大型干法水泥生产线纯低温余热发电技术介绍

一、概述
　　我国经济正处于一个高速发展时期，能源消耗也出现大幅度上升，由于发展比例失调，煤、电、油、交通运输等方面的制约，缺电和电价居高不下的局面，在今后相当长的一段时间还会继续存在,能源特别是电力不足，已经严重制约了我国经济的发展。为保证国民经济持续、快速、健康发展，就必须合理、有效地利用能源，不断地提高能源利用率。纯低温余热发电符合国家产业政策,可以实现循环经济、资源综合利用、节约能源的目的,有利于企业清洁生产、降低成本、可持续发展,具有很强的行业示范作用。 
1. 早在1996年国务院就制定并出台了一系列开展资源综合利用的政策，必须节约和合理利用现有的各种资源，千方百计减少资源的占用和消耗。
2. 为贯彻落实《国务院批转国家经贸委等部门关于进一步开展资源综合利用意见的通知》（国发【1996】36号）等文件的精神，国家经贸委于2000年7月下发了－－关于印发《资源综合利用电厂（机组）认定管理办法》的通知，该办法适用于全国所有的资源综合利用电厂（机组）。
3. 国家发改委于２００３年底出台《产业结构调整指导目录（征求意见稿）》，进一步明确国家支持加快发展新型干法水泥。新型干法水泥，将是今后政府鼓励投资的项目。
4. 国家发改委《资源综合利用目录（2003年修订）》24条：利用工业余热、余压生产电力。 
5. 沿海经济发达同时能源极为短缺的地区，今年4月再次抬高了水泥行业准入门槛，明确今后不再新建日产4000吨以下的水泥项目，以提高资源和能源的利用效率。对于已上马的日产2000吨及以上新型干法水泥企业，则鼓励其发展余热发电，推进能源的综合利用。
6. 国家发改委正在制订的《“十一五”节能中长期专项规划》中也把余热余压利用（尤其是水泥工业）作为十项重点发展的技术之一。
7. 余热发电是符合国家关于节约资源、保护环境及可持续发展的方针政策的。国家规定，对于容量大于1000千瓦的余热电站，应该无条件上网并给予优惠上网电价。
随着经济的高速发展、资源的减少、市场竞争的进一步加剧以及低温余热发电技术的日益成熟，高效、节能、环保的纯低温余热发电技术项目，将越来越受到人们的高度重视。
目前，我国水泥行业已有部分厂家利用余热发电技术，建设资源综合利用电站。但大部分采用了带补燃锅炉的余热发电技术,仍需燃煤,系统较复杂,效率低。随着资源的逐步减少和人们节能环保意识的提高，以及国家对高耗能小火电的限制，人们开始利用余热资源，特别是低品位的低温余热资源也开始被重视。安徽海螺集团宁国水泥厂引进日本的纯低温余热发电设备应用于4000t/d水泥熟料生产线，1998年并网发电一次成功，系统运行情况良好。

二、纯低温余热发电技术现状
　　众所周知，在水泥、钢铁、建材、化工、陶瓷等工业企业内有大量的每天24小时向外排放的低于400°C的中低温烟气、废蒸汽、废热水等余热资源。它们携带的能量属于中、低温余热。如果不加以利用，则大量的余热资源就要白白的浪费掉。
　　目前，对于如上所述的生产线余热资源的利用大致有两种方式：一种是直接利用其热能供生产或生活需要，其利用率非常低；另一种是利用生产线余热资源将其转换成使用方便输送灵活的电能，可供选择的水泥窑余热发电技术大约有以下几种：
1）带补燃锅炉的余热发电技术。由于使用了补燃锅炉，整个系统比一个小型的火力发电厂还要复杂，运行起来还要麻烦,小型的火力发电厂效率低，污染大，浪费资源。国家已经明令不得再建小型的火力发电厂。因此，为了利用低品位的余热而附加上一个小型的火力发电厂是不合理的。
2）不带补燃锅炉的纯低温余热发电技术。由于没有补燃锅炉，不对环境产生附加污染,蒸汽参数较低，其运行操作简单方便，运行的可靠性和安全性高。但所用的汽轮机必须专门设计和制造。设计时要全面权衡系统各部分的得失，采用最合理的热力系统和最先进的热能工程技术，尽可能地降低投资、提高效率和发电量,对用户最有利,运行成本最低，日常的运行管理最简单。
