圖1：單壓系統(tǒng)熱力流程

 

    這個熱力系統(tǒng)的特點是汽輪機只設(shè)置一個進汽口，窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐只生產(chǎn)參數(shù)相同或相近的主蒸汽。那么考慮水泥窯廢氣余熱的調(diào)配及利用、余熱鍋爐的設(shè)計、電站熱力系統(tǒng)的配置等因素的唯一的目的，就是提高主蒸汽品質(zhì)及產(chǎn)量。主蒸汽品質(zhì)及產(chǎn)量在外部條件確定的情況下，完全決定了余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率。

 

      閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)就是在發(fā)電熱力系統(tǒng)配置中應(yīng)用了閃蒸機理，即：根據(jù)廢氣余熱品質(zhì)的不同而生產(chǎn)一定壓力的主蒸汽和及熱水，主蒸汽進入汽輪機高壓進汽口，而熱水經(jīng)過閃蒸，生產(chǎn)出低壓的飽和蒸汽，補入補汽式汽輪機的低壓進汽口，主蒸汽及低壓蒸汽在汽輪機內(nèi)作功，推動汽輪機轉(zhuǎn)動，共同生產(chǎn)電能。低壓蒸汽發(fā)生器內(nèi)的飽和水進入除氧器，與冷凝水一起經(jīng)除氧后由給水泵供給鍋爐。圖2、圖3為兩種含有一級閃蒸配置的發(fā)電系統(tǒng)。

圖2.一級閃蒸發(fā)電系統(tǒng)

（窯頭余熱鍋爐生產(chǎn)閃蒸熱水）

 

     上述兩種含有閃蒸配置的發(fā)電系統(tǒng)，是根據(jù)廢氣余熱的不同尤其是余熱鍋爐允許的排煙溫度的不同而進行設(shè)計的，圖2系統(tǒng)用于窯尾排煙溫度較高的情況；圖3系統(tǒng)是一種比較靈活的配置方式，窯頭和窯尾鍋爐汽水系統(tǒng)相對獨立，可以適應(yīng)窯尾廢氣不用于物料烘干或者物料烘干溫度可以降得很低的情況。

 

     雙壓技術(shù)是根據(jù)水泥窯廢氣余熱的品位的不同，余熱鍋爐分別生產(chǎn)較高壓力和較低壓力的兩路蒸汽。較高壓力的蒸汽作為主蒸汽進入汽輪機主進汽口推動汽輪機轉(zhuǎn)動作功發(fā)電。余熱鍋爐生產(chǎn)出較高壓力的蒸汽后，煙氣溫度降低，余熱品位下降，那么根據(jù)低溫?zé)煔獾钠肺?，再生產(chǎn)較低壓力的低壓進汽，進入汽輪機的低壓進汽口，輔助主蒸汽一起推動汽輪機作功發(fā)電。

 

根據(jù)水泥窯余熱條件，尤其是窯尾排煙溫度的限制，水泥窯純低溫余熱發(fā)電雙壓系統(tǒng)主要有以下兩種基本構(gòu)成方式，如圖4、圖5所示。

圖4 雙壓系統(tǒng)

圖5 雙壓系統(tǒng)

 

     以上圖4、圖5兩種系統(tǒng)是相對簡化的雙壓熱力系統(tǒng)，圖4系統(tǒng)用在窯尾排煙溫度高（即后續(xù)物料烘干溫度高）的情況。圖5是在圖4系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴展的熱力系統(tǒng)，圖5系統(tǒng)中，窯尾余熱鍋爐的排煙溫度可以降得很低。

 

以某廠為例，某廠水泥窯熟料設(shè)計產(chǎn)量為5000t/d，實際運行產(chǎn)量為5800t/d，其余熱條件如下：

窯尾進口廢氣量：  389000Nm³/h

窯尾進口廢氣溫度：325℃

窯尾出口廢氣溫度：200℃

窯頭冷卻機中部取風(fēng)廢氣量：  206250Nm³/h

窯頭進口廢氣溫度：360℃

根據(jù)上述廢氣余熱條件，根據(jù)天津院的余熱發(fā)電技術(shù)，三種熱力系統(tǒng)配置下，計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示：

注明：

a)         以上計算考慮了鍋爐本體2%的散熱。

b)        以上計算發(fā)電能力按汽輪機和發(fā)電機的整體效率80.5%考慮（按汽輪機和發(fā)電機設(shè)備廠家最新的數(shù)據(jù)計算），汽輪機排汽壓力、排汽溫度按0.00573MPa、35.5℃計算。

 

