水泥窯低溫余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)方案研究

馬小榮

晉能控股煤業(yè)集團有限公司水泥廠（037003）

0 前言

能源作為一種戰(zhàn)略資源，在國民經濟發(fā)展中發(fā)揮著突出的作用，也標志著一個國家的綜合實力。在我國工業(yè)發(fā)展水平不斷提升的基礎上，能源消耗總量也顯著提升。其中，煤炭作為主要的生產能源，在近些年來工業(yè)生產活動逐漸加快的基礎上，煤炭資源消耗總量也明顯加大。同時，煤炭燃燒過程中所生成的污染物對環(huán)境造成極大危害，煤炭雖然加快了工業(yè)化進程，但對環(huán)境問題的影響不可忽視。為有效改善這一現狀，需要針對我國的能源結構作出調整，并加強節(jié)能減排政策的落實力度。現階段，針對余熱資源的回收利用成為一種重要的節(jié)能手段。實踐表明，余熱資源的再利用具有重大的潛力，在越來越多的生產環(huán)節(jié)中余熱資源均發(fā)揮了重要的作用。為此，研究水泥窯低溫余熱的回收再利用具有極為現實的意義。

1 余熱資源的特點分析

1.1 余熱資源產生的波動性

根據實際生產工藝的不同，余熱資源的產生狀況也存在直接的差異。部分行業(yè)的生產工藝存在周期性的特征。因此，余熱資源的產生也表現出周期性的特性。一部分行業(yè)的生產工藝存在間歇性特征，其所產生的余熱資源也經常處于間斷狀態(tài)。一部分行業(yè)的生產存在連續(xù)性特征，所產生的余熱資源也趨于連續(xù)和穩(wěn)定。在針對余熱資源進行利用時，需要根據生產工藝的不同進行余熱資源的回收再利用。

1.2 余熱資源的含塵性

部分生產工藝中所使用的煙氣爐以及閃速爐所排放的煙氣均屬于重要的余熱資源。但其中的含塵量相對較大，一般在80 g/m3以上。除此之外，部分高溫沸騰爐煙氣中的含塵量要遠遠超出普通鍋爐的煙氣含塵量。通常在150 g/m3以上。實踐證明，在煙氣溫度過高的情況下，其含塵量也會相對較大，此時煙氣與余熱回收設備的接觸面上極易產生積灰，這不僅會影響余熱回收再利用的效果，還可能導致余熱回收設備堵塞或者損壞[1]。

1.3 余熱資源的腐蝕性

部分燃料燃燒后所產生的煙氣存在一部分的腐蝕性氣體或者腐蝕性元素，在進行煙氣余熱回收時，一旦煙氣中的腐蝕性氣體過量，并直接與余熱回收設備接觸，也會對設備產生腐蝕影響。

2 研究水泥窯低溫余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)的必要性分析

能源短缺現象是阻礙我國經濟發(fā)展的關鍵性因素，且隨著社會生產對能源需求量的增大，能源問題也日趨嚴重。在水泥生產中，對于煤炭資源和電力能源的需求相對較大，致使當前的水泥制造行業(yè)面臨更大的成本壓力。為能提高水泥制造生產的能源利用率，需要積極開發(fā)低溫余熱發(fā)電工程。通過對低溫余熱的回收再利用，達成提高能源利用率和增強生產附加值的目的。同時，水泥熟料工藝中的熱能利用率也可得到大幅度提升。

從某一層面來講，水泥窯低溫余熱發(fā)電工程的實施可以在一定程度上減少水泥制造過程中的煙氣排放量，達到降低環(huán)境污染的目標，同時對于低溫煙氣余熱的回收與再利用還可以節(jié)省部分資源，利用余熱資源創(chuàng)造更大的生產效益。目前，針對水泥窯低溫余熱的回收再利用已經成為水泥制造行業(yè)發(fā)展中一種必然的趨勢，低溫余熱發(fā)電項目的建設不僅滿足資源節(jié)約要求，還符合社會可持續(xù)發(fā)展要求。因此，研究水泥窯低溫余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)極為必要。

