宁国水泥厂纯低温水泥窑余热发电技术及运行业绩报告

       自一九九八年三月我厂4000t/d水泥生产线配套应用纯低温余热发电技术获得了运转成功。该技术和主要装备是由日本川崎重工提供的，发电机装机容量为6480kW，年设计发电量为4087×104kWh，吨熟料发电能力为33.88kW.h/t。

　　一、系统的主要技术特点：
     水泥厂余热资源的特点是：流量大，品位较低。以宁国水泥厂4000t/d生产线为例，PH（预热器）和AQC（冷却机）出口废气流量和温度分别为258550Nm3/h、350℃和306600Nm3/h、238℃，余热发电便是充分利用这两部分余热资源进行热能回收。
1）热力系统
　　整个热力系统设计经济、高效、安全，系统工艺流程是由两台高效余热锅炉AQC、PH锅炉、两台高低压闪蒸器和一套汽轮发电机组组成，辅之以冷却水系统、纯水制取系统、锅炉给水系统及锅炉粉尘输送系统。余热锅炉内进行热交换产生压力为25kg/cm2、温度为335℃～350℃、额定蒸发量为31.1t/h的过热蒸汽通入汽轮机，进行能量转换，拖动发电机向电网输送电力。
　（1）采用凝汽式两点混汽式汽轮机。凝汽式是指做过功的蒸汽充分冷凝成凝结水，重新进入系统循环，减少系统补充水量。混汽式是指汽轮机除主蒸汽外，另有两路低压饱和蒸汽导入汽轮机做功，从而提高汽轮机相对内效率，提高发电机输出功率。
　（2）设置具有专利技术、高热效率的PH锅炉，采用特殊设计的机械振打装置进行受热面除灰，保证锅炉很高的传热效率。
　（3）应用热水闪蒸技术（高压热水进入低压空间瞬间汽化现象），设置一台高压闪蒸器和一台低压闪蒸器，一方面将闪蒸出的饱和蒸汽导入汽轮机做功，进一步提高汽轮机输出功率，另一方面通过锅炉给水系统循环，可以有效地控制AQC炉省煤器段出口水温，保证锅炉给水工况稳定。
　（4）由于PH锅炉出口废气还要用于原料烘干，所以PH锅炉无省煤器，只设蒸发器和过热器，控制出炉烟温在250℃，以满足水泥生产线原料烘干的需求。
　（5）采用热水闪蒸自除氧结合化学除氧的办法进行除氧，不另设除氧器，减少了工艺设备，简化了工艺流程。
　（6）热力泵均采用一用一备双系列。在运行泵出现故障时，备用泵自动投入使用，保证了发电系统安全、稳定运行。
　　2）余热锅炉
　　AQC锅炉设计为立式自然循环锅炉，带汽包，烟气自上而下通过锅炉，锅炉自上而下布置过热器、蒸发器和省煤器，由于废气粉尘为熟料颗粒，具有较强的磨砺性，需设置预除尘器进行预收尘，另外为增大换热面积，强化换热效果，AQC锅炉的传热管设计为螺旋翅片管形式（鳍片管）。
　　AQC锅炉工艺参数设计：烟气入口温度360℃，出口温度91℃，烟气流量165300Nm3/h，过热蒸汽温度350℃，蒸汽压力26kg/cm2，额定蒸发量11.8t/h。
　　PH锅炉设计为卧式强制循环锅炉，带汽包，设蒸发器和过热器，烟气在管外水平流动，受热面为蛇形光管，上端固定在构架上，下端为自由端，并焊有振打装置的连杆。由于PH炉入炉粉尘为生料粉，具有较强的粘附性，影响传热效果，故设计机械振打装置对受热面定期振打，使受热面保持干净无灰，从而保证了很高的传热效果。由于工作介质在传热管内是上下流动形式，无法利用其重度差进行自然循环，故需用两台强制循环泵进行给水的强制循环。
　　PH锅炉工艺参数设计：烟气入口温度350℃，出口温度250℃，烟气流量258550Nm3/h，过热蒸汽温度330℃，蒸汽压力26kg/cm2，额定蒸发量19.3t/h。
　　两锅炉的工艺结构特点对比如下表：

