水泥低溫廢熱（余熱）回收綜合利用與開發
2007-04-26 00:00
水泥廠的余熱按水泥工藝分為中高溫余熱和低溫余熱兩種，中高溫余熱是中空回轉窯（國內尚存幾條生產線）窯尾排出的廢氣，大約有850℃。低溫余熱是從干法預熱器窯窯尾SP窯排出的攜帶生料粉的廢氣，還有窯頭冷卻機（篦冷機）AQC窯排出的攜帶熟料粉的廢氣。國內對SP窯的廢氣取熱溫度（入鍋爐溫度）約在3 30℃左 右， AQC窯的廢氣取熱溫度（入鍋爐溫度）約在350℃至380℃之間。國外對AQC窯廢氣的取熱溫度（入鍋爐溫度）是310℃左右，其煙氣量遠大于國內同等窯型冷卻機的廢氣量。
為使水泥廠的余熱利用效果達到最佳狀態，盡量使窯頭AQC鍋爐的排煙溫度降到最低，采用閃蒸技術，部分給水用閃蒸器多級閃蒸產生低壓蒸汽，供汽輪機補汽用。同時，其中另一部分給水加熱后供SP鍋爐和AQC鍋爐。
閃蒸器產生的底壓蒸汽，用來汽輪機低壓段補汽的方法來回收低溫余熱，并提高余熱利用效率，提高噸熟料水泥的發電量。同時，汽輪機低壓段補汽的方式，對汽輪機的穩定運行和安全起到了關鍵作用。國外對這種低壓段補汽的汽輪機研制中發現，研制高效的閃蒸器并多級閃蒸產生低壓蒸汽補汽時，鍋爐負荷的變化對汽輪機的影響比較小的同時，汽輪機的運行也比較穩定。
目前，一些水泥廠和設計院作5級分解窯水泥企業的總體熱平衡計算后布置熱力系統時，取消或不設閃蒸系統。還有為了提高窯頭AQC鍋爐的蒸汽品位，篦冷機上的抽氣孔向前移動（窯頭燃燒器用的高溫熱風量不受影響前提下），使入鍋爐的廢氣瘟度提高至380℃，生產出滿足（不帶補汽的）汽輪機供汽要求的低壓微過熱蒸汽。這樣以來，降低了總的熱效率，降低了余熱利用率。
經調查和研究，4—5級預分解窰的SP爐和AQC爐的工作壓力根據工廠的具體情況選擇不同的工作壓力，熱力系統中的閃蒸水量根據總的熱平衡來確定。總之，SP爐的排煙溫度約210—220℃之間，AQC爐的排煙溫度約100℃以下。
從AQC鍋爐加熱水段加熱的熱水（接近飽和水）進入閃蒸器后，經多級（兩級或叁級）擴容閃蒸出一定量的低壓飽和蒸氣，進入汽輪機相應的進汽口作功發電。一般情況下低壓鍋爐的給水是經除氧器除氧后的除氧水，水溫為104℃，窄點溫度取20℃-25℃，相應的煙溫為124℃，排煙溫度將會超過124℃以上。閃蒸器內的飽和水（進行除氧處理）與汽輪機的冷凝水混合后由給水泵供給鍋爐，這時的給水水溫為40℃至70℃之間，當窄點溫度取20℃-25℃，相應的排煙溫度至少能達到105℃以下。這比常規的鍋爐多利用了100 ℃至124℃之間的熱量，煙氣焓相當于7．5Kacl/Nm3。
某水泥廠入AQC鍋爐的煙溫為380℃，按常規布置，包括SP爐的給水，AQC鍋爐加熱段進口水溫為45℃到70℃，出口水溫接近于鍋爐的工作壓力下的飽和溫度時，AQC鍋爐的煙氣溫度為130℃左右。這時，煙氣側的放熱量為76Kacl/Nm3。當用閃蒸系統時，排煙溫度為100℃左右，多吸收了7．5Kacl/Nm3,約占吸收熱量的10﹪，相對提高了總的余熱利用效率。
