我国水泥窑纯低温余热发电技术构成及发展目标.docx

我国水泥窑纯低温余热发电技术构成及发展目标一、水泥窑第一代、第二代纯低温余热发电技术的定义及特征1.水泥窑第一代纯低温余热发电技术：在不影响水泥熟料产量、质量，不降低水泥窑运转率，不改变水泥生产工艺流程、设备，不增加熟料电耗和热耗的前提下，采用0.69MPa1.27MPa-280340蒸汽将水泥窑窑尾预热器排出的350以下废气余热、窑头熟料冷却机排出的350以下废气余热转化为电能的技术。第一代纯低温余热发电技术除上述定义外还同时具有如下两个或两个以上的特征： 1) 冷却机仅设一个用于发电的抽废气口； 2) 汽轮机主蒸汽温度不可调整，随水泥窑废气温度的变化而变化； 3) 窑头余热锅炉、窑尾余热锅炉给水系统为串联系统；4) 采用额外消耗化学药品或电能的锅炉给水除氧系统。2.水泥窑第二代纯低温余热发电技术：在不影响水泥熟料产量、质量，不降低水泥窑运转率，不改变水泥生产工艺流程、设备，不增加熟料电耗和热耗的前提下，采用1.27MPa3.43MPa-340435蒸汽将水泥窑窑尾预热器排出的350以下废气余热、窑头熟料冷却机排出的350以下废气余热转化为电能的技术。第二代纯低温余热发电技术除上述定义外也还同时具有如下两个或两个以上的特征： 1)冷却机设置两个或两个以上用于发电的抽废气口； 2)汽轮机主蒸汽温度可调整，不随水泥窑废气温度的变化而变化；3)窑头余热锅炉、窑尾余热锅炉给水系统为各自独立、互不影响的并联系统；4)锅炉给水除氧系统采用145以下低温废气余热，不再额外消耗化学药品或电能。二、水泥窑第一代纯低温余热发电技术的构成 1.技术要点：利用水泥窑窑尾预热器排出的350以下废气设置一台窑尾预热器余热锅炉（简称SP锅炉）、利用水泥窑窑头熟料冷却机排出的350以下废气设置一台熟料冷却机废气余热锅炉（简称AQC炉）、为余热锅炉生产的蒸汽配置蒸汽轮机、发电系统主蒸汽参数为0.691.27MPa-280340、每吨熟料余热发电能力为3140kJ/kg熟料-2832kwh。2.热力系统构成模式：水泥窑第一代余热发电技术热力系统构成模式主要有如下三种：其一：单压不补汽式中低温发电技术，其二：复合闪蒸补汽中低温发电技术，其三：多压补汽式中低温发电技术。3.技术特点：上述三种模式没有本质的区别，共同的特点：其一、将窑头熟料冷却机排出的350总废气分为两个部分自冷却机中抽出，其中：在冷却中部设一个抽废气口抽出400以下废气，将这部分废气余热用于发电；在冷却机尾部设一个抽废气口抽出120以下废气，这部分废气直接排放。窑尾预热器排出的350以下废气余热首先用于满足水泥生产所需的原燃材料烘干，剩余的废气余热再用于发电。其二也是最重要的特点，发电主蒸汽参数均采用0.691.27MPa-280340。而三种发电模式的区别仅在于：(1)窑头熟料冷却机在生产0.691.27MPa-280340低压低温蒸汽的同时或同时再生产0.10.5MPa-饱和160低压低温蒸汽、或同时再生产105180的热水；(2)汽轮机采用补汽式或不补汽式汽轮机；(3)在相同废气参数条件下，如果以第一种模式发电能力为100%，则第二种模式大约为101.5102%，而第三种模式大约为102103%；第一种模式不受汽轮机房与冷却机相对位置的影响，第二种模式(复合闪蒸补汽式)适用于汽轮机房与冷却机距离较远的情况，第三种模式适用于(多压补汽式)汽轮机房与冷却机距离较近的情况。