雙壓純低溫余熱發電技術在遼源金剛水泥廠的應用
摘要：本文介紹一種適用于中低溫煙氣余熱發電的新技術——雙壓純低溫余熱發電技術在遼源金剛水泥廠的工程應用。該技術將低品位熱源充分用于發電，具有效率高、節能、環保和便于運行維護等特點，可以廣泛應用于水泥窯等行業的余熱利用。
關鍵詞：雙壓技術；余熱發電；水泥窯；應用
1 概述
能源問題是關系經濟發展、社會穩定和國家安全的重大戰略問題。節能降耗和環保已成為我國的基本國策。2006年國家節能和環保兩項指標未完成，一個重要原因是缺乏有效的節能環保技術。在這種形勢下，相關單位紛紛研制開發節能環保技術，水泥窯純低溫余熱發電技術就是一個既節能又環保的新技術。
該項技術目前已得到廣泛重視。國家發展改革委員會在《節能中長期專項規劃》中，明確提出要在2 000 t/d以上水泥生產線中建設“余熱余壓利用工程”以降低生產成本，優化生產流程，控制污染物的排放，促進環境保護。因此水泥窯純低溫余熱發電技術具有廣闊的市場空間，必將推動水泥行業的技術進步，促進水泥行業的節能降耗和環保，實現清潔生產。
水泥窯余熱發電的原則就是在保證水泥生產線熟料質量、產量穩定且不增加熱耗的條件下，盡可能的回收利用余熱，提高噸熟料發電量。一方面要求盡可能多的回收低溫余熱，即提高余熱鍋爐效率，這需要在保證余熱鍋爐面積一定的條件下，降低蒸汽的壓力與溫度；另一方面，也要提高汽輪發機的效率，這需要提高蒸汽的壓力與溫度。要想提高整個余熱發電系統循環的效率，就必須兼顧余熱鍋爐效率和汽輪機的效率。雙壓系統產生的高壓蒸汽可提高汽輪機的效率，同時產生的低壓蒸汽可提高余熱鍋爐效率，解決了二者的矛盾，最大限度提高了噸熟料發電量。本文介紹雙壓純低溫余熱發電技術在遼源金剛水泥廠的工程應用。
2 雙壓純低溫余熱發電技術介紹
雙壓余熱發電技術就是按照能量梯級利用的原理，在同一臺余熱鍋爐中設置2個不同壓力等級的汽水系統，分別進行汽水循環，產生高壓和低壓兩種過熱蒸汽；高壓過熱蒸汽作為主蒸汽、低壓過熱蒸汽作為補汽分別進入補汽凝汽式汽輪機，推動汽輪機做功發電，雙壓余熱發電系統使能量得到合理利用，熱回收效率高。
余熱資源參數不同，余熱鍋爐的低壓受熱面與高壓受熱面有不同的布置方式。根據遼源金剛水泥廠窯頭(AQC)和窯尾(SP)的余熱特點和工藝要求，經過余熱利用后，要使AQC余熱鍋爐排煙溫度降到100℃左右。使窯尾SP余熱鍋爐排煙溫度降低到220℃左右后進入原料磨烘干原料,其設置的雙壓余熱發電系統簡圖如圖1。
雙壓余熱發電系統與常規余熱發電系統不同之處在于其窯頭(AQC)余熱鍋爐增設了低壓汽水系統，其汽輪機組在第四壓力級之后增加了補汽口，并適當增大補汽口以后汽輪機通流部分面積。
采用雙壓系統的主要目的是為了提高系統循環效率。使低品位的熱源充分利用，獲得最大限度的發電功率，降低窯頭(AQC)雙壓余熱鍋爐的排氣溫度；其次是雙壓系統的低壓蒸汽是過熱的，進入汽輪機后能保證汽輪機內的蒸汽最大濕度控制在14％以下，使汽輪機葉片工作在安全范圍內，并提高機組的效率；同時低壓蒸汽還可用于供熱等其它需要熱源的地方，提高運行靈活性。
雙壓余熱發電系統簡單靈活、成本低、熱利用率高。由于在余熱鍋爐上增設了低壓省煤器、低壓蒸發器，并且增設了低壓過熱器，能夠把更多的低溫余熱吸收利用，比單壓系統多發電10%左右，并且必要時能夠解列，維持單壓系統正常運行。而對于能夠增加發電量的閃蒸系統來說，需要增加閃蒸器、汽水分離器等設備；閃蒸器產生的是飽和蒸汽，在進入汽輪機做功后，易使汽輪機排汽干度不能滿足汽輪機的要求。
3工程應用
