纯低温水泥窑余热锅炉的设计及运行

摘  要  新型干法水泥窑的废气温度在400℃以下，为回收低温废气的余热，开发了纯低温水泥窑余热锅炉。文章概述了锅炉的设计和运行情况，并展望了应用前景。　　
　　本文讨论的余热锅炉为发电用锅炉，用于回收新型干法水泥窑窑头篦式冷却机（简称AQC）和窑尾预热器（简称SP）排放的低温废气余热。首套机组安装于上海万安企业集团，并于2003年5月成功并网发电。经考核满负荷平均发电功率为2058.9kW，其对应的熟料产量约为1350吨/日。该发电系统由天津院总设计，其中余热锅炉主要结构形式由业主和制造厂经调研和厂内试验后共同确定。产品调研过程中得到了多家水泥厂的指导，在此一并表示衷心感谢！
一、综述
　　随着水泥熟料煅烧技术的发展，水泥工业节能技术有了长足的进步，高温余热已在水泥生产过程中被利用。而新型干法水泥生产线已使单位水泥熟料的热耗大幅下降，其窑头篦式冷却机（简称AQC）和窑尾预热器（简称SP）排放的废气温度均低于400℃，如何回收其中的低温余热从而进一步降低水泥生产能耗是我国新型干法水泥生产企业面临的重大技术课题。
　　在日本水泥窑低温余热回收已应用得相当广泛，这种技术是利用分别设置于窑头篦式冷却机的AQC余热锅炉和窑尾预热器的SP余热锅炉来产生低压过热蒸汽供汽轮机组发电。一九九八年，由日本政府提供的一套先进而成熟可靠的低温余热发电成套设备在宁国水泥厂投产发电。该套设备适配4000t/d水泥生产线，装机容量为6480kw，设计年发电量为4087×104kwh，吨熟料发电能力为33.07kwh。已经五年来运行实绩证明，该系统安全可靠，能为水泥生产企业带来显著的经济效益和环境效益。
　　虽然水泥业界都认识到纯低温余热发电项目在技术上是可行的，效益是显著的，但该项目在我国水泥行业的普及推广止步于进口设备的昂贵成本和国产设备的技术障碍。对于国内的设备制造厂而言，无须怀疑纯低温余热发电系统的可行性，我们所要进行的是突破技术障碍，进而实现产业化。
　　上述技术障碍，对于余热锅炉而言，最大的难点是如何应对烟气的低品位和高灰份。因为低品位意味着巨大的换热面积，只有降低受热面成本才能提供高性价比的产品；而高灰份带来的是粉尘附着造成传热性能降低，甚至恶性堵灰事故造成可靠性降低。其实，很早以前在其它工业领域内，我们从西方先进国家引进的技术就已很好地解决了烟气的低品位和高灰份难题。对于前者，我们的解决之道是采用低成本的扩展受热面，如在燃气轮机联合循环（HRSG）项目中，我们采用鳍片管来提高换热效率；而对于后者，我们的解决方法是采用机械振打清灰技术，如硫酸余热锅炉，有色冶金闪烁炉。我们愿意尝试设计纯低温水泥窑余热锅炉是因为我们对上述两种技术有较为深刻的理解，业主上海万安企业集团对我们的信心也基于上述先进技术。
　　我们与上海万安企业集团的合作确定于2002年3月，接着利用一个月的时间组织工程师进行产品实地调研，根据反馈的信息对方案进行修改和完善，编写必要的计算机软件，确定工厂试验项目。完成了这些技术准备工作后，我们用了三个月进行施工设计。产品试制进程过半时，我们与用户一起在工厂内进行了无风状态下机械振打清灰效果试验，获得了满意的效果，说明机械振打是解决堵灰的有效技术。接下来，锅炉的制造和安装是相当顺利的，2003年5月初进行了SP锅炉的调试，5月中旬整个系统联动试车成功，顺利并网发电。
二、系统简介：
　　上海万安企业集团现有水泥生产线的容量为1050t/d，实际运行为1350t/d，经天津院估算窑头废气及窑尾废气可利用的余热量具有大约1800kW的发电能力。其发电工艺流程如下简图所示：

     　　
三、锅炉规范及结构简述
　　根据天津院的系统布置要求而设计的锅炉规范如下表：

项目名称		单位	设 计 参 数
			SP锅炉	AQC锅炉
废气参数	废气流量	Nm3/h	95000	50000
	进口温度	℃	390	350
	出口温度	℃	228	90
	废气含尘量	Nm3/h	100	30
锅炉参数	型号		QC95/390-9-1.6/300	QC50/350-3(1)-1.6(0.25)/300(150)
	蒸发量	t/h	9.3	3（1）
	蒸汽出口压力	MPa	1.6	1.6（0.25）
	蒸汽出口温度	℃	300	300（150）
设备阻力		Pa	753	594

