《水泥余热发电培训教材》

1第一章纯低温水泥余热发电系统概述第一节水泥余热发电技术应用的背景我国是世界水泥生产大国，据中国水泥协会统计，2004年，我国水泥产量为9.4亿吨，约占全球水泥总产量的40%。但我国水泥工业却“大而不强”，突出问题是耗能高、污染重。在能源消耗方面，我国吨水泥的平均综合煤耗约为159kg（标准煤），而国际先进水平约为110kg，仅此一项，我国水泥工业每年多消耗的煤炭约为5000万吨。与此同时，由于节能技术、装备水平的限制和节能意识影响，在水泥生产过程中，仍有大量的中、低温废气余热资源未能被充分利用，能源浪费现象仍然十分突出。在新型干法水泥企业，由窑头熟料冷却机和窑尾预热器排出的350℃以下废气，其热能大约为水泥熟料烧成系统热耗量的30％，造成了巨大的能源浪费，在我国能源日益紧张、环境负荷不断加重的情况下，迫切需要改变这一状况，切实提高能源的综合利用效率，开发利用水泥生产过程中的废气余热资源，实现变废为宝将受到各方面的高度重视。纯低温余热发电技术，即是在新型干法生产线生产过程中，通过余热回收装置——余热锅炉将窑头、窑尾排出大量低品位的废气余热进行回收换热，产生过热蒸气推动汽轮机实现热能——机械能的转换，再带动发电机发出电能，并供给水泥生产过程中的用电负荷。从而不仅大大提高了水泥生产过程中能源的利用水平，对于保护环境，提高企业的经济效益，提升产品的市场竞争力，起到了巨大的促进作用。同时该项技术的开发应用，完全符合我国的可持续发展战略。从国家的产业政策来看，早在1996年国务院曾以国发[1996]36号文批转国家经贸委等部门《关于进一步开发资源综合利用意见》的通知，《意见》明确指出：“凡利用余热、余压、城市垃圾和煤矸石等低热值燃料及煤层气生产电力、热力的企业，其单机容量在500kW以上，符合并网条件的，电力部门都应允许并网……，单机容量在1.2万kW以下（含1.2万kW）的综合利用电厂，不参加电网调峰……”。《国家发展改革委办公厅关于组织申报节能、节水、资源综合利用重大项目和示范项目以及现役火电厂脱硫设施设备选项目的通知》（发改办环资［2004］906号），明确重点支持钢铁、有色、石油石化、化工、建材等高耗能行业节能技术改造，水泥中低温余热利用就列在其中，可见，利用水泥余热进行发2电，国家在政策和法规上是扶持和大力提倡的，该技术的开发应用完全符合国家的产业政策。新型干法水泥生产技术在我国经历了一个逐步完善提升的发展过程。近年来，新型干法水泥生产技术在应用中不断提升，尤其是海螺集团，在工艺系统优化、自动控制、投资成本、生产规模、劳动生产率和环境保护等生产技术和装备方面，已赶上甚至领先国际先进水平，只是在可燃废料替代率和生产用电自供率方面，与发达国家相比，还存在一定的差距。近两年来，我国经济发展水平持续高扬，电力需求增长迅猛，电能供应紧张，国家对工业企业节能提出了更高的要求，尤其是对高耗能产业，要求昀大限度地回收利用余热，降低能耗，节约能源，实现经济可持续发展战略。因此，随着水泥市场竞争的日益激烈与残酷，充分利用窑系统排放废气进行余热发电，提高工厂生产用电自供率，降低水泥生产成本，提高产品的性价比，从而占领和扩大水泥市场份额，保持企业可持续发展，是大型水泥企业当前及今后可供选择的技术之一。第二节纯低温水泥余热发电技术的发展一、水泥熟料生产过程中的热能利用众所周知，水泥厂是耗能大户，在其熟料形成及粉磨的生产过程中要消耗大量的能源，同时也产生大量的含有相当多热能的废气，这些废气除一部分用来生料烘干、原煤烘干外，其余全部排放到大气之中，使得宝贵的能源白白流失，十分可惜。随着时代的发展和技术的进步，在现代的大型水泥生产企业中，一般都采用带四级或五级悬浮预热器的窑外分解新型干法生产工艺线来生产水泥熟料，就能源利用率而言是大大提高了，但是，仍然不可避免地有大量的能源流失。