淺析水泥純低溫余熱發(fā)電原則熱力系統(tǒng)方案

劉長毅

[摘要]水泥純低溫余熱發(fā)電技術(shù)是一種利用新型干法水泥生產(chǎn)線窯頭和窯尾的高溫廢氣，生產(chǎn)低參數(shù)蒸汽作為工質(zhì)進(jìn)行發(fā)電，是國家現(xiàn)在大力推廣的一項(xiàng)節(jié)能新技術(shù)，要求新型干法水泥生產(chǎn)線均配套建設(shè)純低溫余熱電站。

[關(guān)鍵詞]水泥純低溫余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TQ17文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-7597(2009)0610129-02

一、重慶XX水泥公司新型干法水泥生產(chǎn)線的廢氣親熱資源概況

水泥純低溫余熱電站的規(guī)模和熱力系統(tǒng)的選擇取決于水泥工藝廢氣的余熱量及其性質(zhì)，進(jìn)而取決于水泥生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)工藝，對(duì)于同一種生產(chǎn)規(guī)模若采用的生產(chǎn)工藝和設(shè)備不同，那么余熱性質(zhì)也有較大的差別。對(duì)重慶xx水泥公司的1×4500t／h新型干法水泥生產(chǎn)線，低溫純余熱發(fā)電系統(tǒng)的余熱回收分為兩部分：其一是窯尾預(yù)熱器出口的廢氣余熱；其二是窯頭冷卻機(jī)(篦冷機(jī))出口的廢氣余熱。

本工程水泥生產(chǎn)線窯頭冷卻機(jī)采用的是第三代充氣梁篦冷機(jī)。窯頭冷卻風(fēng)根據(jù)的工藝配置和原燃料特性，設(shè)窯用二次風(fēng)和分解爐用三次風(fēng)，窯頭廢氣余熱主要來自篦冷機(jī)的冷卻風(fēng)，其余熱量與熟料的燒成狀態(tài)和篦冷機(jī)的效率有關(guān)。經(jīng)過比較采取對(duì)窯頭冷卻機(jī)局部改造后從中部抽氣的取氣方案，可保證抽取的廢氣溫度達(dá)到350℃以上，排氣溫度根據(jù)熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定，廢氣量為18×10⁴m³／h(標(biāo)況)。

本工程水泥生產(chǎn)線窯尾預(yù)熱器廢氣量(標(biāo)況)為32萬m³／h，廢氣溫度330℃。這部分廢氣還要用于生料粉磨的烘干用風(fēng)，其用風(fēng)溫度隨生料入磨水分而變化，本工程入窯生料烘干用風(fēng)需要的溫度為220℃?？紤]到上述水泥生產(chǎn)工藝要求，窯尾廢氣余熱可利用的廢氣量為32×10⁴m³／h(標(biāo)況)，進(jìn)／出口廢氣溫度：330℃／220℃。

二、熱力系統(tǒng)方案分析選擇

現(xiàn)在國內(nèi)水泥純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的經(jīng)過幾年的發(fā)展，已經(jīng)從當(dāng)初的進(jìn)口引進(jìn)到現(xiàn)在的全部國產(chǎn)化，取得了很大進(jìn)步。目前采用的主要熱力系統(tǒng)工藝有雙壓系統(tǒng)，單壓系統(tǒng)和閃蒸系統(tǒng)三種。此外還有一些改進(jìn)技術(shù)方案如增設(shè)次中壓過熱器，將窯頭窯尾的蒸汽進(jìn)一步過熱以提高蒸汽初參數(shù)的技術(shù)方案，但是該方案的過熱器是從波動(dòng)較大的窯頭廢氣中取出，因此運(yùn)行穩(wěn)定性受到影響，目前工程應(yīng)用較少。結(jié)合本工程余熱條件，只對(duì)雙壓系統(tǒng)，單壓系統(tǒng)和閃蒸系統(tǒng)三種主要的熱力系統(tǒng)方案進(jìn)行分析比較。

(一)單壓系統(tǒng)

單壓系統(tǒng)是目前最普遍采用的熱力系統(tǒng)，其流程如圖1所示。本熱力系統(tǒng)中，窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐生產(chǎn)相同或相近參數(shù)的主蒸汽，混合后進(jìn)入汽輪機(jī)，主蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)作功在凝汽器凝結(jié)成水，經(jīng)窯頭鍋爐加熱后到熱力除氧器除氧，由給水泵送入窯頭余熱鍋爐加熱，窯頭余熱鍋爐生產(chǎn)的熱水再為窯頭余熱鍋爐蒸汽段和窯尾余熱鍋爐供水，兩臺(tái)余熱鍋爐生產(chǎn)出合格的主蒸汽，從而形成一個(gè)完整的熱力循環(huán)。

