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    预分解窑余热发电系统配置的合理性探讨及技术方案
    作者:文柏鸣 曹华    加入时间:2009/5/18    点击数:5916

         按国家的产业发展政策和相关设计规范,新型干法窑系统废气余热要进行回收利用,鼓励采用纯低温废气余热发电。在水泥生产过程中将排出的废气余热用于发电已成为水泥工厂设计中重要的环节。怎样将余热发电系统与水泥生产系统进行合理组合,优选设计方案,最大限度地回收热量是设计追求的目标,也是生产企业十分关注的问题。本文就预分解窑余热发电系统配置的合理性进行探讨,并对我院的技术方案进行介绍。 

    1 水泥生产系统与余热发电系统配置的合理性 

    1.1 水泥生产系统的规模与生产能力水泥生产系统的规模应该是整个生产线的生产能力,但在水泥行业实际生产中往往超过生产规模、提高生产能力的情况是很普遍的,而生产能力的变化又直接影响到废气参数,这就引出了余热发电系统的匹配问题。表面看是同规模的生产线,其生产能力可能不相同,其中可能会受到原燃料、海拔高度、设备选型等诸多因素的影响。在配置余热发电系统时应根据具体情况进行设计才能取得好的效果,而不是某一生产规模就必须达到多少发电量,这只是一种大致的配置,而不是绝对的。也不是达不到多少发电量就是技术落后,超过了多少就是技术先进,这种说法既不科学、也不全面。 

    1.2 水泥生产过程的波动性水泥生产过程的正常波动,余热发电系统也是可以适应的,但较大的无规律性的波动对余热发电系统很不利,如煤磨需要从窑头篦冷机抽风用于烘干时,煤磨的运转不会与窑系统运转完全同步,必然存在煤磨抽风时和不抽风时供余热发电的气体量与气体温度的变化。从理论分析来看,如果余热发电系统不与水泥生产系统争风争热时,要保持系统的平衡,对 2 500~ 5 000 t/d规模的余热发电系统供风会有16 000~ 35 000 Nm3/ h 的风量差和 10 ℃左右的温差。余热发电系统必须要有应对这种波动的措施,而且发电量也会有所变化。在设计余热发电系统时,应将这种波动的参数详细提供给锅炉和汽轮机的制造商,并在系统设计时采取相应的调整措施。但在实际生产运行过程中,系统平衡也不是绝对的,实际操作也很难控制得恰倒好处。为了保持系统稳定,余热发电系统完全有可能存在与水泥系统争热的问题,因此,最好让煤磨使用窑尾余热锅炉出口的废气作为烘干热源,从源头上消除这种波动。  

    1.3窑头蓖冷机的抽风口位置
        从热量平衡的角度分析,如果篦冷机抽风口靠冷端,相对温度低、气量大;抽风口靠热端,相对温度高,气量也小一些。按理论计算,在余热发电系统不与水泥生产系统争热的前提下,从发电量看,气量低、温度高的废气发电量大于气量大、温度低的废气发电量。所以用于余热发电的篦冷机抽风口应向热端靠近更为有利,可布置在一般煤磨抽风口的位置或靠近煤磨抽风口的位置,而常规的冷端抽风口只作为余热发电系统停运时的排气通道。如果在篦冷机上设很多个抽风口同时抽气用于余热发电,会使系统很复杂,会增加投资、增加漏风点、增加工艺布置和操作的难度;实际运行中,水泥生产系统也会产生波动,分段抽风的控制很难把握,容易加大与水泥系统争热的概率。