　  3）汽轮机
　　汽轮机的作用是将余热锅炉产生的过热蒸汽的热能转化为机械能从而带动发电机发电的动力设备。宁国厂汽轮机为川崎RCM-80型，冲动式、多级、混压凝汽式带减速机型汽轮机，额定蒸汽流量31.1t/h，入口蒸汽压力2.45MPa，蒸汽温度335℃，排汽绝对压力0.00585MPa，转速5829rpm，级数为9级。
　（1）汽轮机为减速式汽轮机，通过减速机后转速为1500rpm，这样汽轮机的整体尺寸较小，暖机和冲转所需的时间较短，便于汽轮机停机后能够在短时间内迅速再投入，适应窑系统工况的波动。针对汽轮机后几级叶片水份较多、易发生水蚀现象的特点，在低压部分特别设计了集水槽和疏水孔，充分利用转子转动的离心力分离水珠，避免水蚀。另在末两级叶片前部覆盖了一层特殊合金，以减轻水击产生的损伤。
　（2）汽轮机的调节系统采用电、液（压）调节方式，感应机构为电磁式，执行机构为液压传动式。调节系统稳定可靠，保证了汽轮机在设计范围内的任何工况下稳定运行。
　（3）根据水泥厂余热性质的特点，汽轮机的运行方式分为速度控制和压力控制两种方式。在汽轮机启动过程中（提速及升负荷），以汽轮机转速为主要控制参数，以保证汽轮发电机组正常并网；当机组达到额定负荷时，切换到压力控制方式，这时以汽轮机入口蒸汽压力为主要控制参数，调节机组输出功率以保证压力基本稳定，这种控制方式可适应废气余热参数的变化，使整个系统具有较强的适应性和可靠性，并做到“热尽其用”。机组出力超过限定值（约额定功率的110%），自动开启旁路阀，将部分蒸汽直接导入凝汽器，起到保护发电机组的目的。
　   4）发电机
　　发电机设计为全封闭内冷式三相交流同步发电机，励磁方式采用无刷励磁，额定输出8100KVA，极数4极，电压6300V，频率50HZ，功率因数80%滞后，电流742A，空气冷却器采取水冷却的方式。
     5）DCS控制系统
　　整个余热发电系统采用先进的DCS集散控制系统，现场的各种工艺参数通过传感器转化为电信号送至中央控制室，由计算机进行分析并在CRT上显示。中控操作通过触摸屏发出指令，调整各烟风阀门、汽水阀门的开度及设备的启停等，使整个系统适应工况变化。自控系统能够根据相关参数自动进行汽水系统的调整，系统的操作简便可靠，并设有完善的报警和保护程序，使整个发电工艺系统能够长期稳定运行。
　　二、宁国水泥厂4000t/d熟料生产线余热发电项目运转业绩：
　　1）主要经济技术指标分析
　　自一九九八年三月开始实质性运转至二○○四年底，从统计数据表明，平均吨熟料发电量已达36.12kWh/t，相对窑运转率为96.24%，累计发电量已达3.56亿千瓦时。系统运行六年来实现了安全、稳定、高效运行。请参见下面生产数据统计图表：
   表一