3.1遼源金剛雙壓余熱發電系統概況
為了改變本地區水泥行業的落后面貌，充分利用自身的經濟實力、廉價的煤炭及電力資源，遼源金剛結合地方礦產資源，高標準、高起點建設二條5000 t/d具有五級預熱器和預分解爐的新型干法生產線。這對加速當地水泥產業結構調整，實現水泥生產升級換代，拉動當地采礦、運輸和服務的發展起了很大的推動作用。
為了提高企業綜合效益，最大限度的利用水泥熟料生產線的窯頭、窯尾廢氣余熱，金剛集團對國家及吉林省資源綜合利用的產業政策進行認真的學習和研究，同時對國內現有的資源綜合利用電站進行綜合調研的基礎上，根據企業現有生產規模、技術條件和現有新型干法水泥窯所產生的余熱及場地布置等因素，決定利用水泥熟料生產線窯頭、窯尾余熱資源，采用雙壓余熱發電技術建設純低溫余熱電站。
由于設計時生產線尚未投產，原始廢氣參數只能根據設計參數和其它同類型線的經驗參數取值，確定為：出窯尾預熱器SP的廢氣流量為340 000Nm3/h、溫度為320～350℃；冷卻機AQC排出廢氣量為300 000 Nm3/h、溫度為260℃，為了使窯頭AQC鍋爐產生參數稍高一些的蒸汽，以便與窯尾SP鍋爐產生的蒸汽能混合進入汽輪機，對AQC進行了改造，從中部開孔，抽出的煙氣量設計值為180 000 Nm3/h、溫度為350℃。
3.2 設計特點
3.2.1電站工藝系統特點
根據遼源金剛水泥廠的余熱條件，結合朗肯循環原理，對能量進行梯級利用，采用雙壓工藝熱力系統，可使相對高溫熱源（210~350℃煙氣）產生較高參數的蒸汽，使相對低溫熱源（100~210℃煙氣）產生較低參數的蒸汽，使能量分布優化，提高熱力系統循環效率。
在窯尾預熱器廢氣出口設置SP余熱鍋爐。從預熱器出來的350℃左右的煙氣從頂部進入SP余熱鍋爐，由于其煙氣粉塵濃度高為80－100g/Nm3、粉塵顆粒細、粉塵比電阻高、粉塵硬度低等特點，對鍋爐受熱面的磨損不嚴重、但容易積灰，因此在SP余熱鍋爐內設置振打除灰裝置。煙氣在鍋爐內經過能量交換后，溫度為220℃左右，進入原水泥系統。
在窯頭冷卻機廢氣出口設置AQC余熱鍋爐，采用雙壓技術。由于窯頭煙氣帶著磨損性較強的熟料微粒，含塵濃度為20－30g/Nm3左右，具有干燥，粉塵粒徑粗、磨損性大、粘附性不強等特點；為減輕鍋爐磨損，提高鍋爐的使用壽命，在AQC鍋爐前設置沉降室。350℃左右的煙氣從篦冷機中部抽出后進入沉降室，在沉降室內約有60％的灰塵沉降下來，灰塵通過拉鏈機送到水泥熟料系統，煙氣再從頂部進入AQC余熱鍋爐，在鍋爐內經過能量交換成為溫度為100℃左右的煙氣，進入水泥系統的窯頭電收塵器。
余熱發電汽水系統流程為：給水經高壓給水泵進入AQC余熱鍋爐公共省煤器后，被加熱成為飽和水后，分成二路分別進入AQC鍋爐高壓系統和SP鍋爐。另一路低壓給水經低壓給水泵進入低壓省煤器后，進入AQC鍋爐低壓系統。進入AQC高壓系統和SP鍋爐的水經過鍋爐內部循環被加熱成過熱蒸汽；進入AQC低壓系統的水被加熱成低壓補汽 ，兩臺鍋爐的過熱蒸汽混合后和低壓補汽分別進入汽輪機前端高壓進汽口和中部低壓補汽口做功發電。
為了保證電站事故時不影響水泥窯生產順利進行，余熱鍋爐均設有旁通廢氣管道，一旦余熱鍋爐或電站發生事故時，可以將余熱鍋爐從水泥生產系統中解列，不影響水泥生產的正常運行。
以上電站工藝系統特點，可以使電站運行方式靈活、可靠，很好地與水泥生產配合，并最大限度地利用余熱。
3.2.2余熱發電系統的接入