    1.4余热发电系统与水泥生产系统的热量平衡    
    余热发电系统是否与水泥生产系统争热的问题一直存在着一些争议,首先是考核机制不明确,是否争热应以什么原则为标准,只有在考核原则明确的前提下才能界定是否存在争热的问题。但在工业生产中要保证绝对不争热,理论上是可以的,实际做起来会很难,只能是将这种情况控制在一定指标范围之内即可认为是合理的。    
    将水泥生产系统的热耗和发电量联系在一起进行衡量应该是必要的,但水泥熟料的热耗是以单位熟料指标定义的,这里存在两个问题:一是设计规范对热耗指标的要求都是一个范围,如2000
    4000t/d.4 OOO t/d及以上等,并没有对生产规模进行细分,如果要细分,热耗指标是有差异的;二是生产规模与实际生产能力是有差异的,这个问题在前面已经讨论过。因此,除了熟料热耗外,还应该考虑水泥生产系统的实际生产能力,单位热耗指标会因实际生产能力的不同而不同。此外,生产能力相同,使用的燃料不同也会使熟料热耗发生变化。所以要制定一个统一的标准有很大难度,具体项目要具体分析,不能—概而论。    
    具体对某一个项目而言,要衡量余热发电系统  配置是否合理,除了余热发电系统本身的效率外,  还应看其与水泥生产系统的匹配是否合理,应该将  水泥系统实际生产能力、熟料热耗、发电量联系在  一起进行考核。比如,在余热发电系统没有投入运  行时考核水泥生产系统,这时的实际生产能力与熟  料热耗有一对应指标,同时还有一个长期运行指标,  如连续运转一个月的平均指标;然后投入余热发电  系统之后,生产能力、热耗、发电量也有一个对应  指标,也同样连续运转一个月,可得到月平均指标。
     这时将未投运余热发电系统与投运余热发电系统的  指标进行对比,就基本可看出余热发电系统是否与  水泥系统争热。当然,余热发电系统本身的因素也  会影响发电量,如锅炉的效率、汽轮机的效率、系  统综合效率都应作为发电量指标的考虑因素。  

    1.5尽量充分利用废热    
    多数水泥厂排出的废热都来自窑系统,单独设  烘干系统的比较少,窑系统的废热排出点主要还是  窑尾预热器出口和冷却机出口,设备表层的散热如果要回收,其技术上可行,但投入与收益是不相称的,重点还是应该考虑将废气中的热充分回收利用。    
    余热锅炉的废气进气温度是水泥生产系统决定的,窑尾锅炉的排气温度要考虑原燃料烘干所需要的热量,其排气温度一般都在200℃以上,从热源上没有更多可挖掘的余地。而窑头锅炉的排气经处理后排空,已不再使用,其热量应考虑充分回收,当然温度尽量低些更好,但又必须受到一些条件的约束和限制。

    1.5.1露点温度  
    如果仅看露点温度,窑头锅炉的排气温度应高于露点温度10~20℃即可,若气体中含硫,会对设备产生腐蚀,因此,应以酸露点温度为准,但在窑头篦冷机废气中基本可以不考虑S03的含量,主要以水露点温度为准,气体的露点温度见表1。   
    1.5.2节点温差    
    在确定锅炉排气温度时还不能只考虑气体的露点温度,还需要考虑余热锅炉中蒸发器入口处废气的温度与选定压力下的饱和水温度之间的差值(称为节点温差),随着节点温差的减小,锅炉的排气温度也会相应地减小,这将有利于提高锅炉的热效率,但同时也增大了锅炉的换热面积和阻力损失,相应增加锅炉的投资费用。此外,选定压力越高,饱和水温度也越高,同样影响到节点温差。显然,节点温差是不能为零的,否则锅炉的换热面积将增为无穷大,这也是不现实的。因此节点温差应有一个合理的值,这也可以解释单压系统的排气温度总是高于相应双压系统的排气温度。由于锅炉的排气温度与投资费用相矛盾,设计需要寻求其最佳点,并作为选型依据,这也是进行系统优化需要做的工作。

