開發(fā)干法水泥生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電新技術(shù)
關(guān)鍵詞:干法水泥 余熱發(fā)電 產(chǎn)學(xué)研
一、前言
中信重型機械公司作為大型干法水泥成套設(shè)備生產(chǎn)的龍頭企業(yè),積極適應(yīng)國家產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向,經(jīng)過幾年來持續(xù)研究和攻關(guān),開發(fā)出了水泥熟料干法生產(chǎn)線的純低溫余熱發(fā)電雙壓技術(shù),通過了國內(nèi)行業(yè)專家論證,已投入市場。為水泥行業(yè)走向循環(huán)經(jīng)濟提供了一項新技術(shù),開辟了新途徑,受到了水泥行業(yè)的廣泛歡迎。
目前,中信重機已先后與十余家水泥生產(chǎn)企業(yè)簽訂了合同或意向,其中,為吉林遼源金剛水泥廠承建的純低溫余熱發(fā)電工程已經(jīng)投產(chǎn)、為廣東塔牌水泥集團承建的純低溫余熱發(fā)電工程正在緊鑼密鼓地施工,預(yù)計今年底年將投產(chǎn)。國外一些知名水泥企業(yè)對此也表現(xiàn)出極大關(guān)注,正在和中信重機公司進行洽談。中信重型機械公司開發(fā)、推廣純低溫余熱發(fā)電技術(shù)和裝備的實踐,展現(xiàn)了河南企業(yè)科技創(chuàng)新對工業(yè)節(jié)能降耗、清潔生產(chǎn)、提供資源綜合利用率的推動作用,是貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀,推行循環(huán)經(jīng)濟的具體實踐。
二、走產(chǎn)學(xué)研結(jié)合,開發(fā)干法水泥生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電新技術(shù)
1995年8月,我國從日本引進的第一套水泥廠純低溫余熱發(fā)電裝備在寧國水泥廠投入使用,該系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定、高效。引進的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)和設(shè)備,造價昂貴,為打破國外的技術(shù)壟斷,我公司將“水泥廠純低溫余熱發(fā)電技術(shù)研究(成套)”連續(xù)三年列為公司重點研發(fā)項目,進行科研攻關(guān),研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型水泥干法生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電工藝系統(tǒng),并開發(fā)研制出適合該工藝系統(tǒng)的的補汽凝汽式汽輪機。
為使水泥廠純低溫余熱發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化,我公司走產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合的路子,與西安交通大學(xué)進行合作,共同開發(fā)出補汽凝汽式汽輪機;與南京化工大學(xué)合作,進行水泥生產(chǎn)線廢氣余熱參數(shù)標(biāo)定的技術(shù)研究,能夠準(zhǔn)確測試水泥生產(chǎn)線的的廢氣參數(shù),為工程設(shè)計提供依據(jù)。