從以上計算數(shù)據(jù)表明：

(1)      排煙溫度：

窯頭余熱鍋爐：單壓系統(tǒng)最高，雙壓系統(tǒng)最低；

窯尾余熱鍋爐：單壓系統(tǒng)最高，且不能降得很低。

(2)      吸收熱量：雙壓系統(tǒng)高于閃蒸系統(tǒng)，閃蒸系統(tǒng)高于單壓系統(tǒng)。

(3)      發(fā)電量：雙壓系統(tǒng)高于閃蒸系統(tǒng)，閃蒸系統(tǒng)高于單壓系統(tǒng)。

(4)      發(fā)電效率：單壓系統(tǒng)高于雙壓系統(tǒng)，雙壓系統(tǒng)高于散蒸系統(tǒng)。

即：雙壓系統(tǒng)窯頭余熱鍋爐排煙溫度最低，因此它吸收了更多量的廢氣余熱，這是雙壓系統(tǒng)可能具有較高發(fā)電能力的主要原因之一。雖然單壓系統(tǒng)吸收的煙氣熱量少，但是它吸收了較高溫度的廢氣余熱，較高溫度的廢氣作功能力強于較低溫度的廢氣，因此單壓系統(tǒng)的發(fā)電量與其吸收的煙氣熱量比值最大，即效率最高。因此可以推測出，對于給定的廢氣余熱條件，要利用它首先生產(chǎn)盡可能多的主蒸汽，然后在利用生產(chǎn)主蒸汽不能完全被利用的低溫廢氣生產(chǎn)熱水或低壓蒸汽，作為主蒸汽發(fā)電的補充，來提高發(fā)電能力。

根據(jù)上面的理論以及筆者多年從事設(shè)計的經(jīng)驗推測，只要單壓系統(tǒng)能夠?qū)⒏G頭的廢氣溫度降低到85℃以下時（且窯尾物料烘干溫度較高時），就沒有必要采用閃蒸和雙壓系統(tǒng)

低溫廢氣的作功能力弱，因此閃蒸和雙壓熱力系統(tǒng)中，雖然余熱鍋爐的排煙溫度可降得很低，可盡可能的多利用低溫廢氣的余熱，但是這兩種熱力系統(tǒng)整體效率稍低。

另外，電站自用電方面，單壓最低。

以上計算結(jié)果僅僅是按某廠的余熱條件進行分析的結(jié)果，其結(jié)果僅僅是反映出發(fā)電量不同的一種大概趨勢。對于同樣的余熱條件下，個別廠的具體要求不同（比如窯尾生料磨型式不同、窯尾收塵器是電收塵或袋收塵、生料水分不同等因素導(dǎo)致烘干溫度不同），發(fā)電計算結(jié)果肯定會有更大的不同。對于上述某廠的廢氣余熱，如果窯尾排煙溫度分別為230℃和180℃時，具有的余熱發(fā)電能力見表2。

熱力系統(tǒng)配置	主蒸汽參數(shù) MPa-℃-t/h	閃蒸系統(tǒng)低壓蒸汽參數(shù)MPa-℃-t/h	雙壓系統(tǒng)低壓蒸汽參數(shù)MPa-℃-t/h	鍋爐實際 排煙溫度℃	發(fā)電功率(kW)	噸熟料發(fā)電量(kWh/t.cl)	說明
單壓-230	窯頭：1.35-345-17.16； 窯尾：1.35-305-22.79	——	——	窯頭：115 窯尾：230	8095	33.50
單壓-180	窯頭：1.35-345-17.16； 窯尾：1.35-305-28.87	——	——	窯頭：102 窯尾：205	9326	38.59	由于系統(tǒng)配置問題窯尾溫度不能降至180℃
閃蒸-230	窯頭：1.35-345-17.16； 窯尾：1.35-305-22.79	窯頭：0.137-108.7-3.20	——	窯頭：85 窯尾：230	8424	34.86
閃蒸-180	窯頭：1.35-345-17.16； 窯尾：1.35-305-28.87	窯頭：0.137-108.7-2.37； 窯尾：0.137-108.7-3.67	——	窯頭：80 窯尾：180	9947	41.16
雙壓-230	窯頭：1.35-345-17.16； 窯尾：1.35-305-21.24	——	窯頭：0.15-140-5.38；（汽機低壓進汽口參數(shù)下同）	窯頭：83 窯尾：230	8366	34.62
雙壓-180	窯頭：1.35-345-17.16； 窯尾：1.35-305-28.87	——	窯頭：0.15-140-4.20； 窯尾：0.15-140-4.06	窯頭：80 窯尾：180	10225	42.31