3）使用低沸点工质的工业余热发电技术。
4）全流循环低温余热发电技术。   
　　1995年国家计委和建材局与日本新能源技术综合开发机构签订了引进日本川崎重工株式会社一套先进成熟的中低温余热发电技术和设备的议定书，该系统应用于安徽海螺集团宁国水泥厂4000t/d水泥孰料生产线，发电装机容量6480KW。该项目 大部分设备在国内制造，于1998年并网发电一次成功。单位熟料发电量达36.5 KWh/t。

三、中信重型机械公司的纯低温余热发电技术
　　中信重型机械公司是国内最大的重型机械制造企业之一，公司下属的洛阳矿山机械工程设计研究院是国家级企业技术中心，洛阳重工矿山机械设计工程院具有甲级设计资质，具备水泥、冶金、环保、发电等工程项目工程设计、产品设计、设备制造、安装调试的总承包能力。公司下属洛阳发电设备厂是国内最早生产低温余热汽轮机的中小型汽轮机的厂家，主要从事中小型汽轮机的研制和生产。
　　中信重型机械公司作为大型干法水泥成套设备生产的龙头企业，密切关注着新型干法水泥生产线废气余热情况，公司技术中心致力于开发纯低温余热发电技术，通过对国内引进设备的深入研究，结合已经掌握的余热发电的核心技术和设备设计技术，研制出了适合纯低温余热发电项目的补汽凝汽式汽轮机，开发出了针对大型水泥干法生产线的纯低温余热发电技术，其设备全部国产化，单位熟料发电量达到国际先进水平,废气温度降到经济合理范围内,系统最优化, 热效率较高,工程造价低,系统运行可靠, 具有较强的行业示范作用。
　　公司技术中心始终关注着余热发电的最新技术动态，追踪着该技术的发展方向，并将通过不断的工程实践，努力完善纯低温余热发电技术，提高该技术的适用性、稳定性和经济性，使得该技术在中低温余热发电方面得到大面积的推广和应用。
1. 核心技术:
1) 优化热力系统参数，针对水泥窑余热特点,选用双压锅炉,尽可能利用余热,同时考虑汽机效率,提高系统热效率。
2) 优化系统配置, 设置两台不同参数余热锅炉，保证能够充分利用余热资源。特别是采用补汽凝汽式汽轮机，充分利用废气余热，同时提高汽轮机内效率，进一步提高单位熟料发电量，以适应新型干法窑废气排放温度不断降低的要求。
3）对现有AQC进行改造。系统采用先进的DCS集散控制系统。设置烟气、汽机旁路,基本上不干扰原来的水泥工艺生产线的稳定生产。
　　该技术通过国内行业专家论证，属国内首创，技术可靠，适合中国国情。该技术已经申报国家专利。系统全部采用国产设备，在价格上的优势非常明显，只相当于进口设备造价的50％，市场前景非常广阔。
2.工艺流程:
　　大型干法水泥生产线纯低温余热发电设备系统，在窑头设置双压余热锅炉,全部承担公共加热功能和生成全部低压蒸汽，同时生成部分高压蒸汽,采用立式自然循环，膜式受热面，带有两个汽包；烟气管路自上而下通过锅炉，先后经过布置在锅炉内部的高压过热器、高压蒸发器，低压过热器、低压蒸发器和公共加热器；窑头余热锅炉前设置了相应的自然沉降除灰装置；窑头锅炉的传热管为螺旋翅片管。
　　在窑尾设置主要承担生成高压蒸汽的窑尾余热锅炉,采用立式自然循环，膜式受热面，带有一个汽包，烟气在锅炉换热管外流动，自上而下通过锅炉；窑尾锅炉的传热管为蛇形管；还设置有机械振打除尘装置。对预热器烟气系统进行改造。原预热器排出高温烟气，一部分经过喷水减温后，再引入部分冷风，混合后成为225℃左右的烟气进入原料磨烘干原料，另一部分烟气则直接排放掉；现将高温烟气直接引入窑尾余热锅炉，利用窑尾余热锅炉吸收其热量后，降为225℃左右的烟气进入原料磨烘干原料，然后通过除尘器进行除尘，最后通过烟囱排放。