我们来看水泥生产的三个主要工艺过程的能源消耗分配情况，生料粉磨占总能源的3.4%，熟料煅烧占总能源的92.6%,熟料粉磨占总能源的4%,而熟料煅烧过程中消耗总能源的96.2%也只有60%被生成的熟料所利用,剩下的40%被废气带走,在带走的废气中的热能,除一小部分在原料烘干中加以利用外,其余大部分排入大气之中。也就是说，在熟料生产过程中，通过窑头燃烧器喷的40%煤粉和在分解炉中喷的60%煤粉，全部燃烧所产生的热量为100%，则用于熟料煅烧热量仅占60%，其余近40%的热能随废气排到大气中；所以，在水泥厂的生产过程中排放废气中余热未回收之前，可以这样说，水泥厂既是能源消耗大户，又是能源浪费大户。3二、纯低温余热发电技术新型干法水泥生产线配套应用的纯低温余热发电技术，是在不提高水泥生产过程中能耗指标的前提下，完全利用水泥煅烧过程中产生的余热进行回收，昀大限度地提高水泥生产过程中热能的利用率，与此同时，配置纯低温余热发电系统，将对原有水泥工艺系统不产生影响，当两个系统接口设计合理，将融合成为一个更优的大系统。因此纯低温余热发电技术在新型干法水泥生产线配套应用，具有十分广阔的推广应用前景。三、国外水泥余热发电技术的发展水平日本、欧洲等发达国家由于能源紧缺，80年代初率先在干法水泥窑上应用纯低温余热发电技术，并在设备制造、电气控制等方面取得十分成熟的经验。目前日本以及欧洲的大型干法水泥窑上均配套建设余热发电装置，东南亚许多国家的水泥窑也都带有余热发电装置。首先我们来看看日本，日本水泥工业在窑外分解窑系统配套余热发电系统是昀先进的，1995年其吨熟料发电量就达到35kWh左右，当时大约有50%的水泥窑都配有纯低温余热发电装置，全部回收的电能约为水泥工业电耗的30%。2003年日本全国投产的水泥窑有64台，全部均为窑外分解窑，多数是四级预热器，有近80%的水泥窑都有纯低温余热发电系统，全国平均吨熟料发电量近40kWh，全国回收电能已达水泥工业电耗的48%，也就是说，水泥工业将近一半的电能是自供的，这是一个很大的科技进步。1999年德国巴州海德堡水泥公司所属的莱格福特水泥厂在一台3000t/d的熟料篦冷机上，利用其电收尘器排出的150000m3/h，275℃的废气余热,采用低沸点(36.1℃)介质戊烷C5H12进行朗肯循环，实现纯低温余热发电。这是一条工业试验生产线。六年的生产实践表明，该系统运行可靠，吨熟料发电量可达10.5kWh。以此推算，如果同时回收320℃预热器废气余热，采用相同措施，将有可能提高吨熟料发电量达45—50kWh。可惜由于德国水泥市场历年减缩，其进一步的研发试验工作因此中断，未能实现预期效果。1995年美国电气与电子工程师学会（IEEE）的水泥专业委员会曾对低温余热发电技术进行了专门的研讨，并制定了一个目标，即就是在二十年内（2015年前）实现水泥工业的吨熟料余热发电量达到60kWh或更高。但十年过去了，也许美国水泥工业这样的市场需求不大，研发的实际应用进展不大。综上所述，根据日本、德国和美国的实践，可以预言，现代水泥工业废气余热是颇具潜力的一项节能技术，尤其是对于象我国这样电力供应紧缺的情况，市场需求空间相当大，无疑将会对我国在这方面的技术与装备研发和应用发挥积极的促进作用，我国目前在这方面与国际先进水平的差距还比较大。1999年2月投产的江西万年青2000t/d的纯低温余热发电系统，全部设备为国产，吨熟料发电量仅为22-23kWh。2004年10月投产的柳洲鱼峰3200t/d的余热发电系统，采用日本川崎技术及关键设备，吨熟料发电量达到35.6kWh。1998年3月，海螺集团宁国水泥厂4000t/d纯低温余热发电系统正式并网发电，采用日本川崎设备，通过七年多的稳定运行，吨熟料发电量达到36.1kWh。总体来说，我国在纯低温余热发电技术方面处在刚刚起步阶段，尤其是全套技术装备水平与国际先进水平相比仍有较大差距，需要全面配套的跨跃式发展，加速迎头赶上。第三节纯低温水泥余热发电系统工艺流程一、水泥余热发电的工艺流程从余热发电的工艺流程图我们可以看出，整个系统的设置是：一台PH锅炉，一台AQC锅炉，二级闪蒸器及锅炉给水系统，一套汽轮机发电机及其冷却水系统，水泥工艺线的设备不作大的改动。