我公司的大型水泥干法生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電技術(shù)首先在吉林遼源金剛水泥廠2×5000t/d水泥生產(chǎn)線上投入應(yīng)用,該工程由我公司總承包,采用我公司獨有的雙壓技術(shù),目前該工程已經(jīng)投產(chǎn);由我公司總承包的廣東塔牌集團惠州龍門分公司2×5000t/d純低溫余熱電站工程目前也正在進行施工。我公司依托這兩個工程的具體實踐,不斷積累經(jīng)驗,進行科研開發(fā),努力完善純低溫余熱發(fā)電技術(shù),逐步開發(fā)完成2000t/d以上新型干法水泥生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電的系列化工作,使得該技術(shù)能得到大面積的推廣和應(yīng)用。
三、干法水泥生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化
1)余熱參數(shù)選取優(yōu)化
要研究余熱發(fā)電,首先必需確定水泥窯排放的廢氣參數(shù),從而進一步研究熱量利用方案。由于當(dāng)前國內(nèi)已運行的新型干法水泥生產(chǎn)線,生產(chǎn)工藝比較成熟,業(yè)主提供的參數(shù)多數(shù)是比較通用的設(shè)備選型數(shù)據(jù),不是正常運行參數(shù),而業(yè)主在生產(chǎn)正常運行時也很少對生產(chǎn)線進行熱工標(biāo)定。但對于各個具體項目,由于其所處的外部環(huán)境不同、所采用的原料燃料不同、操作制度不同等多種因素的影響,致使其排放的廢氣參數(shù)有諸多差異,而廢氣量、廢氣溫度、廢氣成分等參數(shù)又決定了余熱鍋爐的產(chǎn)汽量和發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。為了合理配置余熱鍋爐和發(fā)電系統(tǒng),使鍋爐和發(fā)電系統(tǒng)處于高效率的運行工況,必須對水泥生產(chǎn)線長期穩(wěn)定工況下的廢氣參數(shù)進行篩選驗證,和進行熱工標(biāo)定。
2)余熱鍋爐參數(shù)的優(yōu)化
要想多發(fā)電就應(yīng)盡量提高蒸汽初參數(shù),即提高過熱蒸汽溫度和過熱蒸汽壓力。但過熱蒸汽壓力、鍋筒壓力、飽和溫度三者密切相關(guān)。只有高于飽和溫度以上的區(qū)段其廢氣才可以加熱過熱蒸汽,因此產(chǎn)生過熱蒸汽的能力受到限制。
我公司與杭州鍋爐廠合作,根據(jù)用戶廢熱的不同情況和熱力系統(tǒng)特點,根據(jù)鍋爐設(shè)計技術(shù)特點,進行參數(shù)優(yōu)化,針對水泥窯余熱特點,優(yōu)選雙壓鍋爐,盡最大可能利用余熱。合理確定雙壓余熱鍋爐蒸汽參數(shù)、補汽參數(shù),充分利用廢氣余熱,提高系統(tǒng)的循環(huán)熱效率。
表1不同方案下系統(tǒng)各參數(shù)數(shù)值
方案 |
主蒸汽參數(shù) |
補汽蒸汽參數(shù) |
節(jié)點溫差 |
出口廢氣溫度 | ||||||
壓力 |
飽和溫度 |
過熱溫度 |
壓力 |
飽和溫度 |
過熱溫度 |
SP |
AQC | |||
|
MPa |
℃ |
℃ |
MPa |
℃ |
℃ |
℃ |
℃ |
℃ | |
單壓 |
1 |
2.5 |
224 |
325 |
|
—— |
—— |
15 |
220 |
120 |
2 |
1.7 |
205 |
325 |
—— |
—— |
—— |
15 |
220 |
112 | |
3 |
1.45 |
197 |
325 |
|
—— |
—— |
15 |
220 |
109 | |
4 |
1.0 |
171 |
325 |
—— |
—— |
—— |
15 |
220 |
103 | |
雙壓 |
1 |
2.5 |
224 |
325 |
0.45 |
148 |
165 |
15 |
220 |
90.5 |
2 |
1.7 |
205 |
325 |
0.45 |
148 |
165 |
15 |
220 |
91.5 | |
3 |
1.47 |
197 |
325 |
0.45 |
148 |
165 |
15 |
220 |
91.5 |
