几种水泥窑纯低温余热发电技术发电能力及存在问题的比较分析

摘要：本文对目前我国新型干法水泥窑纯低温余热发电几种热力循环系统、循环参数、废气取热方式的特点及发电能力、存在的主要问题进行了研究、分析、比较，其分析、研究、比较过程及结论，在我国水泥工业工艺及装备技术得以迅速发展、数百条日产数千吨级大型干法水泥熟料生产线陆续投产的情况下，对水泥生产企业建设余热电站的决策及水泥窑纯低温余热发电技术、装备的发展有指导意义。
主题词：  水泥工业  低温  余热发电  发电能力  

1、前言
    近年来，随着我国水泥工业工艺及装备技术得以迅速发展，数百条数千吨级新型干法水泥熟料生产线（简称水泥窑）的陆续投产，为水泥窑纯低温余热发电技术及装备的推广应用创造了市场条件。在这个背景条件下，目前国内具有水泥窑余热发电工程设计、技术开发能力的数家单位，以利用日本KHI技术及设备建设的安徽宁国水泥厂、广西柳州水泥厂纯低温余热电站为蓝本，推出了几种水泥窑纯低温余热发电的热力循环系统并已在上海万安企业1400t/d预分解窑、江西万年2000t/d预分解窑上实际应用。考虑目前国内陆续投产的大型水泥窑技术及装备的变化并结合国内火力发电设备设计制造现状，对水泥工业纯低温余热发电应采用的热力循环系统、循环参数及废气取热方式进行深入的研究分析从而进一步提高我国纯低温余热发电技术及装备水平、充分合理利用余热尽而提高余热发电能力是非常必要的。
2、目前国内已普遍采用的几种热力循环系统、循环参数及废气取热方式的特点及存在的主要问题
    目前水泥窑纯低温余热发电技术中热力循环系统的构成、循环参数及熟料冷却机、窑尾预热器废气取热方式有如下三种（笔者称为普遍型水泥窑纯低温余热发电技术）：
其一：不补汽式纯低温余热发电热力循环系统、循环参数及废气取热方式，见图1。
其二：复合闪蒸补汽式纯低温余热发电热力循环系统、循环参数及废气取热方式，见图2。
其三：多压补汽式纯低温余热发电热力循环系统、循环参数及废气取热方式，见图3。

 2.1 上述热力循环系统、循环参数及废气取热方式的主要特点：
    (1)仅在水泥窑窑头熟料冷却机中部设一个抽取冷却机废气的抽废气口，根据水泥窑规模的不同，抽取的废气温度在250～400℃范围内。利用抽取的废气设置窑头熟料冷却机余热锅炉（简称AQC炉），AQC炉生产0.8～1.6Mpa—饱和温度～360℃的蒸汽或同时生产0.1～0.5Mpa—饱和温度至180℃的低压低温蒸汽、85～200℃的热水。
    (2)仅利用水泥窑窑尾预热器排出的250～400℃废气余热设置窑尾预热器余热锅炉（简称SP炉或PH炉），SP炉生产0.8～1.6Mpa—饱和温度至360℃的蒸汽。
    (3)将AQC炉、SP炉生产的0.8～1.6MPa蒸汽及AQC炉生产的0.1～0.5Mpa蒸汽或AQC炉生产的85～200℃热水经闪蒸器生产出的0.1～0.5MPa蒸汽通入汽轮机再由汽轮机带动发电机发电。
2.2 上述热力循环系统、循环参数及废气取热方式存在的主要问题
    (1)窑头熟料冷却机自冷却机入料端（热端）至出料端（冷端），在不影响水泥窑熟料热耗及水泥窑生产的条件下，冷却机可排掉的废气温度是自热端起的600℃以线性关系逐渐下降至冷料端的55℃。因此，若仅在冷却机中部抽取废气，则是将热端的中高温废气与冷端低温废气混合后形成了250℃～400℃废气。由于废气温度的限制，AQC炉仅能生产低压低温蒸汽及热水。这种抽取废气的取热方式没有遵循热量应根据其温度进行梯级利用的原理。
    (2)窑尾预热器系统中，在不影响水泥窑熟料热耗及水泥窑生产的条件下，可利用的废气余热有两部分：第一部分为预热器系统最终排出的（即C1级旋风筒出口）250～400℃废气；第二部分为C2级旋风筒内筒至C1级旋风筒入口的450～600℃废气中水泥生产允许的20～25℃温度降所含有的废气热量。由于没有利用第二部分废气热量，加之第一部分预热器系统最终排出的废气温度限制，SP炉同样只能生产低压低温蒸汽。
    (3)上述两个因素使前述的水泥窑纯中低温余热发电技术：其一，余热只能生产低压低温蒸汽；其二，热力循环系统只能采用低压低温参数；其三，水泥窑生产系统中窑头熟料冷却机及窑尾预热器可用于发电的部分400～600℃中高温废气没有得到有效利用；其四，前述的三个因素，使在不增加水泥熟料热耗的条件下，水泥窑废气余热发电能力未能得到充分发挥，即余热发电量不能达到应该达到的水平。
2.3普通型纯低温余热发电技术的应用情况
   至2005年，普遍型纯低温余热发电技术的应用情况见下表：