　　两台余热锅炉所生成的高压主蒸汽经混合后通过主管道进入补汽凝汽式汽轮机，低压蒸汽经补汽管道补入汽轮机；汽轮机尾部乏汽进入凝汽器，凝结水通过凝结水泵和管道进入真空除氧器，在除氧器内经除氧后的水通过锅炉给水泵进入锅炉；水泥生产线窑尾预热器产生的废气经改造后的管路引入窑尾余热锅炉，换热后的废气经管路进入原料磨，再经收尘器从烟囱排出；冷却水泥熟料产生热空气的窑头箆冷机的抽风口由尾部前移，350℃左右的废气经篦冷机中部的抽气口，由抽气管路进入窑头余热锅炉，换热后的约95℃的烟气进入除尘器，通过烟囱排入大气。
　　窑尾余热锅炉和窑头余热锅炉产生的过热蒸汽通过进汽速关阀进入汽轮机；窑头双压余热锅炉产生的低压蒸汽则通过汽轮机的补汽口送入汽轮机；蒸汽在汽轮机内进行能量转换，汽轮机拖动发电机进行发电；做功后的乏汽进入凝汽器，凝结水则通过轴封加热器进入真空除氧器，然后通过给水泵送入窑头双压余热锅炉；窑头余热锅炉产生的大部分主蒸汽和窑尾余热锅炉产生的部分主蒸汽与低压蒸汽分别从不同部位进入汽轮机；窑头余热锅炉、窑尾余热锅炉排污水通过排污管道分别进入定排扩容器及连排扩容器，定排扩容器及连排扩容器内污水进入降温池。
　　汽轮机尾部乏汽经冷凝器冷却后变为冷凝水，经轴封加热器加热成约56℃的给水经给水泵进入窑头锅炉，给水先后经过公共加热器、低压蒸发器、低压过热器、高压蒸发器、高压过热器,与烟气进行逆向对流换热；给水在公共加热器被加热成为饱和热水后，分成三路经管路分别进入窑头锅炉低压汽包，窑头锅炉高压汽包和窑尾锅炉加热器；进入窑头低压锅炉汽包的饱和水经过低压蒸发器、低压过热器后被加热成低压过热蒸汽；进入窑头高压锅炉汽包的饱和水经过高压蒸发器、高压过热器后变成高压过热蒸汽；进入窑尾锅炉加热器的饱和水经过窑尾锅炉内部的加热器、蒸发器与过热器与烟气进行逆向对流换热后被加热成高压过热蒸汽；两台锅炉的高压过热蒸汽经管路混合后进入汽轮机主汽门；窑头锅炉产生的低压过热蒸汽进入汽轮机补汽口。
3．技术特点：
　　由于采用了双压锅炉，可以降低锅炉排气温度，从而提高锅炉效率，如果低压蒸汽参数提高，则可以提高汽轮机功率，但锅炉排烟温度则相应提高，余热利用率降低；如果低压蒸汽参数低，则吸收热量多，蒸汽量大，进入汽轮机后，发电量增加，余热利用率增加，锅炉排烟温度相应降低；但进入汽轮机后，对汽轮机的体积和末级叶片的要求会进一步提高，另外凝汽器的循环水量就要增大，从而增加厂用电量。因此需根据设备配置，优化系统参数设计，从而选择最佳参数。
　　窑尾余热锅炉的结构特点：①窑尾余热锅炉带汽包，设蒸发器和过热器，烟气在管外流动，受热面为蛇形光管，并用特定的技术保证锅炉管束免受烟气颗粒的冲刷、磨损及腐蚀，以防止高速高温含尘气体对对流管束的韧性、强度、耐磨性造成影响；②设置机械振打装置来解决废气的粉尘附着问题；③锅炉受热面布置合理。
窑头余热锅炉的结构特点：（1）. 用特定的技术保证锅炉管束免受烟气颗粒的冲刷、磨损及腐蚀，以防止高速高温含尘气体对对流管束的韧性、强度、耐磨性造成影响；，保证锅炉的换热效率；（2）. 合理布置锅炉受热面，使排烟温度降至95°C左右；（3）. 在窑头余热锅炉中，由于废气粉尘为熟料颗粒，粘附性不强，除尘方式采用自然沉降；另外为增大换热面积，强化换热效果，窑头余热锅炉的传热管设计为螺旋翅片管。
采用补汽凝汽式汽轮机。根据系统特点，进行参数优化，合理确定双压余热锅炉蒸汽参数、汽轮机主蒸汽及补汽参数，从而合理设计汽轮机的结构及补汽点；其调节系统采用电液调节，自动化程度高；汽轮机转速采用3000r/min，不用减速机，减少故障点。由于在汽轮机上采用了补汽式结构，可以使低压蒸汽甚至是饱和蒸汽进入汽轮机做功，从而提高汽轮机的发电量。
　　除氧则是采用真空除氧系统。由于采用了真空除氧系统，降低了锅炉给水温度，从而降低余热锅炉排烟温度，合理利用了不同品位的热量，提高了锅炉效率。