    1.5.3系统差异   
    当分别采用单压、双压、闪蒸系统时,热回收率不同,当然双压系统的热回收率高一些,。同时投资也增加,操作维护的难度都加大,选择时需要综合考虑,不仅仅是只考虑多回收热量。从计算比较来看,双压系统比单压系统发电量增加大约1.5%~1.9%,机组热效率增加约1.7%。在常规发电系统中三压系统比双压系统机组热效率增加约O.6%,可更多地回收热量,而在纯低温余热发电系统中废气温度低,不适合采用三压系统,且经济性也不佳,采用双压系统已经足够了。闪蒸系统的热回收率则处于单压与双压系统之间,但投资较省,其经济性有一定优势。    

    1.6对系统合理配置的建议    
    在配置余热发电系统时,不能简单将水泥生产系统的规模作为余热发电系统配置的条件,其生产能力要考虑实际增产幅度和相应的热耗指标,如果不能预期生产能力增长幅度,建议按正常生产规模富余10%考虑。    
    在窑头篦冷机抽风点处,以不影响窑系统正常使用、不与水泥生产系统争热量的情况下,应提高抽气的温度,若保持热平衡不变,抽气量会减少,发电量会增加。即篦冷机的抽风点应尽可能向热端移动,可靠近煤磨抽风点或共用煤磨抽风口。在考虑系统布置时,尽量使煤磨烘干的热源从窑尾锅炉出口抽取。   
     选择余热发电系统时,应结合热量回收率、经济性、操作维护的难度综合考虑,特别是系统中窑头锅炉的省煤器布置有多种组合方案,且可考虑带除氧的布置,对热量的充分回收会有不同的效果。    
    充分与锅炉和汽轮机的设备制造商进行技术沟通,平衡不同行业之间的差异,也是优化系统参数,保证系统可靠运行的前提。

    2技术方案

    2.1热力系统方案

    2.1.1单压系统    
    单压系统的窑尾锅炉排气需要提供给水泥生产系统作为烘干用热源,因此排气温度不能太低,故窑尾锅炉只设蒸发器和过热器,蒸发器给水由窑头锅炉的省煤器加热后供给。窑头锅炉排气温度要保证在系统中不结露和节点温差合理的前提下尽可能低,故窑头锅炉由省煤器、蒸发器、过热器组成,省煤器加热后的热水同时作为窑尾和窑头蒸发器的给水。窑头窑尾锅炉同时生产一种压力的过热蒸汽,混合后进入汽轮机,汽轮机排气经凝汽器凝结成水由凝结水泵输送到除氧器,除氧后再由给水泵加压送回窑头锅炉的省煤器重新循环。  
    该系统主机包括两台余热锅炉、一套凝汽式汽轮发电机组。  
    (1)SP余热锅炉:在窑尾设置SP余热锅炉,利用预热器C。筒出口废气作为热源,锅炉仅设置蒸汽段,生产1.35 MPa、约3 1 O~320℃的过热蒸汽,与窑头AQC余热锅炉生产的过热蒸汽混合后送入汽轮发电机组,出SP余热锅炉废气温度降到200~220℃,供生料粉磨或煤磨烘干使用。   
     (2).AQC余热锅炉:在窑头设置AQC余热锅炉,利用篦式冷却机中部抽取的废气(约360~380℃)作为热源,余热锅炉分为蒸汽段和热水段运行:蒸汽段生产1.35 MPa、340~360℃的过热蒸汽,与窑尾SP余热锅炉生产的过热蒸汽混合后送人汽轮发电机组;热水段生产的170~185℃热水作为AQC余热锅炉蒸汽段及SP佘热锅炉的给水,出AQC锅炉废气温度降至100℃左右。    
    (3)汽轮发电机组:配置凝汽式汽轮机组一套。    
    整个工艺流程是将40℃左右的化学水经过除氧器除氧,由锅炉给水泵加压进入AQC锅炉省煤器,将水加热成170℃左右的热水。加热后的水分成两部分,一部分进入AQC锅炉锅筒,另一部分进入SP锅炉锅筒,然后依次经过各自锅炉的蒸发器、过热器产生1.35 MPa、340℃和1.35]VIPa、3 10℃的过热蒸汽,汇合后进人汽轮发电机组做功,作功后的乏汽进入凝汽器,冷凝水和补充化学水经除氧器除氧再进行下一个热力循环。SP锅炉出口废气温度在220℃左右,用于烘干生料或煤。