近期有些余热发电研究开发单位在前述三种模式基础上推出了另一种模式：窑尾余热锅炉不设过热器而只生产饱和蒸汽，窑头冷却机余热锅炉设置大过热器而将窑尾余热锅炉生产的饱和蒸汽通过窑头冷却机余热锅炉大过热器进行过热，然而，由于主蒸汽参数仍然采用0.691.27MPa-280340、冷却机用于发电的废气也仍然是在冷却中部设一个抽废气口抽出的400以下废气，因此其仍属于水泥窑第一代纯低温余热发电技术范畴。4.实际发电能力：第一代余热发电技术填补了我国水泥行业的空白，为我国发展这项技术奠定了基础并积累了宝贵的经验。但由于技术条件的限制，其技术水平类比新型干法窑，相当于上世纪九十年代初的新型干法窑水平，无论投资、发电能力、运行的稳定性、设备寿命、运行可调整性都存在一定的问题，而由于第一代余热发电技术没有很好利用熟料冷却机的废气温度，系统只生产低温低压蒸汽，余热没有按其温度分布进行梯级利用，使发电热力循环系统效率太低，余热达不到应该达到的发电量。比如：对于带有5级预热器的水泥窑其余热发电能力在窑尾废气温度不高于330、保证满足生料烘干所需废气温度为210、满足煤磨烘干所需废气参数、不影响水泥熟料产量及运转率、不增加水泥熟料烧成热耗及电耗、不改变水泥生产用原燃料的烘干热源、不改变水泥生产工艺流程及设备条件下，理论上每吨熟料余热发电量不可能超过3140KJ/kg-32.5kwh（对于实际熟料产量为2750t/d，热耗小于3140kJ/kg或者预热器出口废气温度小于330，生料烘干温度大于210的水泥窑，余热发电功率不会大于3650Kw，实际熟料产量为5500t/d的水泥窑不会超过7500kw ）。 三、水泥窑第二代纯低温余热发电技术的构成 1.技术要点：利用水泥窑窑尾预热器排出的350以下废气设置一台窑尾预热器余热锅炉（简称SP锅炉）；利用熟料冷却机排出的350以下废气，通过改变窑头熟料冷却机废气排放方式：利用熟料冷却机排出的部分360以下废气设置一台冷却机余热锅炉(简称AQC锅炉)、利用熟料冷却机排出的部分500以下废气设置一台独立的熟料冷却机废气余热过热器（简称ASH过热器）；为余热锅炉及余热过热器设置补汽式蒸汽轮机，发电系统主蒸汽参数为1.273.43MPa-340435、补汽参数为00.2MPa-饱和160、余热发电能力为3140kJ/kg熟料-3842kwh/t熟料。2.热力系统构(1)水泥窑废气余热分布 ：针对第一代中低温发电技术的特点，分析水泥窑废气产生的过程，水泥窑废气温度及废气热量的分布情况如下：不带余热发电时的废气温度及热量分布，第一代余热发电的废气温度及热量分布，第二代余热发电的废气温度及热量分布；根据上述废气温度及废气热量分布，由于熟料冷却机在不影响入窑入分解炉二、三次风风量、风温的情况下可以取出部分500的废气，使发电系统完全有条件采用较高温度和压力的主蒸汽参数，从而为提高余热发电能力创造条件。(2)实际应用的热力系统构成模式：实际应用的第二代余热发电热力系统。3.技术特点：针对第二代水泥窑纯低温余热发电技术窑头熟料冷却机废气取热方式及热力系统的构成，其技术特点在具有第一代水泥窑纯低温余热发电技术特点的同时，另具有如下几个自身的主要特点：(1)冷却机采用多级取废气方式，为电站采用相对高温高压主蒸汽参数及实现按废气温度将废气热量进行梯级利用创造条件；(2)设置独立的熟料冷却机废气余热过热器，为调整控制蒸汽参数创造条件；(3)电站热力系统采用1.273.43MPa-340435相对高温高压主蒸汽参数，为提高余热发电能力提供保证；(4)汽轮机采用多级混压进汽(即补汽式)汽轮机，AQC余热锅炉采用1.473.43MPa相对高压蒸汽段、0.150.5MPa低压蒸汽段、100120热水段布置受热面，为将180以下废气余热生产的低压低温蒸汽及热水转换为电能提供手段。