　　由于优化了系统配置，提高了系统的效率，整个系统的发电效率在22％左右；
　　由于不设置补燃锅炉且利用废烟气发电，降低了热污染和水泥生产企业的生产成本，以5000t/d干法水泥生产线配套建设纯低温余热发电项目为例，相当于每年少烧1.5万多吨标煤，少向大气中排放4万多吨二氧化碳等气体，利于环境保护，同时提高了企业的竞争力。
　　由于设置烟气、汽轮机旁路系统,即使在锅炉或汽轮机发生故障时，也可做到基本上不干扰原来的水泥工艺生产线的稳定生产。
　　新型干法水泥窑配套余热发电装置，充分利用了水泥生产过程中产生的大量废气余热进行发电回收，余热回收过程中对水泥生产过程基本没有影响。该余热发电系统全部采用国产设备，设备投资低，具有很好的推广价值。公司8月份已经和浙江三狮集团及吉林辽源签订了工程总承包合同;其它的水泥生产企业，也已经和公司达成了合作意向。
4．中信重型机械公司干法水泥生产线纯余热发电方案
4.1主要设计原则:  电站设计遵循“稳定可靠，技术先进，降低能耗，节约投资”的原则，结合目前国内外同行业的技术发展的水平，积极采用先进技术和工艺，节能降耗，加强环境保护，保证其装备水平为国内纯低温余热发电项目先进水平。
具体指导思想如下：1).采用成熟稳定、实用可靠的工艺流程和设备，技术装备水平达到国内先进水平。2).设备原则上采用国产设备，但部分关键控制设备和仪表考虑国内采购的国外技术产品（含组装、原装），降低发电成本和基建投入。3). 本着节约投资，确保系统设备简洁可靠、方便检修维护的原则，合理配置热力发电机组设备、系统。4).贯彻执行国家能源、环保等方面的法律、法规和标准，因地制宜、讲求实效。5).充分利用原厂现有设施，力求简化系统与布置,降低工程造价。
热力系统具体方案详见附图“系统工艺流程图”。采用国内先进的DCS集散控制系统。

4.2主要设备方案：
补汽冷凝式汽轮机及发电机其进汽压力，新蒸汽温度等参数都需根据具体系统参数而定，目的是避免汽轮机叶片的水蚀及提高汽轮机的效率。选用中信重型机械公司洛阳发电设备厂开发研究制造的补汽式低温余热汽轮机,性能可靠。
余热锅炉选用杭州锅炉集团有限公司的产品，杭锅是专业生产余热锅炉的著名公司，其产品享誉全国各地。
4．3实施计划： 根据不同类型余热所采取的不同技术设备方案，进行电站选址方案设计及传输管网和锅炉布设方案设计，低参数汽轮机工程设计，土建工程设计，整个发配电系统的方案设计和工程施工方案设计。其具体工程实施方案需根据某个具体电站来定。工程建设期需大约13个月完成。

四、环境影响评价
　　用煤发电，每发一度电就要向环境排放出1公斤多的二氧化碳等温室气体, 5000t/d水泥窑纯低温余热发电技术降低了热污染，相当于每年少烧2万多吨煤,每年少向大气排放二氧化碳4万多吨。同时降低了进除尘器的废气温度，使除尘效果更好，降低和减少余热直接排向空中所引起的对环境的污染,可以更利于环境保护。
1.  影响环境因素分析：主要是在冷却水系统，循环利用，完全能控制和避免对环境产生任何不利影响,本项目不产生固体废弃物。汽轮发电机组运行时噪音源主要来自各种设备。各主要噪音源的噪音水平<90分贝。
2.劳动安全和工业卫生 应采取安全措施和实施劳动保护以保障从业人员生命安全,压力容器的防爆措施, 防电伤。
3.项目定员  电站（车间）管理：3人（厂长：1人、 总工1人、安全1人 每班运行人员2人共4个班，总人数为8人，检修人员：检修班长1人，机械维护1人，电气维护1人，热工维护1人 共计：4人  共计 15人。

五、项目风险分析和控制
1.风险因素识别
　　按工程项目标准风险分析法，该项目风险因素应包括：政策风险识别、技术风险、经营管理风险、财务风险、生产风险、其他风险。