我公司為某水泥廠設計的HG-33000-AQC鍋爐是為窯外分解窯低溫余熱發電工程設計的余熱鍋爐。該鍋爐布置在窯外分解窯的窯頭位置，窯頭部分用來冷卻水泥熟料的空氣經熱交換達到380℃后進入AQC鍋爐的進口，流經過熱器，對流管束，省煤器，熱水段，煙溫降到100度之后，經窯頭除塵器除塵后排入大氣中。
該鍋爐屬于單鍋筒自然循環立式鍋爐，被加熱的工質分為兩部分，一部分經省煤器后進入鍋筒經下降管入對流管束，在這里被加熱后的汽水混合物引入鍋筒，汽水分離后的飽和蒸汽入過熱器后過熱至350 ℃的微過熱蒸汽，此段循環為自然循環。
另一部分給水水溫為56（70）℃凝結水（來自凝結水泵）經鍋爐的熱水段，工質在熱水段中加熱至210度—220℃、`2．6MPa未飽和水，一部分水進入蒸發段的省煤器中，一部分進入系統的閃蒸器中。
這種鍋爐的技術參數如下：
額定蒸發量 D t/h 15．5
額定工作壓力 P MPa 2．45
額定蒸汽溫度 te ℃ 350
給水溫度 tg ℃ 56—71
熱水段（省煤段通水量）Q t/h 35—45．8
這時，從熱水段出來的熱水一部分進入鍋爐的蒸發段，另-一部分熱水進入系統中的閃蒸器里。熱水段的給水量為35t-/h、鍋爐的出水溫度為220℃、排煙溫度約為105℃。閃蒸汽按三級閃蒸布置時，一級閃蒸段的工作壓力為1．25MPa、蒸汽溫度為190℃，其閃蒸蒸汽量為2，3t/h，二級閃蒸段的工作壓力為0.7MPa、蒸汽溫度為169℃，其閃蒸蒸汽量為1．2t/h，三級閃蒸段的工作壓力為0．5MPa、蒸汽溫度為151℃，其閃蒸蒸汽量為0，9t/h，總的蒸汽量為4．4t/h，占總蒸發量的14％以上。將這低壓蒸氣供汽輪發電機發電，多發10％以上的電，提高了余熱利用效率的同時，對汽輪發電機的穩定運行起到了關鍵作用。因為窯外分解窯的工況是波動的，蒸汽產量也是波動的，這對汽輪發電機的運行產生不同程度的影響。采用低壓段補汽的汽輪發電機從根本上解決了汽輪機的運行不穩定的問題。這種汽輪機不同于常規技術參數的汽輪機，從結構上采取特殊型式，如設冷凝水槽等結構，保證了汽輪機的穩定運行。
根據國外資料介紹，水泥廢熱回收發電技術的利用針對不同水泥生產工藝產生的廢熱條件及參數確定窯頭AQC鍋爐的工作參數和窯尾SP鍋爐的工作參數，窯尾SP鍋爐的排煙溫度同時還要滿足水泥生料烘干的需要。國內水泥廠的窯尾SP爐的排煙溫度一般采用220℃左右，國外水泥廠的窯尾SP爐的排煙溫度一般在245℃—290℃之間。國外水泥廠的窯頭AQC鍋爐的入口廢氣溫度一般采用200—300℃，排煙溫度一般采用110℃以下。
國內水泥廠熟料冷卻用篦冷機大多數采用空氣冷卻方式，其結構基本上成型固定，篦冷機前端冷卻熟料換熱的高溫廢氣（空氣）引入到煅燒水泥生料的窯頭燃燒器中，提高燃燒用熱風溫度，從而提高了燃燒效率，減少了熱損失，相當于降低了煅燒水泥的熱耗，余下的大部分換熱后低溫熱空氣（廢氣）引入到窯頭AQC鍋爐中，這時的廢氣溫度為200—300℃。 莫些水泥廠為了提高AQC鍋爐的蒸汽品位，提高入AQC鍋爐的煙氣溫度，將抽氣孔的置移至篦冷機的中前部，影響和減少了篦冷機前端的高溫廢氣（空氣）量，降低了窯頭燃燒器的熱效率，反而水泥熟料的單位熱耗增加了。