　  锅炉的总体方案是经充分调研并结合业主的建议而提出的。SP锅炉采用自然循环的立式结构，烟气自上而下分别冲刷过热器、蒸发器、省煤器，气流方向与粉尘沉降方向一致，每级受热面上均设置机械振打除灰装置。
　　AQC锅炉采用立式结构，整个锅炉分两个压力单元，1.6MPa为主汽段，0.25MPa为补汽段，省煤器出水分别供给SP锅炉蒸发器和AQC锅炉高、低压蒸发器。锅炉每段受热面为管箱式结构可整体出厂，其受热面采用鳍片管。
四、运行情况
　　锅炉于5月中旬投入运行，经72小时连续运行考核表明，机组连续运行正常，无故障，无异常。机组满负荷运行时平均发电功率为2058.9kw，最高可达2500kw。至今机组稳定运行了近两年，无堵灰漏风现象。可以初步认定锅炉总体设计是成功的，性能是可靠的，特别是受热面经过数百万次的振打，其疲劳强度得到了检验。但在实际运行中烟气参数是经常波动的：SP锅炉进口烟气温度实际为350℃左右，比设计值温低40℃；AQC锅炉进口烟气温度实际为380℃左右，比设计值偏高30℃。因我们在设计过程中已经考虑预后措施，使机组仍能正常发电，当然这也与业主精心维护和良好的运行水平有关。锅炉还存在不少不足之处，如：
　　1）AQC锅炉主汽阀口径偏小，不适应由于实际蒸发量增加的要求。
　　2）机械振打除灰装置设计对制造工艺要求太高，密封成本较高，下次设计时应加以改进。
五、开发的意义
　　上海万安项目虽然是一个小容量的试验型机组，但意义深远。在技术层面上，我们认为运行实绩验证了我们的总体设计构想，尤其是对SP锅炉和AQC锅炉粉尘的外部过程表现有了进一步理解（所谓外部过程是指烟气对受热面的磨损，腐蚀、积灰等现象）。所有这些为我们开发更大型低温水泥窑余热锅炉奠定了理论和应用技术基础。在经济层面上，我们无法给出包含精确数据的答案，是由信息不对称造成的；但是我们可以有合理的推断：既然1000t/d等级水泥窑发电系统每千瓦固定资产投资小于8000元，那么5000t/d等级的肯定低于此数。要知道余热电站是不烧一克煤的，其运行费用极低，根据我们的经验，其投资回报周期应在三年左右。该项目为我国新型干法水泥线纯低温余热发电系统国产化设备的技术经济比较做出了宝贵的探索，具有示范意义。
六、应用前景和展望
　　水泥窑低温余热发电技术符合国家能源政策、环保政策，也符合可持续发展政策，应当在全国新型干法窑中大力推广。但这仅是美好的愿望，我们应该清醒地认识到资本是趋利的，任何技术的产业化只有当该技术能给投资方带来良好的收益才能实现。
　　我国在役新型干法水泥线低温余热发电系统各不相同。他们为系统的最优化作了有益的探索，积累了宝贵的经验或教训，但不能据此以为这些系统已臻完善。我们认为我国纯低温水泥窑余热发电系统的最优化过程尚处于初始化阶段，应向其他行业先进余热发电系统如燃气轮机联合循环电站（HRSG）学习，应向先进工业国家的新型干法水泥线低温余热发电系统学习。在此我们不妨多问几个为什么：为什么HRSG的蒸汽压力经常设计为两个甚至三个压力单元？为什么川崎重工(KHI)在柳泥项目上要对AQC 进行改造以便获得更高温度的烟气？我们还记得在03年7月桂林会议上有水泥商问川重专家一个问题：由于用电紧张既想上余热发电又想上燃煤发电该怎么办？川重给的方案是：燃煤锅炉产生的高压蒸汽作为主蒸汽而余热锅炉产生的低压蒸汽作为补汽同时送汽轮机发电是最经济的。这又是为什么呢？要回答这些问题，必须涉及复杂的热力学原理和先进的锅炉汽轮机技术。泛而言之，这些方案是对系统的“火用”作了科学分析后得出的，都是符合能量梯级利用的原理。
 我们相信高效率的资本会帮助热力系统专家和锅炉汽轮机专家找到答案的。水泥行业已经建立了示范机组，行业管理机构为此组织了多次研讨会，我们有理由相信我国新型干法水泥生产线余热发电技术发展图景会越来越清晰：在正确的热力学理论指导下，锅炉技术和汽轮机技术“协同进化”，达到世界先进水平。
　　

参考文献及数据来源：
1．《江西水泥厂低温余热发电工程设计方案 》         
2．《宁国水泥厂水泥窑余热发电项目总结报告》
　　3．《水泥发电发展趋势》
4．《面向二十一世纪的水泥工业纯低温余热发电技术及装备》  
　以上四篇文献来自网上搜索，无法尽知作者姓名，向他们表示谢意和歉意，
  其余数据来自《桂林会议》资料、业主项目可研资料和电站1.5%级表计。

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