4.第二代水泥窑纯低温发电技术能够取得的效果：对于第二代水泥窑纯低温发电技术，在不影响水泥熟料热耗、满足原燃料烘干所需温度210、不改变水泥生产工艺及设备、不影响水泥窑生产的条件下，相对于第一代余热发电技术存在的问题：其一，余热可以同时生产次中压或中压饱和至450的过热蒸汽、0.10.5Mpa饱和至180的低压低温蒸汽、85110热水； 其二，最重要的是:热力循环系统可以采用次中压中温或中压中温参数，提高了热力循环系统效率，在充分利用水泥窑不同废气温度的余热的同时，实现了热量根据其温度进行梯级利用的原理； 其三，第二代水泥窑纯低温发电热力循环系统、循环参数及废气取热方式使水泥窑废气余热按其质量最大限度地转换为了电能，从而使余热发电能力比目前普遍采用的第一代水泥窑纯低温发电技术得以大幅提高，实际可达到3140KJ/Kg-3842kwh/t。同第一代纯低温余热发电技术相比，在熟料热耗不变的前提下，吨熟料余热发电能力提高14.5%31.25%； 其四，解决了第一代纯低温发电技术主蒸汽温度不能调温从而影响汽轮机使用寿命的问题；其五，因采用较高的主蒸汽压力和温度，为汽机采用大范围变化主蒸汽压力和温度的滑参数运行创造了条件（当设计采用主蒸汽压力和温度为2.29MPa-370时，实际运行变化范围可以达到1.272.47Mpa、325400）；而第一代纯低温发电技术的汽轮机主蒸汽压力和温度允许变化范围则要小得多（当设计采用主蒸汽压力和温度为0.98MPa-310时，实际运行变化范围只能达到0.691.27Mpa、290330）。因此，第二代纯低温发电技术在可提高余热发电能力的同时，由于主蒸汽参数允许运行变化范围比第一代技术大得多，发电系统的运转率、可靠性、对水泥窑生产波动的适应性也将比第一代技术好的多；其六、解决了AQC、SP两台锅炉给水系统串连从而互相影响、给水系统调控困难、系统运行不稳定等问题；其七，由于采用相对高压、高温主蒸汽，其蒸汽及水管道、汽轮机体积、循环冷却水量等均小于第一代中低温发电技术，因此对于同一条水泥窑来讲，第二代余热发电技术虽然发电能力高但其单位Kw装机投资却低于第一代技术；上述各点已在余热电站的建设、调试及生产运行中得以充分证明。四、两代中低温发电技术发电能力的详细比较1.发电能力的比较 (1)前提条件：为了科学实用地得出比较结论，做如下假设：水泥窑5500t/d熟料产量，热耗小于750kcal/kg，生料烘干温度210；窑尾废气参数353600Nm/h-330，出锅炉废气参数353600Nm/h-210；窑头冷却机废气参数310000Nm3/h-290，出锅炉废气参数310000Nm3/h-100；不考虑粉尘、散热、漏风、排污等因素；发电机效率为96.5%； 第二代技术主蒸汽参数2.29Mpa-380，第一代技术主蒸汽参数0.98Mpa-310。(2)比较计算过程比较及计算过程略 (3)比较结论：根据上表，发电能力的比较结论如下：在各台余热锅炉进口废气温度、出口废气温度相同的条件下，由于第二代中低温发电技术实现了水泥窑废气余热按其温度梯级利用，其发电能力比第一代提高14.5%31.25%； 第二代技术比第一代技术发电能力高的主要原因：1)主蒸汽温度的影响：温度对热能转换为电能的能力有极大的影响，比如，1Kg/h1000的热水，其含有的热量1000Kcal/h(热量的量)，这个热量理论上转化为电量的最大能力N=1-273/(1000273)10004.1868/3600=0.9135kW(热量的质)，理论转换效率为0.9135860/1000=78.56%。