由于水泥線工藝布置較緊湊，現場空地不多，而窯尾SP鍋爐又采用立式鍋爐，所以將窯尾SP爐布置在窯尾預熱器后的高溫風機之上。在每條線最上一級（C1級）預熱器至窯尾高溫風機的下行管道上引出廢氣管道與SP鍋爐相連。鍋爐出口煙氣溫度在220℃左右，送到窯尾高溫風機進風口的管道上，以滿足下道工序烘干原料和煤的需要。烘干原料和煤后的廢氣由原廢氣處理系統的收塵器凈化后排入大氣。控制鍋爐的煙氣阻力≤1000Pa，使系統的阻力在窯尾高溫風機的能力允許范圍之內。在原預熱器出口至高溫風機的煙道引出管道、原下行管道以及鍋爐出口管道上均增設電動百葉閥門，對氣流進行控制和切換，原下行管道可做為鍋爐的旁通煙道。當需要提高烘干原料和煤的煙氣溫度時，可適當調節下行煙道調節閥，讓鍋爐出口的低溫煙氣和C1級出口直接下行的高溫煙氣混合，提高進窯尾風機（原料磨）的煙溫，其調節范圍從220℃或更低直至C1級出口溫度（即煙氣一點不通過SP鍋爐），而且SP爐的進口煙道閥和旁路煙道閥，正常設計在窯控制室操作，窯操可隨時根據具體情況調整，既滿足了水泥生產的穩定運行，又保證了SP爐的安全。通過旁通煙道的調節作用還可使水泥生產及余熱鍋爐的運行均達到理想的運行工況。
在熟料冷卻機與窯頭收塵器之間設一臺AQC鍋爐，由廢氣管道連接。為保證鍋爐正常產汽量，需對冷卻機進行改造，從冷卻機中部（原煤磨抽風處）引出管道，抽出350℃左右的廢氣送至沉降室，濾去大顆粒粉塵后再由管道引向AQC鍋爐。從冷卻機中部抽風的目的是提高進入AQC余熱鍋爐的廢氣溫度，提高整個系統的循環效率。
每條線出AQC鍋爐的廢氣進入原有的窯頭收塵器收塵后，由原有窯頭排風機排放，冷卻機剩余的低溫余風仍由原管路進窯頭收塵器。原余風管路系統可做為鍋爐的旁通煙道，當鍋爐故障或水泥生產不正常時可關閉去AQC鍋爐的閥門，氣流可不經鍋爐而由此旁路系統直接排至窯頭收塵器。在冷卻機原余風管路上、新設的去鍋爐管路上和出鍋爐管路上均增設電動百葉閥門，以實現對氣流的控制和切換。鍋爐和沉降室的煙氣總阻力控制小于1000Pa，使改造后的氣體流量和壓力在窯頭排風機的能力允許范圍之內。
3.2.3廢灰處理
窯尾SP余熱鍋爐管束上的積灰經過振打裝置振下后通過螺旋輸送機送到原水泥系統增濕塔下面的鏈式輸送機，與增濕塔下來的料混合后，溫度降低，對系統設備不會造成影響，再通過鏈式輸送機送到原料庫；AQC余熱鍋爐及沉降室的積灰量清下后通過拉鏈機送到熟料輸送機，再由熟料輸送機送到熟料庫。
3.2.4 循環冷卻水系統
循環冷卻水系統包括循環冷卻水泵站、冷卻構筑物、循環水池及循環水管網。運行時，循環冷卻水泵自循環水池抽水送至各生產車間供生產設備冷卻用水，冷卻過設備的水（循環回水）利用循環水泵的余壓送至冷卻構筑物，冷卻后的水流至循環水池，供循環水泵繼續循環使用。為確保該系統良好、穩定的運行，系統中設置了加藥和旁濾設備。
加藥系統采用兩套自動加藥裝置定期加入阻垢劑與殺菌劑，分別投加HEDP和ClO2。HEDP除去水中的Ca2+ ,Mg2+等金屬離子，降低水的硬度，防止設備、管道結垢；ClO2防止水中滋生藻類，同時可以殺菌作用。
3.2.5化學水處理系統
為了保證鍋爐給水水質，提高供水安全可靠性考慮，建設一條一級反滲透+一級混床除鹽的除鹽水系統。考慮采用一級反滲透+混床水處理系統的原因為：
① 用一級反滲透+混床制除鹽水，與用軟化水相比較：
可降低鍋爐排污率，從而降低熱量的損失，提高了余熱的利用效率。用一級反滲透+混床制除鹽水的排污率為0.4％，用軟化水的排污率為7.5％。
可大大提高了補給水水質，解決了中低壓鍋爐中常用軟化水作補給水而引起的硅酸鹽結垢的問題。有利于鍋爐的長期穩定運行，延長了鍋爐的使用壽命。