 

一般具體工程從技術(shù)角度考慮，選擇熱力系統(tǒng)主要從如下幾方面考慮：

5.1   系統(tǒng)的余熱情況

主要考慮水泥窯自身特點決定的煙氣量和煙氣溫度，以及煙氣用于物料烘干溫度的高低。對于已經(jīng)確定的余熱狀況，應(yīng)首先進行單壓系統(tǒng)的配置計算，如果單壓系統(tǒng)能夠滿足最大限度的利用余熱，就沒有多余的余熱去生產(chǎn)熱水或低壓蒸汽，就沒有必要去考慮雙壓、閃蒸以及采暖等方案了。如河北某企業(yè)，窯尾配置四級預(yù)熱器，它的廢氣參數(shù)如下：

窯頭熟料冷卻機中間取風(fēng)口廢氣參數(shù)為：90000m³/h(標(biāo)況)－360℃：

窯尾預(yù)熱器出口廢氣參數(shù)：226000m³/h(標(biāo)況)－390℃，考慮后續(xù)物料烘干，窯尾鍋爐出口廢氣溫度不應(yīng)低于220℃

單壓熱力系統(tǒng)配置計算結(jié)果見表3

                                          表3

該廠窯頭廢氣量偏低，從表中可以看出，按單壓熱力系統(tǒng)配置，主蒸汽壓力無論是1.35MPa還是1.5MPa，均能把窯頭廢氣溫度降到80℃，以及把窯尾廢氣溫度降低到滿足物料烘干必須的220℃。對于這種參數(shù)的廢氣，如果強制進行閃蒸或雙壓配置，則必須以減少主蒸汽產(chǎn)量為代價，得不償失。

5.2 系統(tǒng)是否能最大限度的回收廢氣的余熱

如果按單壓配置后，窯尾和窯頭仍有多余的低溫廢氣的熱量沒有被利用完，原則上還應(yīng)采取閃蒸或雙壓系統(tǒng)進行進一步的利用。

5.3 系統(tǒng)是否簡捷，是否便于操作、運行、管理、維修，以及配置的員工的數(shù)量

單壓系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)構(gòu)成簡單，設(shè)備數(shù)量少，便于操作、運行、管理和維修，同時配置的員工的數(shù)量少。大部分水泥企業(yè)對發(fā)電了解都不多，因此配置單壓系統(tǒng)，可減少電站管理和運行的難度。

5.4 系統(tǒng)是否能最大限度的適應(yīng)水泥窯的波動

單壓和閃蒸系統(tǒng)對水泥窯的波動適應(yīng)能力較強，雙壓系統(tǒng)稍差。

5.5 是否希望余熱電站能夠供應(yīng)廠區(qū)的全部或部分范圍內(nèi)的采暖

對于閃蒸系統(tǒng)，在北方地區(qū)，冬季可以用余熱鍋爐生產(chǎn)的熱水進行廠區(qū)內(nèi)全部或部分面積的采暖，夏季可以用余熱鍋爐生產(chǎn)的熱水進行閃蒸，閃蒸出的低壓蒸汽用于發(fā)電。

5.6 廠區(qū)發(fā)電廠房的布置位置等

電站主廠房與水泥窯的距離會增加雙壓系統(tǒng)中低壓蒸汽的輸送損失。也會增加用于輸送大量閃蒸用熱水的給水泵的功率。

 

①.   天津院作為水泥行業(yè)余熱回收利用及發(fā)電的領(lǐng)跑者，具有單壓、閃蒸和雙壓的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，并且使用單位廣，技術(shù)成熟可靠。

②.   利用天津院的技術(shù)，單壓系統(tǒng)具有約33~38kWh/t.cl的余熱發(fā)電能力，閃蒸系統(tǒng)具有約34~40kWh/t.cl的余熱發(fā)電能力，雙壓系統(tǒng)具有約34~42kWh/t.cl的余熱發(fā)電能力，

③.   對于不同的廢氣余熱參數(shù)，要進行具體熱力系統(tǒng)配置并計算，通過比較才能確定出最合適的熱力系統(tǒng)方案。

④.   雙壓和閃蒸系統(tǒng)，因為利用了更多低溫段的廢氣余熱，即可以把廢氣溫度降得更低，因此具有較高的發(fā)電能力。但是當(dāng)水泥生產(chǎn)不允許廢氣溫度降得很低時，或者單壓熱力系統(tǒng)配置及計算時，已經(jīng)能把廢氣溫度降得很低時，就不能勉強采用閃蒸和雙壓系統(tǒng)。