10Kg/h100的热水，其含有的热量1000Kcal/h，但这个热量理论上转化为电量的最大能力为N=1-273/(100273)10004.1868/3600=0.3118kW，理论转换效率为0.3118860/1000=26.8%。上述转换效率的不同，反映在汽轮机上为：主蒸汽温度高时，汽轮机进汽焓高，主蒸汽温度低时，汽轮机进汽焓低，而汽轮机的发电功率是汽轮机进汽焓与排汽焓的差值。第二代技术主蒸汽温度远高于第一代技术，其是第二代技术发电能力高于第一代技术的主要原因之一。2)主蒸汽压力的影响在相同排汽压力及缸效率的条件下，汽轮机进汽压力越高排汽焓越低，如：汽轮机排汽压力为0.007MPa、缸效率为82%，当汽轮机进汽参数为0.98MPa-310时，汽轮机排汽焓为571.7Kcal/Kg；当汽轮机进汽参数为2.29MPa-310时，汽轮机排汽焓为543.46Kcal/Kg。同样，汽轮机的发电功率是汽轮机进汽焓与排汽焓的差值。而第二代技术主蒸汽压力高于第一代技术，也是第二代技术发电能力高于第一代技术的主要原因之一。2.系统安全、稳定、高效及对水泥窑波动适应性比较由于第二代技术采用相对高的主蒸汽压力和温度，这样为第二代余热发电技术系统采用滑参数运行时的汽轮机设计制造创造了条件，如：设计采用第二代技术的2.29MPa-370主蒸汽参数时，保证汽轮机高效、安全、稳定及汽轮机寿命的主蒸汽压力和温度运行变化范围可以达到1.272.57Mpa、310390；而设计采用第一代技术的0.98MPa-310主蒸汽参数时，保证汽轮机高效、安全、稳定及汽轮机寿命的主蒸汽压力和温度运行变化范围只能达到0.691.17Mpa、295320。由于第二代技术主蒸汽参数运行范围比较宽，发电系统的运转率、可靠性、对水泥窑生产波动的适应性都大大优于第一代。3.汽轮机效率、寿命及对水泥窑事故状态适应能力的比较第二代余热发电技术设置独立的过热器，通过调整过热器废气量可以方便地调整主蒸汽温度，这样可保证汽轮机进汽参数能够长期处于汽机为保证寿命和效率所要求的进汽温度，从而保证汽机寿命和效率，这样的配置也同时能使余热电站在水泥窑临时事故状态下（比如因窑尾系统结皮、积料、堵塞或窑内结蛋、结圈等原因引起的临时断料）不停机。而第一代余热发电技术，由于不能通过调整废气量来调整蒸汽温度同时也没有其它措施来调整蒸汽温度，使蒸汽温度只能随水泥窑废气温度的波动而波动，这样不能保证汽轮机进汽参数能够长期处于汽机为保证寿命和效率所要求的进汽参数，从而不能保证汽机寿命和效率，也不具备水泥窑临时事故状态下（比如因窑尾系统结皮、积料、堵塞或窑内结蛋、结圈等原因引起的临时断料）不停机的能力。4.水量消耗及单位装机投资的定性比较：第二代余热发电技术系统采用较高蒸汽参数，汽水管道规格、配套辅机、阀门及水消耗量都小于第一代，即单位KW装机投资小于第一代。仍以前述5500t/d窑余热电站为例比较，具体略。5.运行成本的定性比较：第二代余热发电技术的锅炉给水除氧方式采用常规热力除氧，即利用145以下低温废气余热除氧，其不再消耗额外的动力或化学药品，也减少运行维护环节，保证锅炉给水除氧效果的连续稳定。第一代余热发电技术则或者采用化学除氧方式或者采用真空除氧方式，这两种除氧方式要么增加化学药品消耗要么增加抽真空设备而增加电力(或蒸汽)的消耗，不但增加电站运行成本或电站自用电量同时增加运行维护环节、对于化学加药除氧方式也难以保证锅炉给水除氧效果的连续稳定。6.