3 水泥窯低溫余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)方案設計

3.1 初步方案

水泥制造選用的生產工藝不同，其生成的余熱資源波動也存在直接的差異。為達到余熱資源回收利用的目的，需要首先明確水泥窯生產的特性和余熱產生的特點，在此基礎上對發(fā)電熱力系統(tǒng)方案進行科學設計。在本次研究中的水泥制造生產線中，水泥窯的生產參數相對平穩(wěn)，所產生的蒸汽參數也處于基本持平狀態(tài)，所以余熱資源回收的難度不大。因此，三種熱力系統(tǒng)均可滿足余熱資源回收利用的需求。單壓系統(tǒng)雖然結構相對簡單，發(fā)電較為穩(wěn)定，但存在熱能利用率偏低的弊端，很難創(chuàng)造最大的經濟效益。因此，可以選擇復合閃蒸系統(tǒng)以及雙壓補氣系統(tǒng)，現針對這兩種系統(tǒng)提出的初步設計方案進行分別闡述。

3.1.1 復合閃蒸余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)方案

結合水泥制造的生產線工況，初步方案選用復合閃蒸熱力系統(tǒng)方案進行設計，共需要配置兩臺鍋爐和一臺汽輪機。其中AQC 余熱鍋爐布置在冷卻廠房和冷卻機電氣室之間，SP 余熱鍋爐則需要布置在水泥窯尾部的預熱器架上，還需借助一個蒸汽母管將兩臺余熱鍋爐所產生的蒸汽一并送入汽輪機。為了達成水循環(huán)的目標，還需設置一臺閃蒸器，該系統(tǒng)在實際運行的過程中，系統(tǒng)給水會通過水泵將其泵入水泥窯頭部的AQC 鍋爐中，并對其進行預熱處理。經過加熱處理后的熱水將被分成三股，分別流入水泥窯尾部的SP 鍋爐、AQC 鍋爐和閃蒸器。流入SP 鍋爐和AQC 鍋爐的熱水通過高壓省煤器、蒸發(fā)器以及過熱器的處理后，將形成高壓蒸汽，并最終匯入汽輪機中。剩余部分進入閃蒸器的熱水則通過閃蒸器的處理后生成低壓飽和蒸汽及飽和水。其中的飽和蒸汽將直接被送入汽輪機的低壓缸，與高溫蒸汽一起作為推動汽輪機運行的動力。而剩余的飽和水則會經過凝汽器處理后，借助凝結水泵將其再次送入循環(huán)水系統(tǒng)[2]。

3.1.2 雙壓補氣系統(tǒng)方案

與復合閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)方案相同，均需要在水泥窯的頭部和尾部分別設置一個余熱鍋爐。區(qū)別在于雙壓補氣系統(tǒng)方案設置了兩個汽水循環(huán)系統(tǒng)，這兩個汽水循環(huán)系統(tǒng)分別為低壓水循環(huán)系統(tǒng)和高壓水循環(huán)系統(tǒng)。

低壓水循環(huán)系統(tǒng)是先將水泵入水泥窯頭部的AQC 鍋爐，經過低壓省煤器的加熱處理，將高溫水投入鍋爐低壓汽包，并在鍋爐的作用下使其循環(huán)受熱，產生的低壓過熱蒸汽最終投入汽輪機的低壓缸中。

高壓水循環(huán)系統(tǒng)是借助高壓給水泵將水投入公共省煤器中進行預熱處理，所產生的高溫水投入鍋爐高壓汽包，剩余部分則被投入水泥窯尾部的鍋爐汽包，進入鍋爐汽包內的高溫水均處于循環(huán)受熱狀態(tài)，所產生的高壓過熱蒸汽也會通過各路被匯入汽輪機的高壓缸。在蒸汽利用之后所剩余的蒸汽則會通過冷凝器的冷凝處理后重新被投入水循環(huán)系統(tǒng)。