由于純低溫余熱發電利用廢煙氣，溫差波動較大，造成鍋爐負荷變化大，因此蒸汽中攜帶的鹽分較多，在過熱器及汽輪機中造成鹽類的積聚，引起過熱器堵塞及汽輪機故障，選用純度較高的除鹽水，能在負荷不穩的情況下保證蒸汽的品質，提高系統運行的可靠性。
② 用一級反滲透+混床制除鹽水與用一級除鹽水相比較，
可降低酸堿耗量，一級反滲透+混床的再生酸堿耗量為一級除鹽水的5％，從而減少了酸堿廢水的排放量，有利于環境保護。
減少了系統的頻繁再生操作，使系統的運行操作更簡單，
系統的出水水質更易得到保證，且大大提高了出水水質。
采用一級反滲透+混床水處理系統符合系統及現場的條件，有利于系統的穩定運行。
3.2.6 除氧系統
為控制鍋爐給水的含氧量，減少溶解氧對熱力系統設備的腐蝕，根據余熱發電工藝要求，進入鍋爐的給水含氧量必須≤0.05mg/l。采用化學藥劑除氧，在給水中加入化學還原藥劑聯氨（N2H4），使其與氧反應生成無腐蝕的穩定化合物，將水中的溶解氧除去。
其反應方程式如下：N2H4 +O2 = N2↑+2H2O
其反應產物N2和H2O對熱力系統沒有任何害處，在200℃以上的高溫水中，N2H4還可以將Fe2O3還原成Fe3O4、FeO以及Fe。聯氨的這些性質對防止鍋爐內的鐵垢有一定的作用。被廣泛地應用于中、高壓鍋爐給水的化學除氧處理。
常用的除氧方法有熱力除氧、真空除氧、化學除氧（包括藥劑除氧和鋼屑除氧）、解析除氧等。
熱力除氧不符合工藝要求（給水水溫55℃，鍋爐排煙溫度95℃左右），如果改變工藝，則造成系統的復雜；
采用真空除氧造成操作及系統復雜，由于在真空狀態下，被除氧的水溫度對除氧效果有著直接關系，除鹽水溫度應高出除氧器運行的真空度所對應的飽和溫度3-5℃，水噴射真空泵工作的循環水溫應低于該飽和溫度3-5℃。兩者溫差為6-10℃，只有控制好這一溫差，除氧效果才能好，在實際運行中，由于運行條件的變化及四季的變換，這一溫差不好控制、操作困難，除氧不很可靠。
采用化學除氧的鐵屑除氧在運行時需要反洗，要經常更換濾芯，維護費用較大。
采用解析除氧要消耗燃料，工藝復雜。
采用化學除氧的藥劑除氧。可以簡化全廠的熱力系統并保證除氧效果。綜合考慮，采用化學藥劑除氧系統。
3.2.7 保溫
由于本工程地處東北嚴寒地區，需對室外的儀表等設備進行伴熱保溫。電氣設備各測點的導壓管、變送器設置自限溫伴熱帶，同時設置保溫箱以確保儀表靈敏、準確工作；對于室外液位計、現場控制箱等需防凍的設備，設置保溫箱進行保護。
3.3 主要設備
3.3.1 窯頭(AQC)雙壓余熱鍋爐
其型號為：QC180/350-14(4)-1.6(0.35)/330(165)①。是為滿足5000t/d水泥熟料生產線的窯頭冷卻機的余熱回收而設計的。
鍋爐規范及主要參數為：
1、 鍋爐額定蒸發量：14(4) t/h
2、 額定蒸汽壓力：1.6(0.35) MPa(g)
3、 額定蒸汽溫度：330(165) ℃
4、 給水溫度：55 ℃
5、 余熱煙氣量：180 000 Nm 3/h
6、 余熱煙氣進口溫度：350 ℃
7、 設計煙氣出口溫度：95 ℃
8、 煙氣含塵量：30 g/Nm3
AQC 余熱鍋爐采用雙壓結構，高壓段出口額定蒸汽壓力為1.6MPa(g)，低壓段出口額定蒸汽壓力為0.35MPa(g)。AQC 鍋爐整體采用管箱式結構，自上而下有高壓過熱器管箱、兩級高壓蒸發器管箱、高壓省煤器管箱、低壓過熱器管箱、低壓蒸發器管箱，高低壓省煤器管箱。管箱采用左右對稱結構共14 只管箱，這些管箱均通過底座型鋼將自身重量傳遞到鋼架的橫梁上。采用這種管箱式結構，可將鍋爐漏風降至最低，提高鍋爐效率，減少現場安裝的工作量。
