純低溫水泥窯余熱鍋爐的設計及運行
摘 要 新型干法水泥窯的廢氣溫度在400℃以下，為回收低溫廢氣的余熱，開發(fā)了純低溫水泥窯余熱鍋爐。文章概述了鍋爐的設計和運行情況，并展望了應用前景?！ ?BR> 本文討論的余熱鍋爐為發(fā)電用鍋爐，用于回收新型干法水泥窯窯頭篦式冷卻機（簡稱AQC）和窯尾預熱器（簡稱SP）排放的低溫廢氣余熱。首套機組安裝于上海萬安企業(yè)集團，并于2003年5月成功并網(wǎng)發(fā)電。經(jīng)考核滿負荷平均發(fā)電功率為2058.9kW，其對應的熟料產(chǎn)量約為1350噸/日。該發(fā)電系統(tǒng)由天津院總設計，其中余熱鍋爐主要結構形式由業(yè)主和制造廠經(jīng)調研和廠內試驗后共同確定。產(chǎn)品調研過程中得到了多家水泥廠的指導，在此一并表示衷心感謝！
一、綜述
隨著水泥熟料煅燒技術的發(fā)展，水泥工業(yè)節(jié)能技術有了長足的進步，高溫余熱已在水泥生產(chǎn)過程中被利用。而新型干法水泥生產(chǎn)線已使單位水泥熟料的熱耗大幅下降，其窯頭篦式冷卻機（簡稱AQC）和窯尾預熱器（簡稱SP）排放的廢氣溫度均低于400℃，如何回收其中的低溫余熱從而進一步降低水泥生產(chǎn)能耗是我國新型干法水泥生產(chǎn)企業(yè)面臨的重大技術課題。
在日本水泥窯低溫余熱回收已應用得相當廣泛，這種技術是利用分別設置于窯頭篦式冷卻機的AQC余熱鍋爐和窯尾預熱器的SP余熱鍋爐來產(chǎn)生低壓過熱蒸汽供汽輪機組發(fā)電。一九九八年，由日本政府提供的一套先進而成熟可靠的低溫余熱發(fā)電成套設備在寧國水泥廠投產(chǎn)發(fā)電。該套設備適配4000t/d水泥生產(chǎn)線，裝機容量為6480kw，設計年發(fā)電量為4087×104kwh，噸熟料發(fā)電能力為33.07kwh。已經(jīng)五年來運行實績證明，該系統(tǒng)安全可靠，能為水泥生產(chǎn)企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。
雖然水泥業(yè)界都認識到純低溫余熱發(fā)電項目在技術上是可行的，效益是顯著的，但該項目在我國水泥行業(yè)的普及推廣止步于進口設備的昂貴成本和國產(chǎn)設備的技術障礙。對于國內的設備制造廠而言，無須懷疑純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的可行性，我們所要進行的是突破技術障礙，進而實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
上述技術障礙，對于余熱鍋爐而言，最大的難點是如何應對煙氣的低品位和高灰份。因為低品位意味著巨大的換熱面積，只有降低受熱面成本才能提供高性價比的產(chǎn)品；而高灰份帶來的是粉塵附著造成傳熱性能降低，甚至惡性堵灰事故造成可靠性降低。其實，很早以前在其它工業(yè)領域內，我們從西方先進國家引進的技術就已很好地解決了煙氣的低品位和高灰份難題。對于前者，我們的解決之道是采用低成本的擴展受熱面，如在燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)（HRSG）項目中，我們采用鰭片管來提高換熱效率；而對于后者，我們的解決方法是采用機械振打清灰技術，如硫酸余熱鍋爐，有色冶金閃爍爐。我們愿意嘗試設計純低溫水泥窯余熱鍋爐是因為我們對上述兩種技術有較為深刻的理解，業(yè)主上海萬安企業(yè)集團對我們的信心也基于上述先進技術。
我們與上海萬安企業(yè)集團的合作確定于2002年3月，接著利用一個月的時間組織工程師進行產(chǎn)品實地調研，根據(jù)反饋的信息對方案進行修改和完善，編寫必要的計算機軟件，確定工廠試驗項目。完成了這些技術準備工作后，我們用了三個月進行施工設計。產(chǎn)品試制進程過半時，我們與用戶一起在工廠內進行了無風狀態(tài)下機械振打清灰效果試驗，獲得了滿意的效果，說明機械振打是解決堵灰的有效技術。接下來，鍋爐的制造和安裝是相當順利的，2003年5月初進行了SP鍋爐的調試，5月中旬整個系統(tǒng)聯(lián)動試車成功，順利并網(wǎng)發(fā)電。
二、系統(tǒng)簡介：
上海萬安企業(yè)集團現(xiàn)有水泥生產(chǎn)線的容量為1050t/d，實際運行為1350t/d，經(jīng)天津院估算窯頭廢氣及窯尾廢氣可利用的余熱量具有大約1800kW的發(fā)電能力。其發(fā)電工藝流程如下簡圖所示：
三、鍋爐規(guī)范及結構簡述
根據(jù)天津院的系統(tǒng)布置要求而設計的鍋爐規(guī)范如下表：
|
項目名稱 |
單位 |
設 計 參 數(shù) | ||
|
SP鍋爐 |
AQC鍋爐 | |||
|
廢氣參數(shù) |
廢氣流量 |
Nm3/h |
95000 |
50000 |
|
進口溫度 |
℃ |
390 |
350 | |
|
出口溫度 |
℃ |
228 |
90 | |
|
廢氣含塵量 |
Nm3/h |
100 |
30 | |
|
鍋爐參數(shù) |
型號 |
|
QC95/ |
QC50/350-3(1)-1.6(0.25)/300(150) |
|
蒸發(fā)量 |
t/h |
9.3 |
3（1） | |
|
蒸汽出口壓力 |
MPa |
1.6 |
1.6（0.25） | |
|
蒸汽出口溫度 |
℃ |
300 |
300（150） | |
|
設備阻力 |
Pa |
753 |
594 | |
AQC鍋爐采用立式結構，整個鍋爐分兩個壓力單元，1.6MPa為主汽段，0.25MPa為補汽段，省煤器出水分別供給SP鍋爐蒸發(fā)器和AQC鍋爐高、低壓蒸發(fā)器。鍋爐每段受熱面為管箱式結構可整體出廠，其受熱面采用鰭片管。
四、運行情況
鍋爐于5月中旬投入運行，經(jīng)72小時連續(xù)運行考核表明，機組連續(xù)運行正常，無故障，無異常。機組滿負荷運行時平均發(fā)電功率為2058.9kw，最高可達2500kw。至今機組穩(wěn)定運行了近兩年，無堵灰漏風現(xiàn)象?？梢猿醪秸J定鍋爐總體設計是成功的，性能是可靠的，特別是受熱面經(jīng)過數(shù)百萬次的振打，其疲勞強度得到了檢驗。但在實際運行中煙氣參數(shù)是經(jīng)常波動的：SP鍋爐進口煙氣溫度實際為350℃左右，比設計值溫低40℃；AQC鍋爐進口煙氣溫度實際為380℃左右，比設計值偏高30℃。因我們在設計過程中已經(jīng)考慮預后措施，使機組仍能正常發(fā)電，當然這也與業(yè)主精心維護和良好的運行水平有關。鍋爐還存在不少不足之處，如：
1）AQC鍋爐主汽閥口徑偏小，不適應由于實際蒸發(fā)量增加的要求。
2）機械振打除灰裝置設計對制造工藝要求太高，密封成本較高，下次設計時應加以改進。
五、開發(fā)的意義
上海萬安項目雖然是一個小容量的試驗型機組，但意義深遠。在技術層面上，我們認為運行實績驗證了我們的總體設計構想，尤其是對SP鍋爐和AQC鍋爐粉塵的外部過程表現(xiàn)有了進一步理解（所謂外部過程是指煙氣對受熱面的磨損，腐蝕、積灰等現(xiàn)象）。所有這些為我們開發(fā)更大型低溫水泥窯余熱鍋爐奠定了理論和應用技術基礎。在經(jīng)濟層面上，我們無法給出包含精確數(shù)據(jù)的答案，是由信息不對稱造成的；但是我們可以有合理的推斷：既然1000t/d等級水泥窯發(fā)電系統(tǒng)每千瓦固定資產(chǎn)投資小于8000元，那么5000t/d等級的肯定低于此數(shù)。要知道余熱電站是不燒一克煤的，其運行費用極低，根據(jù)我們的經(jīng)驗，其投資回報周期應在三年左右。該項目為我國新型干法水泥線純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)國產(chǎn)化設備的技術經(jīng)濟比較做出了寶貴的探索，具有示范意義。
六、應用前景和展望
水泥窯低溫余熱發(fā)電技術符合國家能源政策、環(huán)保政策，也符合可持續(xù)發(fā)展政策，應當在全國新型干法窯中大力推廣。但這僅是美好的愿望，我們應該清醒地認識到資本是趨利的，任何技術的產(chǎn)業(yè)化只有當該技術能給投資方帶來良好的收益才能實現(xiàn)。
我國在役新型干法水泥線低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)各不相同。他們?yōu)橄到y(tǒng)的最優(yōu)化作了有益的探索，積累了寶貴的經(jīng)驗或教訓，但不能據(jù)此以為這些系統(tǒng)已臻完善。我們認為我國純低溫水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)化過程尚處于初始化階段，應向其他行業(yè)先進余熱發(fā)電系統(tǒng)如燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電站（HRSG）學習，應向先進工業(yè)國家的新型干法水泥線低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)學習。在此我們不妨多問幾個為什么：為什么HRSG的蒸汽壓力經(jīng)常設計為兩個甚至三個壓力單元？為什么川崎重工(KHI)在柳泥項目上要對AQC 進行改造以便獲得更高溫度的煙氣？我們還記得在03年7月桂林會議上有水泥商問川重專家一個問題：由于用電緊張既想上余熱發(fā)電又想上燃煤發(fā)電該怎么辦？川重給的方案是：燃煤鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽作為主蒸汽而余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓蒸汽作為補汽同時送汽輪機發(fā)電是最經(jīng)濟的。這又是為什么呢？要回答這些問題，必須涉及復雜的熱力學原理和先進的鍋爐汽輪機技術。泛而言之，這些方案是對系統(tǒng)的“火用”作了科學分析后得出的，都是符合能量梯級利用的原理。
我們相信高效率的資本會幫助熱力系統(tǒng)專家和鍋爐汽輪機專家找到答案的。水泥行業(yè)已經(jīng)建立了示范機組，行業(yè)管理機構為此組織了多次研討會，我們有理由相信我國新型干法水泥生產(chǎn)線余熱發(fā)電技術發(fā)展圖景會越來越清晰：在正確的熱力學理論指導下，鍋爐技術和汽輪機技術“協(xié)同進化”，達到世界先進水平。
參考文獻及數(shù)據(jù)來源：
1．《江西水泥廠低溫余熱發(fā)電工程設計方案 》
2．《寧國水泥廠水泥窯余熱發(fā)電項目總結報告》
3．《水泥發(fā)電發(fā)展趨勢》
4．《面向二十一世紀的水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電技術及裝備》
以上四篇文獻來自網(wǎng)上搜索，無法盡知作者姓名，向他們表示謝意和歉意，
其余數(shù)據(jù)來自《桂林會議》資料、業(yè)主項目可研資料和電站1.5%級表計。
編輯：gaoh
監(jiān)督：0571-85871667
投稿：news@ccement.com