3.2 余熱取熱方法

3.2.1 水泥窯窯頭取熱

一般而言，由水泥窯轉出的水泥熟料溫度最高可達1 500 ℃左右，在水泥熟料加工過程中需要借助篦冷機對其進行冷卻處理。常規(guī)處理方法為，利用6～10 ℃的冷卻風向篦冷機內吹入，達到冷卻水泥熟料的目標。在向篦冷機內吹入冷卻風時，冷卻風會與高溫熟料產生熱量交換[3]。通常情況下，會將篦冷機中所產生的二次風和三次風供給分解爐和回轉爐。但在此過程中，還會產生一定的余熱資源浪費。因此，需要采取合理的取熱措施對水泥熟料冷卻過程中的余熱進行合理收集和利用。需要特別注意的是，取熱過程不得對水泥熟料的生產工藝產生影響。從理論層面來分析，抽氣口的設置會對余熱利用效率產生直接影響，即靠近熱端設置抽氣口，其余熱煙氣流量相對較小，但溫度較高?？拷涠嗽O置抽氣口的情況則恰恰相反，煙氣溫度偏低，但流量較大。根據系統(tǒng)發(fā)電原理，溫度越高，流量越大，發(fā)電總量就越大。為此，在設置抽氣口位置時，應盡量將其靠近熱端設置。在取熱之后篦冷機尾部排出的剩余低溫余熱則會與鍋爐余熱一起進入電除塵器，經除塵處理后再排入大氣。

3.2.2 水泥窯窯尾取熱

未對水泥窯低溫余熱進行回收和利用之前，在尾窯處的一級預熱器C1 出口將直接與窯尾高溫風機連接，由C1 出口所排出的煙氣通過高溫風機進入增濕塔，當其溫度降低至200 ℃后，可直接用于生料烘干環(huán)節(jié)。在對水泥窯低溫進行取熱操作時，則需要在窯尾位置增設余熱鍋爐。此時，需要將C1出口管與余熱鍋爐的入口管相連，再將余熱鍋爐的出口管與高溫風機的入口管相連接，此時原有的預熱器出口管則作為旁路。為了達到煙氣流量控制要求，需在余熱鍋爐及旁路管道的入口位置設置電動擋板。

在余熱發(fā)電系統(tǒng)運行的過程中，所產生的高溫煙氣將通過余熱鍋爐完成換熱反應，并生成蒸汽用作發(fā)電。剩余部分蒸汽則可通過增濕塔的降溫處理后被投入生料烘干處理環(huán)節(jié)。余熱發(fā)電系統(tǒng)停止運行時，借助前期設置的電動擋板完成風量控制，使其進入高溫風機，此種取熱方式不僅不會對水泥生產環(huán)節(jié)構成不利影響，還可在一定程度上提升水泥制造廠的資源利用率[4]。

在本次方案設計中，建議只在篦冷機設置一個抽氣口，這主要是由于一個抽氣口的設置便可實現對篦冷機內部余熱資源的梯級利用，可達成良好的資源利用目標。而在設置雙抽氣口的情況下，會在一定程度上加大系統(tǒng)控制的難度，且存在漏風現象，很可能影響水泥熟料的生產質量。雖然，設置雙抽氣口會加大余熱資源的利用率，產生更多發(fā)電量，但對于水泥熟料生產工藝的影響也不可忽視。進行余熱資源利用的首要標準便是不對原有的生產工藝構成影響。因此，不建議在篦冷機中設置雙抽氣口。

3.3 鍋爐設計

3.3.1 窯尾余熱鍋爐的設置

窯尾布置的余熱鍋爐為SP 鍋爐，其主要構成包括蒸發(fā)器、過熱器和省煤器，其主要作用原理為對于窯尾部預熱器排出的廢氣進行收集和利用，通過熱量交換達到余熱資源利用的目標。因窯尾預熱器進入SP 鍋爐的余熱煙氣未經過降塵處理，致使煙氣濃度較大，存在大量的灰塵。此種狀況下，如不采取合理的措施降低煙塵對余熱鍋爐運行的影響，很可能產生鍋爐堵塞和鍋爐積灰問題。因此，在SP鍋爐內的受熱面應首選光管管束，并且配置一個振打裝置，對其受熱面進行連續(xù)振打，避免灰塵黏附鍋爐受熱面，使大部分生料粉塵均能通過振打落入灰斗。需要特別注意的是，經余熱回收處理后，剩余的部分廢氣溫度應控制在200 ℃左右，使廢氣能夠應用于粉磨烘干和原料烘干的工藝環(huán)節(jié)，進一步提升余熱資源的利用率。