單壓系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是汽輪機(jī)只設(shè)置一個(gè)進(jìn)汽口，窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐只生產(chǎn)參數(shù)相同或相近的主蒸汽。單壓系統(tǒng)流程見圖1。

(二)熱水閃蒸補(bǔ)汽系統(tǒng)，簡稱閃燕系統(tǒng)

閃蒸系統(tǒng)應(yīng)用熱力學(xué)上的閃蒸原理，根據(jù)廢氣余熱品質(zhì)的不同而生產(chǎn)一定壓力的主蒸汽和熱水，主蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓進(jìn)汽口；熱水則在閃燕容器里產(chǎn)生出低壓的飽和蒸汽，然后補(bǔ)入補(bǔ)汽式汽輪機(jī)專門設(shè)計(jì)的低壓進(jìn)汽口；主蒸汽及低壓飽和蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)一起作功，然后拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。低壓蒸汽發(fā)生器內(nèi)的飽和水進(jìn)入除氧器，與冷凝水一起經(jīng)除氧后由給水泵供給鍋爐。閃蒸系統(tǒng)流程見圖2。

(三)雙壓補(bǔ)汽系統(tǒng)，簡稱雙壓系統(tǒng)

雙壓系統(tǒng)是根據(jù)水泥窯廢氣余熱的品位的不同，余熟鍋爐分別生產(chǎn)較高壓力和較低壓力的兩路蒸汽。余熱鍋爐生產(chǎn)出較高壓力的蒸汽后，煙氣溫度降低，余熱品位下降，根據(jù)低溫?zé)煔獾钠肺?，再生產(chǎn)低壓蒸汽。較高壓力的蒸汽作為主蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)主進(jìn)汽口；較低壓力的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)的低壓進(jìn)汽口；一起在汽輪機(jī)作功，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。作功后的乏汽在凝汽器凝結(jié)成水后經(jīng)凝結(jié)水泵加壓到除氧器除氧，再進(jìn)入熱力循環(huán)。

(四)不同熱力系統(tǒng)的比較

1．不同熱力系統(tǒng)的發(fā)電能力的計(jì)算

根據(jù)公司水泥生產(chǎn)線的廢氣余熱資源情況，三種熱力系統(tǒng)配置下發(fā)電能力計(jì)算結(jié)果如下表所示：

2．投資和收益估算

按年運(yùn)行7680h，年平均折舊15年估算如下：

3．方案比較選擇

(1)經(jīng)濟(jì)性比較

雙壓系統(tǒng)由于補(bǔ)汽汽輪機(jī)及其系統(tǒng)均比單壓系統(tǒng)復(fù)雜，因此投資和運(yùn)行維護(hù)成本均高于單壓系統(tǒng)。閃蒸系統(tǒng)目前主要石引進(jìn)日本的川崎技術(shù)，投資和運(yùn)行維護(hù)成本較高。估算表明，和單壓系統(tǒng)相比較，雙壓系統(tǒng)增加的投資和其增加的收益相比，需要約9年才能收回增加的投資。

(2)技術(shù)性能比較

單壓系統(tǒng)的系統(tǒng)是最簡單的，相應(yīng)的也是最可靠和穩(wěn)定的閃蒸系統(tǒng)和雙壓系統(tǒng)在理論上具有能源梯級(jí)利用的優(yōu)勢(shì)，比單壓系統(tǒng)的發(fā)電能力略強(qiáng)一些，技術(shù)比單壓系統(tǒng)先進(jìn)。但作為工程應(yīng)用，兩者增加的發(fā)電效益與其增加的投資相比，在經(jīng)濟(jì)上反不如單壓系統(tǒng)。

(3)運(yùn)行維護(hù)比較

由于單壓系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)簡單可靠，沒有補(bǔ)汽的中間環(huán)節(jié)和設(shè)備，因此對(duì)運(yùn)行人員的要求較低，其運(yùn)行維護(hù)也較其余兩者簡便。

綜合上述分析比較，同時(shí)考慮到該公司的水泥生產(chǎn)是主業(yè)、余熱發(fā)電是副業(yè)的技術(shù)原則，發(fā)電技術(shù)人員配備情況及公司的意見，本工程最終選擇單壓系統(tǒng)為施工圖設(shè)計(jì)方案。