2.风险分析和控制
①政策风险：余热发电是符合国家关于节约资源、保护环境及可持续发展的方针政策的。国家并且规定，对于容量大于1000千瓦的余热电站，应该无条件上网并给予优惠上网电价。
②技术风险：由于低温余热发电采用的是中、低参数的小型冷凝式发电电站，这种类型的电站技术对我们来说是完全成熟的，不存在任何特殊的技术风险。唯一可能的风险来之于水泥窑的烟气含尘量高，余热锅炉产生磨损和积灰故障的可能性增大。因此，在余热锅炉的设计和选型时，对这两个问题必须给予足够的重视。我们拟采取的技术措施包括：合理选择烟气流速、迎风的换热面采用防磨结构、采用垂直布置的光洁换面、加装振打除灰和声波等装置。
③经营管理风险： 余热电站本身没有经营管理的风险。不存在没有原料或是产品卖不出去等问题。但是，余热电站是依附于企业工厂的。其经营管理的风险来之于企业的生产状况。窑外分解干法水泥厂是当前最现代的水泥厂，其产品质量高，成本低。其他水泥厂根本不是其对手。未来五至十年是这种现代化水泥厂逐步取代老式水泥厂的时期，只要其经营管理不出现重大失误，是没有什么风险的。
④ 财务风险：本项目投资的数额不大，建设周期壹年多，从第二年开始就有回报，分五年偿还投资方的全部本息。其风险在于偿还期间如果水电费价格有较大的下降，就可能出现还不了贷的情况。考虑到今后电费会趋涨，因而其风险比较小。
⑤ 生产风险：本项目不存在明显的生产风险。可能的风险来之于设备的偶然的故障。我国目前中、低参数的发电设备的制造水平已经达到国际先进水平，其可靠性非常高。因此，本项目风险十分低。
⑥ 其他风险：除了战争和天灾等不可抗力以外，本项目不存在其他风险。

六、结论与建议
1.纯低温余热发电符合国家产业政策,可以实现循环经济,资源综合利用,节约能源的目的，有利于企业清洁生产，降低成本，可持续发展，具有很强的行业示范作用。
2.纯低温余热发电技术技术上成熟,经济上可行, 项目建设初期投资少，建设周期短，风险低，投资收益高，投资回收期短。
3.项目节能和环保效益可观，是利国利民的绿色环保工程，是建设、技改和投资的风险极低的节能环保项目。
4. 中信重型机械公司纯低温余热发电系统全部采用国产设备，质量可靠，性能优良，达到国际先进水平，基建投资低，工期有保证。
5.中信重型机械公司具有纯低温余热发电工程总承包能力，竭诚为用户服务。
图面说明：大型干法水泥生产线纯低温余热发电设备系统及工艺流程图
如图1中所示：1－烟囱，2－风机，3－除尘器，4－增湿塔，5－原料，6-破碎设备，7-原料磨，8-选粉机，9-提升机，10-预热器，11-回转窑，12-冷却风，13-箆式冷却机，14-熟料，15-除尘器，16-风机，17-烟囱，18、20-窑头余热锅炉，19-给水泵， 21-凝汽器，22-冷却塔，23-发电机，24-一汽轮机，25－耐热风机，26-窑尾余热锅炉，27-真空除氧装置。
工艺流程：
　　将预热器（10）排出的废气抽至窑尾余热锅炉（26），废气在窑尾余热锅炉内放出部分热量，温度降至225°C左右，然后通过耐热风机（25）进入原料磨（7）烘干原料。从箆式冷却机（13）中部抽出废气进入窑头余热锅炉（18），烟气在窑头余热锅炉（18）内放出热量后，排出90-95°C的废气，进入原管路系统。
 除盐水通过给水泵（19）进入窑头余热锅炉（18）和窑尾余热锅炉（26），窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉产生的蒸汽分别进入补汽凝汽式汽轮机（24），蒸汽做功后进入凝汽器（21）内凝结成水，凝结水通过给水泵（19）进入窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉。