爐生產(chǎn)的0.8～1.6MPa蒸汽及AQC爐生產(chǎn)的0.1～0.5Mpa蒸汽或AQC爐生產(chǎn)的85～200℃熱水經(jīng)閃蒸器生產(chǎn)出的0.1～0.5MPa蒸汽通入汽輪機再由汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。 

2.2 上述熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式存在的主要問題 
    
(1)窯頭熟料冷卻機自冷卻機入料端（熱端）至出料端（冷端），在不影響水泥窯熟料熱耗及水泥窯生產(chǎn)的條件下，冷卻機可排掉的廢氣溫度是自熱端起的600℃以線性關(guān)系逐漸下降至冷料端的55℃。因此，若僅在冷卻機中部抽取廢氣，則是將熱端的中高溫廢氣與冷端低溫廢氣混合后形成了250℃～400℃廢氣。由于廢氣溫度的限制，AQC爐僅能生產(chǎn)低壓低溫蒸汽及熱水。這種抽取廢氣的取熱方式?jīng)]有遵循熱量應根據(jù)其溫度進行梯級利用的原理。 
    
(2)窯尾預熱器系統(tǒng)中，在不影響水泥窯熟料熱耗及水泥窯生產(chǎn)的條件下，可利用的廢氣余熱有兩部分：第一部分為預熱器系統(tǒng)最終排出的（即C1級旋風筒出口）250～400℃廢氣；第二部分為C2級旋風筒內(nèi)筒至C1級旋風筒入口的450～600℃廢氣中水泥生產(chǎn)允許的20～25℃溫度降所含有的廢氣熱量。由于沒有利用第二部分廢氣熱量，加之第一部分預熱器系統(tǒng)最終排出的廢氣溫度限制，SP爐同樣只能生產(chǎn)低壓低溫蒸汽。 
    
(3)上述兩個因素使前述的水泥窯純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)：其一，余熱只能生產(chǎn)低壓低溫蒸汽；其二，熱力循環(huán)系統(tǒng)只能采用低壓低溫參數(shù)；其三，水泥窯生產(chǎn)系統(tǒng)中窯頭熟料冷卻機及窯尾預熱器可用于發(fā)電的部分400～600℃中高溫廢氣沒有得到有效利用；其四，前述的三個因素，使在不增加水泥熟料熱耗的條件下，水泥窯廢氣余熱發(fā)電能力未能得到充分發(fā)揮，即余熱發(fā)電量不能達到應該達到的水平。 

2.3普通型純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應用情況 
   
至2005年，普遍型純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應用情況見下表： 

3.提高型水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù) 
   
 針對水泥窯可用于發(fā)電的廢氣余熱量及廢氣溫度分布，遵循“指導構(gòu)成水泥窯純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、確定循環(huán)參數(shù)、提高發(fā)電能力的四個基本原則”（見筆者發(fā)表于《水泥》雜志2005年第4期的《水泥窯純中低溫余熱發(fā)電存在的問題》及第5期的《提高水泥窯純低溫余熱發(fā)電能力的途徑》），在同時提高汽輪機進汽壓力和溫度以合理梯級利用水泥窯廢氣溫度的條件下，筆者于2005年3月提出了三種提高型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式，分別見圖4、圖5、圖6（見筆者發(fā)表于《中國水泥》雜志2005年第5期的“提高水泥窯純低溫余熱發(fā)電的措施”一文）。 

3.1上述熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式的主要特點 
    
(1)改變抽取窯頭熟料冷卻機廢氣方式，即在靠冷卻機進料端(熱端)設置一抽取400～600℃廢氣的抽廢氣口，同時在冷卻機中部設置抽取250～400℃廢氣的抽廢氣口。根據(jù)廢氣溫度利用AQC爐生產(chǎn)1.6～3.82Mpa次中壓或中壓飽和溫度至450℃的過熱蒸汽也可同時生產(chǎn)0.1～0.5Mpa飽和溫度至180℃的低壓低溫蒸汽、85～200℃熱水。 
   