據國外資料介紹，進入窯頭AQC鍋爐的廢氣是經沉降室或旋風分離器分離粉塵后的含塵量較低的廢氣。這不僅改善了廢氣的條件，而且創造了AQC鍋爐的受熱面采用擴展受熱面—翅片管的條件，大大減小了鍋爐的體積布置足夠的換熱面積，保證AQC鍋爐的排煙溫度足夠低。在篦冷機和AQC鍋爐之間設置旋風分離器使進入鍋爐的廢氣的含塵濃度降到10g/Nm3左右，保證AQC鍋爐的穩定運行。為保證篦冷機的冷卻熟料效果，篦冷機上的抽廢氣孔的位置沒有任何改動（移動），這說明入AQC鍋爐的廢氣溫度只有200—300℃的原因。
節能中長期專項規劃中對主要產品能耗指標規定，水泥綜合能耗2005年度為159千克標準煤/噸，到2010年將達到148千克標準煤/噸，到2020年將達到129千克標準煤/噸，這時，水泥分解窯的窯尾排出的廢氣溫度將進一步降低，水泥廢氣回收利用方式和方法會發生變化。水泥低溫廢氣回收或發電或供熱（供暖熱水鍋爐）和制冷，或根據水泥廠的具體條件設補燃鍋爐，作補燃鍋爐的給水進行加熱等。
發達國家水泥低溫廢熱回收發電裝備早在上世紀80年代開始安裝了帶有2—3級閃蒸器的熱力系統的發電系統，有些國家的水泥窯窯尾的排煙溫度低于270℃，低溫廢熱回收利用方式方法不僅僅是發電的方式了。上世紀70年代末80年代初水泥廢熱回收發電技術在發達國家中已經推廣應用，當時的噸熟料發電量為31KWh（平均值），這一技術現在本國內已經停止開發和使用了。只有少數外國公司在中國國內推銷水泥低溫廢熱回收發電技術和裝備。
我公司為某水泥廠1000t/d窯外分解窯設計制造了HG-F3200-SP鍋爐，其設計參數如下：
入鍋爐煙氣量 V Nm 3 /d 78000
入鍋爐煙氣溫度 T ℃ 320
排煙溫度 T’’ ℃ 100
保熱系數 Φ - 0．978
鍋爐效率 η ％ 65
回水溫度 t’ ℃ 80
出水溫度 t″ ℃ 140
工作壓力 Pe MPa 1．6
鍋爐排污 Pw ％ 1．5
循環水量 Q t/h 101．05
熱功率 N MW 7．14
這一鍋爐安裝投入使用以后，水泥廠取消了供暖及生活用工業用鍋爐8-9臺。即節省了工業用煤，又保護了環境，保證了工廠及職工生活區的供暖需要。這一技改措施不僅得到了當地政府部門的表彰，成了環境保護的先進單位，也成了行業內的節能和環境保護的先進單位。
總之，水泥廠的水泥低溫余熱回收綜合利用不能僅限于發電方式，應考慮其它的方式，如考慮廠區的供暖，制冷，小型電站或熱電聯供鍋爐的給水的加熱等其它形式。目前，水泥廠的節能采用低溫余熱回收發電方式時，應考慮水泥的綜合能耗達到最小的前提下提高發電量。在不影響水泥生產的前提下，所配置熱力系統是先進的，不僅僅是鍋爐，應包括閃蒸器及汽輪發電機，這樣，才能提高總的余熱回收熱效率，降低噸熟料的能耗。或者根據水泥廠地域和條件因地制宜考慮供暖等其它方式。
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