   表二

　　2）经济效益和社会效益
    水泥余热发电项目充分利用熟料煅烧生产时排放的大量废气进行回收发电，即可降低水泥熟料的生产成本，提高企业经济效益，又能保护环境，创造良好的社会效益。余热发电项目将成为海螺集团稳定的经济增长点及清洁化生产的亮点。
（1）经济效益：
　　自发电机组正式并网以来，截止到二OO四年十二月底，发电机并网电量累计为33066.3万千瓦时，按本地区现行综合电价0.50元/kWh计算，创产值1.65亿元。
（2）社会效益：
　　从能源利用率的角度来讲，水泥生产过程中消耗的能源有效利用率仅为60%，其余40%的能量随废气排放到大气中，余热发电建成后，可将排放掉的38%的废气余热进行回收，使工厂的能源利用率提高到95%以上，为工厂的可持续发展创造了有利条件。
　　从环境保护的角度来讲，减少了二氧化碳的排放量。众所周知火力发电是燃煤发电，在电力生产过程中要产生大量的二氧化碳，而余热发电整个生产过程不烧1克煤，按发电机组截止到二OO四底累计发电量35612.6万千瓦时来计算，共减少二氧化碳的排放量总计为284900吨，这对减少温室效应、保护生态环境起着积极的促进作用。
　　三、配套余热发电技术对水泥生产系统的影响：
　　1、冷却机必要的改造
　　由于冷却机出口的废气温度多在200℃左右，这种温度下的热量品位很低，很难进行动力回收，因此需要对冷却机进行必要的改造，使进入AQC炉的热源品位提高。改造措施是在冷却机中部（四室与五室之间）新开一抽气口，利用这部分温度在360℃左右的废气，引入AQC余热锅炉进行动力回收。原有抽气口则抽取冷却机后部低温废气，压力的平衡用挡板实现。锅炉出口废气与原抽气口的废气混合后进入窑头电收尘。
　　2、窑头电收尘的影响
　　冷却机改造和窑头余热锅炉的投入会对窑头电收尘的收尘效果产生一定的影响。因为窑头电收尘原设计为高温电收尘，温度在250℃以上时，收尘效果较好。窑头余热锅炉的投入，使电收尘的入口废气温度由220℃左右降至125℃左右，粉尘比电阻会产生一定的变化，从而影响收尘效果，粉尘比电阻过高，不利于收尘器运行。对照熟料粉尘比电阻曲线图，125℃时粉尘比电阻约3.5×1010Ω.cm，处于较高水平，故余热锅炉投入后应尽可能地降低入电收尘废气温度（控制在100℃左右或以下效果更佳），从而降低比电阻，必要时需采取废气调质措施来提高收尘效果。
　　3、窑头排风机的影响
　　由于在冷却机前设置了余热锅炉及冷却机改造，废气全流程的阻力比原来增加约1.0kPa，需要排风机提供更大的抽力。水泥厂的窑头排风机设计能力一般都有较大的余量，一般来说可以适应改造后的工况，只需调整其工作点。宁国一线窑头风机能力较大，电机额定电流为84A，投入AQC炉后，电机电流由59A升至72A左右，能满足AQC炉在120%负荷下运行。
　　4、窑尾排风机的影响
　　由于在风机前加入一台PH余热锅炉，压力损失约增加1.0kPa，但由于进入风机废气密度的增大，提高了风机的输出压力，而且进入风机的废气含尘量大大降低，故对窑尾风机影响不大，一般只需调整其工作点，不需更换风机。
　　5、原料磨的影响
　　宁国一线原料磨为球磨机，对入磨热风温度有较高要求，增设PH锅炉后，窑尾排风机入口温度将由350℃左右降至250℃，入磨风温的下降，使原料磨的烘干能力受到一定的不利影响，从而影响到原料磨的生产能力，雨季时入磨水份较高，则需考虑PH炉的旁路放风，提高入磨风温，保证水泥生产。如果原料磨采用立磨，则对入磨风温的要求就宽松得多，可以降至200℃，从而PH炉的设计参数会相应改变，锅炉的出力会相应增加，吨熟料发电量会有所提高。
　　6、增湿塔的影响
　　宁国一线在PH炉投入前增湿塔喷水量约24t/h，PH炉投入后，烟温降至250℃，且烟气含尘量降低，故增湿塔喷水量大为减少，已能保证窑尾电收尘的工作效率。目前水泥生产线增湿塔的工艺布置均在窑尾高温风机前的废气管道上，PH炉的工艺布置与增湿塔是“并联”关系，PH炉投入运行，增湿塔则退出，可能会影响到窑尾电收尘的收尘效果，必要时需考虑采用废气调质措施。
　　综上所述，余热锅炉的投入，会产生废气温度的变化及压损的增加，对原料磨、增湿塔、窑头电收尘及排风机等设备运行工况产生一定的影响，但一般影响较小，通过工艺参数、设备工况调整即可解决，除对冷却机做较大的改造外，增设余热锅炉在技术上是没有问题的。
　　四、余热发电技术在海螺集团推广应用的前景：
　　通过水泥余热发电项目在宁国水泥厂的成功应用，充分说明新型干法水泥窑配套余热发电装置在技术上是完全可行的，它充分利用了水泥生产过程中产生的大量废气余热进行动力回收，每吨熟料可回收35～40kWh的电能，并且该系统能够长期稳定运行，相对窑的运转率可达97%以上，发电成本非常低，相对外购电价可节约大量的购电费用。所以该项技术的应用，既可降低水泥的生产成本，提高企业的经济效益，又可以为国家节约大量的电能，减少环境污染，具有广阔的推广应用前景。
　　海螺集团拥有已建和在建的二十多条5000t/d以上的水泥生产线，对水泥配套应用余热发电技术取得了一定的经验。集团公司已计划从2005年起将水泥余热发电项目作为水泥产业新技术在集团多个熟料基地、2500t/d以上的水泥生产线上拟配套建设应用。我们坚信纯低温余热发电技术在海螺集团一定能得到成功应用，为保护环境，为水泥产业的节能技术的推广做出我们应有的贡献。