(2)在利用窯尾預熱器系統(tǒng)最終（C1級旋風筒出口）排出的250～400℃廢氣的同時，利用C2級旋風筒內(nèi)筒至C1級旋風筒入口的450～600℃廢氣水泥生產(chǎn)所允許的20～25℃溫度降所含有的廢氣熱量，通過SP爐生產(chǎn)1.6～3.82Mpa次中壓或中壓飽和溫度至450℃的過熱蒸汽。 

3.2 上述提高型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)能夠取得的效果： 
   
 前述兩個特點使筆者提出的提高型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)及廢氣取熱方式：在不影響水泥熟料熱耗及水泥窯生產(chǎn)的條件下：其一，余熱可以同時生產(chǎn)次中壓或中壓飽和溫度至450℃的過熱蒸汽、0.1～0.5Mpa飽和溫度至180℃的低壓低溫蒸汽、85～200℃熱水；其二，熱力循環(huán)系統(tǒng)可以采用次中壓中溫或中壓中溫參數(shù)，提高了熱力循環(huán)系統(tǒng)效率；其三，充分利用了水泥窯不同廢氣溫度的余熱，并按廢氣余熱溫度分布實現(xiàn)了熱量應根據(jù)其溫度進行梯級利用的原理；其四，前述的三個因素，提高型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式使水泥窯廢氣余熱按其質(zhì)量最大限度地轉(zhuǎn)換為了電能，從而使余熱發(fā)電能力比目前普遍采用的普通型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)得以大幅提高。 

4、提高型水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應用情況 
   
 筆者所在單位承擔的水泥窯純低溫余熱發(fā)電工程普遍采用的是提高型水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，其有如下兩類情況：1、采用圖4所示的提高型不補汽式純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)。筆者所在單位采用圖4所示系統(tǒng)，在浙江省湖州市興寶龍建材有限公司1500t/d新型干法水泥生產(chǎn)線上建設了裝機容量為3.0MW的純低溫余熱電站，該電站作為實驗性項目，目前已進入設備安裝階段。2、筆者所在單位承擔的其它余熱發(fā)電工程：浙江省杜山集團有限公司2500t/d新型干法窯4.5MW、山東昌樂水泥有限公司2500t/d新型干法窯3.3MW（汽輪機為NK3.0-2.4/385舊機組）、山東創(chuàng)新水泥有限公司2500t/d新型干法窯4.5MW、山東濰坊水泥有限公司2500t/d新型干法窯4.5MW、山東山水水泥有限公司1800t/d+2000t/d新型干法窯7.5MW純低溫余熱電站采用的為圖7所示提高型多壓補汽式純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)，前述工程將分別于2006年7月、8月、9月、10月、11月陸續(xù)投入生產(chǎn)運行。 

   筆者所在單位目前在做設計的其它水泥生產(chǎn)企業(yè)3200t/d級、5000t/d級新型干法窯純低溫余熱電站同樣采用圖7所示的純余熱發(fā)電技術(shù)，當浙江省湖州興寶龍建材有限公司3.0MW實驗型余熱電站投入生產(chǎn)運行并積累相應經(jīng)驗后，筆者所在單位將著力推廣圖4、圖5、圖6所示余熱發(fā)電技術(shù)。 

6、結(jié)語 
   
 本文對我國目前新型干法水泥窯廢氣余熱取熱方式、純低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)的特點、發(fā)電能力及存在的問題進行了分析、比較和研究，根據(jù)筆者多年從事水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的研究、開發(fā)、設計、調(diào)試、運行管理和從事水泥窯熱工設計、平衡分析工作所積累的經(jīng)驗，認為提高型水泥窯純中低溫余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式將使我國純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)達到一個新的水平，從而使我國水泥窯純中低溫余熱發(fā)電能力提高16.6%~55%以上，是我國水泥窯純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的發(fā)展方向。