    2.1.2双压系统    
    双压系统的窑尾锅炉排气需要提供给水泥生产系统作为烘干用热源,因此排气温度不能太低,故窑尾锅炉只设蒸发器和过热器,蒸发器给水由窑头锅炉的高压省煤器加热后供给。窑头锅炉排气温度要保证在系统中不结露和节点温差合理的前提下尽可能低。为了加大热利用率,窑头锅炉分为两段,分别由高压省煤器、蒸发器、过热器和低压省煤器、蒸发器、过热器组成,高压省煤器加热后的热水同时作为窑尾蒸发器和窑头高压蒸发器的给水。窑头低压省煤器加热后的热水供窑头低压蒸发器使用,窑尾锅炉及窑头锅炉高压过热器同时生产一种压力的过热蒸汽,混合后进人汽轮机人口段。窑头低压过热器生产压力较低的过热蒸汽,并单独进入汽轮机的中段。汽轮机的排气经凝汽器凝结成水由凝结水泵输送到除氧器,除氧后一部分水由高压给水泵加压送回窑头锅炉的高压省煤器重新循环,另一部分水由低压给水泵加压送回窑头锅炉的低压省煤器重新循环。   
     该系统主机包括两台余热锅炉、一套补汽式汽轮发电机组。   
     (1)SP余热锅炉:在窑尾设置SP余热锅炉,利用预热器C。筒出口废气作为热源,锅炉仅设置蒸汽段,生产1.6]
    lPa、3 10~320℃的过热蒸汽,与窑头AQC余热锅炉生产的过热蒸汽混合后送入汽轮发电机组,出SP余热锅炉废气温度降到200~220℃,供生料粉磨和煤磨烘干使用。    
    (2)AQC余热锅炉:在窑头设置AQC双压余热锅炉,利用篦式冷却机中部抽取的废气(约360~380℃)作为热源,余热锅炉分为高压蒸汽段、低压蒸汽段和热水段运行:高压蒸汽段生产1.6/VIPa、340~360℃的过热蒸汽,与窑尾SP余热锅炉生产的过热蒸汽混合后送入汽轮发电机组;低压蒸汽段生产0.35 1VIPa、1 85℃的过热蒸汽,热水段生产的145℃热水作为AQC余热锅炉蒸汽段及SP余热锅炉的给水,出AQC锅炉废气温度降至90℃左右。   
     (3)汽轮发电机组:配置补汽式汽轮机组一套。    
    整个工艺流程是将40℃左右的化学水经过除氧器除氧,由锅炉给水泵加压进入AQC锅炉省煤器,将水加热成145℃左右的热水。加热后的水分成两部分,一部分进入AQC锅炉锅筒,另一部分进入S‘P锅炉锅筒,然后依次经过各自锅炉的蒸发器、过热器产生1.6 1VIPa、340℃,0.35 MPa、1 85℃,1.6]VIPa、3 10℃的过热蒸汽,1.6 MPa的过热蒸汽汇合后作为主蒸汽进入汽轮发电机组做功,0.35 MPa、185℃的过热蒸汽作为补汽进入汽轮发电机组做功,作功后的乏汽进入凝汽器,冷凝水和补充化学水经除氧器除氧再进行下一个热力循环。SP锅炉出口废气温度在220℃左右,用于烘干生料或煤。