3.提高型水泥窑纯低温余热发电技术
    针对水泥窑可用于发电的废气余热量及废气温度分布，遵循“指导构成水泥窑纯中低温余热发电热力循环系统、确定循环参数、提高发电能力的四个基本原则”（见笔者发表于《水泥》杂志2005年第4期的《水泥窑纯中低温余热发电存在的问题》及第5期的《提高水泥窑纯低温余热发电能力的途径》），在同时提高汽轮机进汽压力和温度以合理梯级利用水泥窑废气温度的条件下，笔者于2005年3月提出了三种提高型水泥窑纯中低温余热发电热力循环系统、循环参数及废气取热方式，分别见图4、图5、图6（见笔者发表于《中国水泥》杂志2005年第5期的“提高水泥窑纯低温余热发电的措施”一文）。

3.1上述热力循环系统、循环参数及废气取热方式的主要特点
    (1)改变抽取窑头熟料冷却机废气方式，即在靠冷却机进料端(热端)设置一抽取400～600℃废气的抽废气口，同时在冷却机中部设置抽取250～400℃废气的抽废气口。根据废气温度利用AQC炉生产1.6～3.82Mpa次中压或中压饱和温度至450℃的过热蒸汽也可同时生产0.1～0.5Mpa饱和温度至180℃的低压低温蒸汽、85～200℃热水。
   (2)在利用窑尾预热器系统最终（C1级旋风筒出口）排出的250～400℃废气的同时，利用C2级旋风筒内筒至C1级旋风筒入口的450～600℃废气水泥生产所允许的20～25℃温度降所含有的废气热量，通过SP炉生产1.6～3.82Mpa次中压或中压饱和温度至450℃的过热蒸汽。
3.2 上述提高型水泥窑纯中低温余热发电技术能够取得的效果：
    前述两个特点使笔者提出的提高型水泥窑纯中低温余热发电热力循环系统及废气取热方式：在不影响水泥熟料热耗及水泥窑生产的条件下：其一，余热可以同时生产次中压或中压饱和温度至450℃的过热蒸汽、0.1～0.5Mpa饱和温度至180℃的低压低温蒸汽、85～200℃热水；其二，热力循环系统可以采用次中压中温或中压中温参数，提高了热力循环系统效率；其三，充分利用了水泥窑不同废气温度的余热，并按废气余热温度分布实现了热量应根据其温度进行梯级利用的原理；其四，前述的三个因素，提高型水泥窑纯中低温余热发电热力循环系统、循环参数及废气取热方式使水泥窑废气余热按其质量最大限度地转换为了电能，从而使余热发电能力比目前普遍采用的普通型水泥窑纯中低温余热发电技术得以大幅提高。
4、提高型水泥窑纯低温余热发电技术的应用情况
    笔者所在单位承担的水泥窑纯低温余热发电工程普遍采用的是提高型水泥窑纯低温余热发电技术，其有如下两类情况：1、采用图4所示的提高型不补汽式纯中低温余热发电技术。笔者所在单位采用图4所示系统，在浙江省湖州市兴宝龙建材有限公司1500t/d新型干法水泥生产线上建设了装机容量为3.0MW的纯低温余热电站，该电站作为实验性项目，目前已进入设备安装阶段。2、笔者所在单位承担的其它余热发电工程：浙江省杜山集团有限公司2500t/d新型干法窑4.5MW、山东昌乐水泥有限公司2500t/d新型干法窑3.3MW（汽轮机为NK3.0-2.4/385旧机组）、山东创新水泥有限公司2500t/d新型干法窑4.5MW、山东潍坊水泥有限公司2500t/d新型干法窑4.5MW、山东山水水泥有限公司1800t/d+2000t/d新型干法窑7.5MW纯低温余热电站采用的为图7所示提高型多压补汽式纯中低温余热发电技术，前述工程将分别于2006年7月、8月、9月、10月、11月陆续投入生产运行。

   笔者所在单位目前在做设计的其它水泥生产企业3200t/d级、5000t/d级新型干法窑纯低温余热电站同样采用图7所示的纯余热发电技术，当浙江省湖州兴宝龙建材有限公司3.0MW实验型余热电站投入生产运行并积累相应经验后，笔者所在单位将着力推广图4、图5、图6所示余热发电技术。
6、结语
    本文对我国目前新型干法水泥窑废气余热取热方式、纯低温余热发电热力循环系统的特点、发电能力及存在的问题进行了分析、比较和研究，根据笔者多年从事水泥窑余热发电技术及装备的研究、开发、设计、调试、运行管理和从事水泥窑热工设计、平衡分析工作所积累的经验，认为提高型水泥窑纯中低温余热发电热力循环系统、循环参数及废气取热方式将使我国纯中低温余热发电技术达到一个新的水平，从而使我国水泥窑纯中低温余热发电能力提高16.6%~55%以上，是我国水泥窑纯中低温余热发电技术及装备的发展方向。