3.3.2 窯尾(SP)余熱鍋爐
其型號為：QC340/350-24-1.6/320。是為滿足5000t/d水泥熟料生產線的窯尾預熱器(SP)的余熱回收而設計的。
鍋爐規范及主要參數為：
1 鍋爐額定蒸發量：24 t/h
2 額定蒸汽壓力：1.6 MPa(g)
3 額定蒸汽溫度：320 ℃
4 給水溫度：134 ℃
5 余熱煙氣量：340 000 Nm3/h
6 余熱煙氣進口溫度：350 ℃
7 設計煙氣出口溫度：220 ℃
SP 余熱鍋爐采用單鍋筒自然循環方式、露天立式布置，結構緊湊、占地小。煙氣從上向下分別橫向沖刷過熱器、五級蒸發器、省煤器，氣流方向與粉塵沉降方向一致。
圖2和圖3是AQC余熱鍋爐和SP余熱鍋爐T-Q圖
3.3.3 補汽凝汽式汽輪機
其型號為：BN6.5-1.5/0.35。是為滿足水泥行業5000 t/d熟料生產線雙壓余熱發電而設計的低參數汽輪機，適合水泥廠及其它具有中低溫廢熱資源單位使用。其主要參數為：
裝機功率：6.5 MW
額定轉速：3000r/min
進汽壓力：1.5 Mpa(a)
進汽溫度：300℃
進汽量：38 t/h
補汽壓力：0.35Mpa(a)
補汽溫度：155℃
補汽量： 4 t/h
排汽壓力：0.007 Mpa(a)
排汽溫度：39.02℃
汽輪機補汽缸采用漸縮蝸殼式結構，保證低壓蒸汽能均勻補進汽輪機，補進后能與主蒸汽均勻混合；末級葉片采用扭葉片，提高汽輪機后缸熱力性能和汽輪機的效率。對于補汽式汽輪機，在主蒸汽及補汽參數確定后，補汽點的選取和補汽結構的設計是關鍵。補汽點位置選取不當會造成蒸汽補不進去或補汽損失太大，在經過詳細的汽輪機通流部分計算，兼顧額定工況、最大工況和變工況以及汽輪機的實際結構后，確定補汽點為第四壓力級后。
汽輪機高壓主蒸汽參數的確定：高壓主蒸汽壓力增加使蒸汽焓降有所增加，但同時壓力增加使進汽比容減小，由于高壓級葉片較短，損失增加；壓力增加也使排汽濕度增加，對末級葉片的安全性及經濟性不利。而且壓力增加也使系統耗功增加，所以汽輪機進汽壓力并非越高越好，經過優化后取汽輪機進汽壓力為1.5 MPa(a)。機組出力隨主蒸汽溫度的提高而明顯地增加，但它受余熱煙氣溫度的限制。考慮鍋爐投資同增加出力的關系取熱端溫差為25℃。同時考慮到沿途散熱及損失的影響，進汽輪機的主蒸汽溫度定為300℃。
汽輪機低壓補汽參數的確定：低壓補汽參數的選取從三個方面來考慮：(1) 最佳的經濟性，補汽壓力的確定要使汽輪機出力最大。 (2) 補汽溫度同主流溫度要匹配，補汽與主蒸汽溫差不宜太大，這是為了降低補汽口處缸體的熱應力。 (3) 補汽過熱度要求，補入蒸汽帶有濕度不利于機組安全運行，設計要求在任何工況下補汽的過熱度大于11 ℃。綜合以上情況選取補汽壓力為0. 35MPa (a) ，補汽溫度為155 ℃，過熱度為16℃。
3.4 調試、運行情況
遼源金剛水泥廠首次應用雙壓余熱發電系統進行余熱利用。經過5個多月時間的建設，于2006年9月27日一次并網發電成功。在水泥生產線熟料產量穩定在5000 t/d且不增加熱耗的條件下，噸熟料發電量達到37 kwh/t.cl以上，實際發電功率達到7726 kw，自用電量小于7％。窯頭AQC鍋爐排煙溫度在100℃以下。窯尾預熱器排煙溫度為220℃，在設計范圍之內。該余熱發電技術處于國內領先水平，并達到了國際先進水平。
以下為遼源金剛余熱發電的設計與實際運行情況對比表：