下面以宁国水泥厂1线的纯低温余热发电为例，分三部分来叙述余热发电的工艺流程。图1-1水泥余热发电的工艺流程图45⑴、含中低温余热废气的工艺流程：1、PH锅炉部分：在预热器的废气出口的总管上开孔，用管道将开口处与PH锅炉的入口进行连接；管道的入口处设置一台挡板（编号490），在预热器的废气的总管开孔下部设置一台挡板（编号491），PH锅炉废气的出口用管道连接至窑尾风机入口。当PH锅炉具备升温条件时，打开490挡板，同时关闭491挡板，这样，预热器出口的350℃，258550Nm3/h的废气被引入PH锅炉，先后通过炉内的过热器、蒸发器后，尚有250℃的废气由窑尾风机抽出，一部分用来烘干生料，另一部分经过增湿塔及窑尾电收尘后排入大气之中。2、AQC锅炉部分：在熟料冷却机的4～5室处开口，用管道分别将开口处与AQC炉前端的沉降室入口、EP风机入口相联结。在沉降室入口前设置一台挡板（编号390），在通往EP风机的管道出口处设置一台挡板（编号391）；沉降室出口用管道联接至AQC锅炉入口，锅炉出口用管道联结至EP风机。当AQC锅炉具备升温条件时，打开390挡板，同时关闭391挡板，篦冷机内的360℃，流量为165300Nm3/h的废气被引入AQC锅炉，先后通过炉内的过热器、蒸发器及省煤器，出口废气温度为91℃，由窑头风机抽出排入大气。⑵、锅炉水的工艺流程：余热电站的热力循环是基本的蒸汽动力循环，即汽、水之间的往复循环过程。:蒸汽进入汽轮机做功后，经凝汽器冷却成凝结水，凝结水经凝结水泵(150A/B)泵入No.2闪蒸器出水集箱，与闪蒸器出水汇合,然后通过锅炉给水泵(230A/B)升压泵入AQC锅炉省煤器进行加热,经省煤器加热后的高温水(223℃)分三路分别送到AQC炉汽包,PH炉汽包和No.1闪蒸器内。进入两炉汽包内的水在锅炉内循环受热,昀终产生一定压力下的过热蒸汽作为主蒸汽送入汽轮机做功.进入No.1闪蒸器内的高温水通过闪蒸原理产生一定压力下的饱和蒸汽送入汽轮机后级起辅助做功作用，而No.1闪蒸器的出水作为No.2闪蒸器闪蒸饱和蒸汽的热源，No.2闪蒸器闪蒸出的饱和蒸汽同样送入汽轮机后级辅助做功。做过功后的乏汽经过凝汽器冷凝后形成凝结水重新参与热力循环。生产过程中消耗掉的水由纯水装置制取出的纯水经补给水泵(511)打入热水井(凝汽器140)。锅炉水是整个余热发电炉机内部的循环水。这样，锅炉水经历了一个水→蒸气→水的工艺过程。⑶、蒸气的工艺流程：1、进入AQC锅炉的汽包的水，由汽包底部的管道引入锅炉的蒸发器，蒸发出的饱和蒸汽再进入锅炉的汽包，经过汽水分离后送入锅炉的过热器，成为350℃过热蒸汽进入蒸汽主管道。2、进入PH锅炉的汽包的水，由汽包底部的管道引入锅炉循环泵，通过强制循环，将汽包内的水送入蒸发器，蒸发出的饱和蒸汽再进入锅炉的汽包，经过汽水分离后送入锅炉的过热器，成为330℃过热蒸汽进入蒸汽主管道。3、AQC锅炉的350℃过热蒸汽与PH锅炉的330℃过热蒸汽并汽后，成为压力为2.6MPa，温度为335℃的过热蒸汽进入蒸汽总管，通过102主蒸汽切断阀和101调节阀，进入汽轮机做功。6补给水泵凝汽器凝结水泵PH锅炉AQC锅炉NO1闪蒸器汽轮机发电机省煤器NO2闪蒸器纯水锅炉给水泵图1-2工艺流程方框图4、№1闪蒸器将AQC锅炉的省煤器送来的223℃热水，闪蒸成0.7MPa的饱和蒸汽，进入汽轮机的第1混汽门；№2闪蒸器将№1闪蒸器送来的热水，闪蒸成0.026MPa的饱和蒸汽，进入汽轮机的第2混汽门；主蒸汽、两股混汽进入汽轮机做功后，乏汽进入凝汽器冷凝成水，并进入汽轮机的热水井。水→蒸气→水的工艺过程中，将损失一部分水，根据汽轮机热水井的水位，由纯水泵（511）将纯水箱内的纯水泵入热水井进行补充。二、热力系统整个热力系统设计力求经济、高效、安全，系统工艺流程是由两台高效余热锅炉AQC、PH锅炉、两台高