锅炉给水互相影响的比较：第二代余热发电技术两台锅炉的给水系统互相独立，不存在运行调节过程中互相影响的问题。当AQC锅炉热水段故障时，除因启用汽轮机抽汽除氧使发电功率略受影响(不超过3%)外，对锅炉及电站也不会产生大的影响。对于第二代技术：只要冷却机运行，即可以AQC炉独立带汽轮机运行，也可以SP炉独立带汽轮机运行，更可以AQC炉及SP炉联合带汽轮机运行。第一代余热发电技术由于两台锅炉的给水都直接来自于AQC炉的热水段，当任一台锅炉给水调整时势必会影响另一台，特别是当AQC炉的热水段故障时，两台锅炉都将不能运行(除非不按规程给锅炉直接上冷水)而使整套电站不能运行。第一代技术如果补充采用闪蒸措施，可以缓解这个问题给电站运行带来的影响，这是第一代技术中闪蒸系统优于单压系统、双压系统的主要原因。7.冷却机废气余热利用率的比较：第二代余热发电技术AQC锅炉增加了低压蒸汽段(余热梯级利用的原理：高温废气余热生产相对高压高温的蒸汽，低温废气余热生产相对低压低温的蒸汽，这样可使废气余热最大限度地转化为电能)，使窑头废气余热生产蒸汽后剩余的废气温度只有约144，再将144废气余热通过AQC炉热水段：一方面将锅炉给水由汽轮机凝结水的约40加热至100110，另一方面通过将锅炉给水加热至100110的过程再利用热力除氧器为锅炉给水进行深度除氧。这样配置的结果，可以充分保证窑头废气温度降至110以下，使窑头废气余热根据其温度的分布得以充分利用(高温高用、中温中用、低温低用)，而且AQC锅炉的出口废气温度基本不受水泥窑运行波动的影响。第一代余热发电技术，窑头废气余热生产蒸汽后剩余的废气温度还有200以上(由于蒸汽饱和温度已经为190.5以上，废气余热生产蒸汽后剩余的废气温度不可能低于200)，窑头AQC锅炉通过设置大的省煤器再利用200废气余热将AQC、SP锅炉给水由汽轮机凝结水的约40加热至160180(同样由于蒸汽饱和温度已为190.5的限制，省煤器出水不可能高于180，否则水泥窑生产的变化将导致省煤器出水温度高于190.5而产生汽化，使锅炉给水管道系统产生震动)。这样，一方面由于省煤器水量受AQC、SP锅炉蒸汽产量的限制(省煤器被加热水量需等于AQC、SP锅炉蒸汽产量)及省煤器出水温度受蒸汽饱和温度的限制，使窑头废气温度不可能降至120以下，而且AQC锅炉的出口废气温度受水泥窑运行波动使AQC、SP锅炉蒸汽产量波动的影响；另一方面窑头废气余热利用率低于第二代技术，同时电站运行的稳定性也远不如第二代技术。解决第一代余热发电技术运行稳定性及提高窑头废气余热利用率的措施：是在窑头AQC锅炉设置的省煤器出水系统设置闪蒸器，这样可加大省煤器出水量以降低AQC锅炉的出口废气温度，利用闪蒸器将省煤器多余的160180热水闪蒸出低压蒸汽(低压蒸汽补入汽轮机)，同时由于设置闪蒸器，使AQC锅炉设置的省煤器出水量可调整，进而可稳定电站的运行并缓解AQC、SP锅炉给水系统间的互相影响。但这样做的结果，只解决电站运行的稳定和缓解AQC、SP锅炉给水系统间的互相影响问题，并不能有效地提高余热发电能力。8.运行控制的方便性比较 由于第二代余热发电技术设置独立的过热器，其窑头AQC余热锅炉及窑尾SP余热锅炉仅生产饱和蒸汽，生产运行过程中两台锅炉只控制锅炉汽包水位即可而不必控制两台锅炉的蒸汽温度、也不必担心水泥窑生产变化对汽轮机主蒸汽温度的影响(仅通过调整过热器废气量即可以方便地调整主蒸汽温度)；锅炉给水系统互相独立，生产运行过程中也不互相影响，也不担心锅炉给水管道系统由于汽化而产生震动；锅炉给水除氧为常规热力除氧，没有任何运转设备。