3.3.2 窯頭余熱鍋爐的設置

在窯頭部位設置的余熱鍋爐為AQC 鍋爐，主要針對冷卻機中的中溫廢氣進行回收和利用。該鍋爐為立式鍋爐，主要構成包括過熱器、公共省煤器、蒸發(fā)器和省煤器。因將煙氣送入AQC 鍋爐前會經過沉降室，對煙氣中的粉塵進行沉降處理，這大大降低了因粉塵堆積對鍋爐受熱面的影響。為此，AQC 鍋爐的受熱面通?？梢赃x用螺旋翅片管，目的是增加換熱面積，提高余熱資源的利用率，加大發(fā)電總量。

通過對比，復合閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)和雙壓補氣余熱發(fā)電系統(tǒng)，無論是在熱力系統(tǒng)的設計，還是余熱取熱方式，復合閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)均保持較好的穩(wěn)定性。相對來說，余熱煙氣回收率也相對較高。采用復合閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電總量明顯超出雙壓補氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電總量。因此，在選擇系統(tǒng)方案時，可優(yōu)先選用復合閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)方案，最大程度上提高水泥窯余熱資源的利用率。

4 低溫余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)配套設備的選型設計

4.1 除塵器的選用

窯頭除塵器的選用。鑒于窯頭輸出的余熱煙氣在進入余熱鍋爐以前已經經過降塵室的降塵處理，煙氣中的含塵濃度相對較低。為此，在選用除塵器時，只需選用一般的電除塵器即可。該類除塵器的應用優(yōu)勢在于耗能低，除塵過程中的除塵壓力小，且維護簡單，除塵率高達99%，對于腐蝕性氣體中攜帶的微小顆粒也具有較好的除塵作用。

窯尾除塵器的選用。由于窯尾余熱煙氣在未經降塵處理的情況下直接進入鍋爐爐膛，所以煙塵濃度較大。為了提高除塵效果，需要選用除塵效率較高的袋式除塵器。袋式除塵器的優(yōu)勢在于能夠做到對電阻較高部分粉塵的收集，且對電除塵器忽視的部分微小粉塵也能夠達到良好的除塵效果，可將煙氣中的粉塵濃度控制在9 mg/m3以下[5]。

4.2 汽輪機的選用

汽輪機屬于余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)中的重要組成部分，在窯頭和窯尾余熱鍋爐中所產生的高壓蒸汽和低壓蒸汽分別流入汽輪機的高壓缸和低壓缸，用于發(fā)電做功。由汽輪機排除的部分廢氣則會進入冷凝器中冷凝成水，重新投入鍋爐給水的循環(huán)系統(tǒng)中。在這一過程形成了較好的汽水循環(huán)，有效提升水資源的利用率。根據本次方案設計需求，可以優(yōu)先采用補汽凝汽型汽輪機。在實際應用中，對補汽凝汽型汽輪機入口壓力和速度進行合理控制，利用功率控制的方式對汽輪機系統(tǒng)的運行進行有效調節(jié)，使其滿足余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)的應用需求。

5 結語

基于水泥窯生產環(huán)節(jié)所產生的余熱利用需求，進行了余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)的方案設計。從初步方案的確定、取熱方法和鍋爐設計等多個方面闡述了熱力系統(tǒng)的方案設計要求，并對比兩種方案的余熱資源利用效果，確定了一套優(yōu)選方案。最后，對其系統(tǒng)配套設備的選用作出了具體分析，希望能夠有效提升水泥窯余熱資源的利用率，在控制環(huán)境污染的同時，提高經濟效益。