    2.1.3分析    
    (1)双压系统窑尾锅炉的蒸发量比单压系统低,因为受窑头锅炉低压蒸汽段的限制,给水温度不能过高,为了保证窑尾锅炉出口废气温度220℃,只能降低窑尾锅炉的蒸发量。    
    (2)双压系统窑头锅炉出口废气温度比单压系统低,因此窑头锅炉的蒸发量要高些。    
    (3)正如前文所述,双压系统比单压系统发电量略高。但是双压系统比较复杂,而且低压补汽受窑头波动影响比较大。因此,最好能够结合水泥企业的实际生产状况考虑,如果水泥生产中窑头工况波动小,推荐采用双压系统,以保证较高的发电量,节约能源;如果水泥生产中窑头工况波动大,推荐采用单压系统,以保证系统安全可靠。

    2.2除氧系统方案

    2.2.1真空除氧    
    真空除氧器是一种使水在真空下低温沸腾,脱除水中的氧气、氮气、二氧化碳等气体的设备。一般在30~60℃温度下进行??墒迪炙娴臀伦刺鲁?在60℃或常温),对热力锅炉和负荷波动大而热力除氧效果不佳的蒸汽锅炉,均可用真空除氧而获得满意除氧效果。
    真空除氧能利用低品位余热,可用射气抽汽器加热软化水,又能分级及低位安装,除氧可靠,运行稳定,操作简单,适应性强。当负荷在40%~120%范围内变化时,除氧效果都能达标。对于低压蒸汽锅炉,其给水含氧量≤0.05吼即可符合要求,真空除氧器能满足要求。

    2.2.2热力除氧    
    热力除氧的工作原理即利用蒸汽对水进行加热,使水达到一定压力下的饱和温度,即沸点。这时除氧器的空间充满着水蒸汽,而氧气的分压力逐渐降低为零,溶解于水的氧气将全部逸出,以保证给水含氧量合格,同时还能去除其他的气体。低参数的小型电站采用的是大气式除氧器,工作压力0.02 MPa,工作温度104℃,给水含氧量≤0.015吼。合理设计的热力系统,在余热电站中使用热力除氧器的同时,可以使AQC锅炉出口的废气温度≤100℃,余热利用效率还有所提高。

    2.2.3化学除氧    
    化学除氧是利用容易和氧发生化学反应的一些药剂,使之与水中溶解氧化合而达到除氧目的?;С跄芄怀沟壮ニ腥苎?,但不能除去其他气体。现在常用的化学药剂是联氨(N2H),它不仅能除氧,还可提高给水的pH值,同时还可在管道内表面形成一层?;つ?。

    2.2.4分析    
    (1)从除氧效果来说,热力除氧好些;但是对于低压蒸汽锅炉,真空除氧的出水含氧量也可以满足运行要求;化学除氧理论上能够彻底除去水中溶氧,但是要消耗药剂,后期运行费用上升。 
    (2)真空除氧是负压、常温状态运行,而热力除氧是正压、高温状态运行,化学除氧则是常压常温状态运行。真空除氧和化学除氧相对安全些,但是热力除氧在火电行业经过多年的检验,只要正确使用,安全性是毋庸置疑的(3)热力除氧运行中没有机械部件,只有水和蒸汽换热,需要消耗蒸汽,导致发电量有所减少。真空除氧和化学除氧的辅助设备都需要电机带动,增加了耗电量和出故障的机率。    
    (4)大气式除氧器工作温度104℃,真空除氧和化学除氧的工作温度30~60℃,较低的工作温度更有利于锅炉给水泵的正常运行。  
    (5)综合考虑,几种除氧方式各有利弊,如果锅炉厂家要求给水质量达到《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量标准》,则推荐采用化学除氧;如果锅炉厂家只要求给水质量达到《工业锅炉水质标准》,则推荐采用真空除氧;如果企业对发电行业的管理和运行比较熟悉,则推荐采用热力除氧。.

    3结束语    
    经过不断的努力,我院已具备了提供各种规模水泥厂余热发电系统的能力,在预分解窑余热利用方面实现了水泥生产系统与余热发电系统的科学合理的配置,并结合具体工程条件将优选的设计方案成功地运用到了3 000t/d和5 000t/d熟料水泥生产线上。

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