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項目
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設計參數
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運行參數
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優化后可以達到參數
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AQC煙氣參數
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流量(Nm3/h)
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180 000
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約150 000
|
220 000
|
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溫度(℃)
|
350
|
約360
|
380
|
|
|
SP煙氣參數
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流量(Nm3/h)
|
340 000
|
約340 000
|
340 000
|
|
溫度(℃)
|
350
|
350
|
350
|
|
|
AQC蒸汽參數
|
流量(t/h)
|
14(4)
|
18(3.8)
|
20(4)
|
|
溫度(℃)
|
320(165)
|
330(160)
|
350(180)
|
|
|
壓力(MPag)
|
1.6(0.35)
|
1.51(0.17)
|
1.6(0.35)
|
|
|
SP蒸汽參數
|
流量(t/h)
|
24
|
18.7
|
24
|
|
溫度(℃)
|
320
|
320
|
320
|
|
|
壓力(MPag)
|
1.6
|
1.54
|
1.6
|
|
|
發電量(kw)
|
6500
|
7726
|
>9000
|
|
|
汽耗(kg/kwh)
|
6.46
|
5.24
|
<5
|
|
|
噸熟料發電量kwh/t.cl
|
30
|
37
|
43
|
|
4 結論
雙壓余熱發電技術是一項成熟的技術，可適用于多種中、低溫余熱發電的專利技術，屬于國家發改委重點支持和推廣的節能項目。該技術能夠在成本投資較小的情況下，極大限度地利用溫度在200～400 ℃之間的低品位熱源，比同條件下的常規余熱發電系統能多發電10%左右。遼源金剛水泥廠余熱發電建成投產，并網發電一次成功，表明國內純低溫余熱發電技術有了重大突破，已經步入國際先進行列。整個余熱發電系統工程造價低、熱效率高、設備均為國產，具有很好社會效益和經濟效益可觀，符合我國能源政策的節能和環保的發展趨勢，有極大的推廣價值。
參考文獻:
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[2]劉志江.新型干法水泥技術.北京.中國建材工業出版社，2005.
[3] 遼源市金剛水泥廠純低溫余熱發電技改工程可行性研究報告
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