相对于第一代余热发电技术的窑头AQC余热锅炉及窑尾SP余热锅炉同时生产过热蒸汽需要同时监控两台锅炉的蒸汽温度、随时担心水泥窑生产变化对汽轮机主蒸汽温度的影响、锅炉给水系统互相影响及担心锅炉给水管道系统由于汽化而产生震动、锅炉给水除氧设有运转设备需要运行过程中进行维护、设置闪蒸器时需要监控闪蒸器水位、压力、AQC炉省煤器水量等，第二代技术比第一代技术在电站运行控制方面要简单、方便、安全的多。9.窑尾烘干废气温度调控及对窑尾收尘效果的影响一般来讲，用于物料烘干的窑尾废气温度为220250。由于窑尾余热锅炉投入运行后，窑尾增湿塔将停止喷水，这样用于烘干的窑尾废气湿度大为降低，废气吸水能力将高于增湿塔喷水时的废气，也即窑尾用于烘干的废气温度将低于220250。考虑物料水份的变化，又需要出窑尾SP锅炉的废气温度能有较大的可控制的变化范围，因此：第二代技术由于采用相对高压的蒸汽参数使窑尾SP锅炉的出口废气有条件再增设低压蒸汽段，并通过调整低压蒸汽段的运行方式（而不是采用调整SP炉旁通废气管道阀门开度的方式）使出SP炉低压蒸汽段的废气温度可根据物料烘干需要进行调整(调整幅度根据每个工程的需要来设计确定)。对于第一代技术，由于采用相对低压的蒸汽参数，使窑尾SP锅炉的出口废气不大可能再增设低压蒸汽段，而为了实现出窑尾SP锅炉的废气温度能有较大的可控制的变化范围，只能采用调整SP炉旁通废气管道阀门开度的方式，但这种方式是以牺牲SP炉旁通废气管道内高温废气余热发电能力为代价的，也即当物料烘干需要的废气温度较高时，第一代技术余热发电功率的降低远高于第二代技术。另一方面，如果窑尾废气采用电收尘器，SP炉投运后，由于窑尾增湿塔停止喷水，窑尾电收尘器的收尘效果会受到影响(特别是物料烘干停运时)。第二代技术由于SP炉设有低压蒸汽段，而低压蒸汽段生产的低压蒸汽即可补入汽轮机用于发电，也可用于窑尾废气增湿(相应的减少发电量)，这样为解决余热电站对窑尾收尘效果的影响创造了条件，而第一代技术则不具备这个条件。10. 余热发电技术进一步发展时电站可改造性的比较当余热发电技术进一步发展时，利用第二代技术建造的余热电站具有进一步改造的余地，而第一代余热发电技术则不具备这一条件。11. 锅炉重量的比较 第二代技术采用相对高的主蒸汽压力，其饱和温度较高(采用2.29MPa主蒸汽压力时的饱和温度为225)，这样使锅炉的传热温差相对较小，对于前述的5500t/d窑余热电站窑尾余热锅炉，其换热温差只近似为(325-225)+(250-225)/2=62.5。对于第一代技术，采用相对低的主蒸汽压力，其饱和温度较低(采用0.98MPa主蒸汽压力时的饱和温度为190.5)，锅炉内的传热温差相对较大，同样以前述5500t/d窑余热电站余热锅炉为例，若采用第一代技术，其锅炉换热温差近似为(325-190.5)+(250-190.5)/2=97。由于锅炉换热温差的不同，对于同一条水泥窑：采用第二代技术的余热锅炉换热面积比采用第一代技术的余热锅炉换热面积要大，相应的锅炉金属重量要大(一般来讲要大20%以上)。这样的结果：一是第二代技术通过把提高蒸汽参数而节省的电站连接管道、阀门、保温材料、支吊架、循环水泵、冷却塔、除氧系统投资用于增加锅炉换热面积(锅炉金属重量)使单位KW装机投资小于第一代，把电站投资用于最重要的设备上；另一个是由于第二代技术余热锅炉换热面积大，从根本上可以保证电站能够适应水泥生产的大范围波动和电站的运转率、可靠性、及安全性。而第一代技术，不但未把投资用于关键设备，也由于锅炉换热面积太小，电站适应水泥生产的大范围波动能力和电站的运转率、可靠性、及安全性也逊于第二代技术。