由表1可以看出,單壓技術(shù)中,AQC鍋爐廢氣排放溫度隨壓力的升高而升高,要想降低其排氣溫度,電站設(shè)計時應(yīng)降低主蒸汽參數(shù)壓力等級,而雙壓技術(shù)則可以在不降低壓力等級的情況下實現(xiàn)AQC鍋爐廢氣溫度的低點排放,從而提高余熱發(fā)電系統(tǒng)朗肯循環(huán)的效率。
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補汽式汽輪機的通流部分與常規(guī)汽輪機相比后缸排汽量大,即凝汽器負荷加大,末級排汽濕度大。
汽輪機進汽參數(shù)的選取要有利于機組內(nèi)效率,考慮末級排汽濕度對級效率的影響。滿足汽輪機末級排汽濕度的要求。
我公司補汽式汽輪機設(shè)計了漸縮蝸殼式補汽缸,很好地解決了補汽難的問題,并申請了專利。汽缸疏水、葉片水蝕等技術(shù)問題都得到了很好的解決。
4)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化
水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)和汽輪機的設(shè)計要達到兩個主要目標(biāo):①盡可能多的利用水泥窯余熱,即窯頭廢氣經(jīng)過余熱鍋爐后的溫度盡可能降低,一般要達到90~100℃。②在相同的廢氣熱量條件下發(fā)電功率最大。要滿足以上兩個條件,整個系統(tǒng)的熱平衡計算是關(guān)鍵。蒸汽壓力的選定要兼顧余熱利用效率和工質(zhì)循環(huán)效率的最佳綜合效果,達到壓力的優(yōu)化選擇。對于單壓系統(tǒng),隨著主蒸汽壓力的升高,其對應(yīng)的飽和溫度也升高,由于節(jié)點溫差的存在,鍋爐排煙溫度也升高,使其利用的熱量減少,主蒸汽產(chǎn)量減少;相反,隨著蒸汽壓力的降低,其對應(yīng)的飽和溫度也降低,鍋爐排煙溫度降低,其利用的熱量增多,主蒸汽產(chǎn)量會增加,如采用降低工質(zhì)工作壓力的辦法,可以獲得較低的排煙溫度,提高了蒸汽產(chǎn)量,但需要增加換熱面積,帶來投資的增加。但如果工質(zhì)壓力太低,因為等熵焓降顯著減少,造成工質(zhì)循環(huán)熱效率下,其單位發(fā)電能力減少,當(dāng)壓力降到一定值時,系統(tǒng)總的發(fā)電能力反而開始降低。
在雙壓技術(shù)中,可以在主蒸汽壓力較高的前提下,也就是在工質(zhì)循環(huán)熱效率較高的情況下,保證較低的排氣溫度。對于5000t/d水泥線余熱發(fā)電系統(tǒng),補汽可增加441~815kw的發(fā)電量,約占系統(tǒng)發(fā)電量的5.0~8.4%,按保守估計400kw/h,則一年可比單壓系統(tǒng)多發(fā)電約280萬kwh,電價按0.5元/kwh計算,年收益至少在140萬元,利用雙壓技術(shù)收益相當(dāng)可觀。
5)水泥連接系統(tǒng)優(yōu)化
與杭州鍋爐廠合作,設(shè)置兩臺不同參數(shù)余熱鍋爐,保證能夠充分利用余熱資源。由于水泥線工藝布置較緊湊,現(xiàn)場空地不多,而窯尾SP鍋爐又采用立式鍋爐,綜合以上因素考慮,將窯尾SP爐布置在窯尾預(yù)熱器后的高溫風(fēng)機之上。由于出冷卻機的余氣溫度大約300℃左右,為提高主蒸汽品質(zhì),需對冷卻機進行改造,可從冷卻機中部(原煤磨抽風(fēng)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分別引向AQC鍋爐和煤磨。原余風(fēng)管路系統(tǒng)可做為鍋爐的旁通煙道,當(dāng)鍋爐故障或水泥生產(chǎn)不正常時可關(guān)閉去AQC鍋爐的閥門,氣流可不經(jīng)鍋爐而由此旁路系統(tǒng)直接排至窯頭收塵器。在冷卻機原余風(fēng)管路上、新設(shè)的去鍋爐管路上和出鍋爐管路上均增設(shè)電動百葉閥門,以實現(xiàn)對氣流的控制和切換。
四、我公司干法水泥生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電雙壓系統(tǒng)主要熱力參數(shù)
至2005年,我公司雙壓補汽型純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用情況見下表:
序號 |
水泥廠 |
水泥廠規(guī)模 |
裝機容量 |
1 |
吉林遼源金剛 |
5000t/d五級預(yù)熱器 |
7500kW |
2 |
廣東塔牌水泥 |
5000t/d五級預(yù)熱器 |
7500kW |
以一套5000t/d干法線純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)(雙壓補汽)為例:
序號 |
技術(shù)名稱 |
單位 |
指標(biāo) |
1 |
裝機容量 |
MW |
7.5 |
2 |
平均發(fā)電功率 |
MW |
7 |
3 |
年運轉(zhuǎn)小時 |
h |
7000 |
4 |
年發(fā)電量 |
104kWh |
4900 |
5 |
年供電量 |
104kWh |
4802 |
6 |
電站自用電率 |
% |
8 |
7 |
噸熟料余熱發(fā)電量 |
kWh/t·cl |
33.6 |
8 |
全站勞動定員 |
人 |
15 |
9 |
發(fā)電成本 |
元/kWh |
約0.13 |
根據(jù)水泥系統(tǒng)工藝的不同,對于目前先進工藝的5000t/d水泥線,還可以配置9MW的發(fā)電系統(tǒng)。
序號 |
技術(shù)名稱 |
單位 |
指標(biāo) |
1 |
裝機容量 |
MW |
9000 |
2 |
平均發(fā)電功率 |
kW |
8500 |
3 |
年運轉(zhuǎn)小時 |
h |
7000 |
4 |
年發(fā)電量 |
104kWh |
5950 |
5 |
年供電量 |
104kWh |
5475 |
6 |
電站自用電率 |
% |
8 |
7 |
噸熟料余熱發(fā)電量 |
kWh/t·cl |
43.2 |
8 |
全站勞動定員 |
人 |
15 |
9 |
供電成本 |
元/kWh |
約0.10 |
按大火電煤耗計算,年節(jié)約2萬噸標(biāo)煤以上。減少了二氧化硫的排放,每年少向大氣排放二氧化碳5萬多噸。
五、結(jié)論
1.產(chǎn)學(xué)研結(jié)合是進行新技術(shù)開發(fā)的很好的途徑。我公司開發(fā)干法水泥線純低溫余熱發(fā)電新技術(shù)是產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的典型。
2.對于純低溫余熱電站工程,熱力系統(tǒng)方案的選擇很重要。單壓、復(fù)合閃蒸、雙壓系統(tǒng)要合理選擇,單壓系統(tǒng)較為簡單,但發(fā)電量低,復(fù)合閃蒸系統(tǒng)汽輪機排汽濕度大,目前需要進口主機設(shè)備,價格昂貴,相對而言,雙壓系統(tǒng)綜合來看,比較合理,既能多發(fā)電,國產(chǎn)設(shè)備又能保證,每千瓦投資也較為經(jīng)濟。
3.熱力系統(tǒng)中熱力參數(shù)的選擇同樣重要,它對于提高純低溫余熱電站的經(jīng)濟性、提高水泥生產(chǎn)線余熱利用效率也有著重要影響,對于水泥生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電主蒸汽壓力,相對單壓系統(tǒng),降低壓力參數(shù)能提高系統(tǒng)總發(fā)電能力,但到某一點,再降低壓力,發(fā)電能力反而降低。對于雙壓和復(fù)合閃蒸系統(tǒng)在保證較低的排汽溫度情況下,應(yīng)選擇較高的主蒸汽壓力,以提高系統(tǒng)朗肯循環(huán)的效率,增加發(fā)電量。主蒸汽溫度參數(shù)應(yīng)盡可能高,考慮熱端溫差,一般以低于廢氣溫度10~30℃為宜??梢姶_定壓力參數(shù)要進行綜合技術(shù)經(jīng)濟分析,從中選取最合理的主蒸汽參數(shù)。
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