提高水泥纯低温余热发电量的方法与途径

生产技术Technology屈松记1 ，齐俊华2（1.登封嵩基集团水泥公司，登封 452476；2.河南省建材工业协会，郑州 450008）我国水泥产能的超常发展，导致水泥企业经济效益下滑，吨水泥利润低微、甚至为负数，主业不赚钱；而纯低温余热电站已成为水泥企业新的经济增长点，成为“救命”、致富之宝。

一个5 000t/d生产线的余热电站，一年可为企业带来2 000～3 000万元的经济利益。

因此，建设好余热电站、管理好余热电站已成为企业的中心工作。

1　余热电站热力系统方案选择提高水泥纯低温余热发电站的发电能力首先要做好余热电站热力系统的方案选择。

余热电站的核心是热力循环系统，当前较为成功、成熟的热力循环方式主要有单压系统、闪蒸系统、双压系统等三种基本模式，以及由此而衍生的复合系统。

1.1　单压系统单压系统是目前较普遍采用的热力系统。

在该系统中，窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉生产相同或相近参数的主蒸汽，混合后进入汽轮机，主蒸汽在汽轮机内作功、在冷凝器凝结成水，经窑头锅炉加热后到热力除氧器除氧，由给水泵送入窑头余热锅炉加热，窑头余热锅炉生产的热水再为窑头余热锅炉蒸汽段和窑尾余热锅炉供水，从而形成一个完整的热力循环。

单压系统的主要特点是汽轮机只设置一个高压蒸汽进汽口。

1.2　闪蒸补汽系统闪蒸系统应用热力学上的闪蒸原理，根据废气余热品质的不同而生产一定压力的主蒸汽和热水，主蒸汽进入汽轮机高压进汽口；热水则在闪蒸容器里产生出低压的饱和蒸汽，然后补入补汽式汽轮机专门设计的低压进汽口；主蒸汽及低压饱和蒸汽在汽轮机内一起作功，拖动发电机发电，低压蒸汽发生器内的饱和水进入除氧器与冷凝水一起经除氧后再由给水泵供给锅炉。

1.3　双压补汽系统双压系统是根据废气余热品位的不同，分别生产较高压力和较低压力的两路蒸汽。

余热锅炉生产较高压力的蒸汽后，烟气温度降低，依据低温烟气的品位，再生产低压蒸汽。

较高压力的蒸汽作为主蒸汽进入汽轮机主进汽口；较低压力的蒸汽进入汽轮机的低压进汽口，一起推动汽轮机作功、发电；作功后的乏汽在冷凝器凝结成水后、经凝结水泵加压到除氧器除氧，再进入热力循环。

上述三种技术没有本质的区别，共同的特点：都是利用在窑头熟料冷却机中部增设抽废气口或直接利用冷却机尾部废气出口的400℃以下废气及窑尾预热器排出的300℃～350℃的废气余热；最重要的特点是采用0.69MPa～1.27MPa-280℃～340℃低压低温主蒸汽。

区别仅在于：窑头熟料冷却机在生产0.69MPa～1.27MPa-280℃～340℃低压低温蒸汽的同时或同时再生产0.1MPa～0.5MPa-饱和～160℃低压低温蒸汽、或同时再生产85℃～200℃的热水；汽轮机采用补汽式或不补汽式汽轮机；复合闪蒸补汽式适用于汽轮机房与冷却机距离较远的情况，而双压补汽式适用于汽轮机房与冷却机距离较近的情况。

上述三个方案各有优缺点。

技术上：单压方案简单，运转可靠，但余热开发、利用不完全；闪蒸和双压系统具有能源梯级开发利用优势，比单压系统技术更为先进，较单压系统多发电在8%~10%左右。

一个5 000t/d生产线的余热电站，吨熟料如超发电1kWh，全年可为企业带来80～100万元的利润，故双压方案等更为合理，发展较快。

1.4　双压热力系统这是目前较为常用的方案，该方案充分利用余热资源，设置两台不同参数余热锅炉，采用补汽凝汽式汽轮机，提高汽轮机内效率，提高吨熟料发电量。

工艺流程介绍如下。

（1）在窑头设置双压余热锅炉，承担公共加热和生成低压蒸汽，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自然沉降除灰装置，锅炉传热管为螺旋翅片管。

（2）在窑尾设置生成高压蒸汽的窑尾余热锅炉，采中图分类号：TQ172.625.9 文献标识码：B 文章编号：1671-8321（2015）06-0097-04生产技术Technology用立式自然循环，膜式受热面，带有一个汽包；窑尾锅炉的传热管为蛇形管，烟气在换热管外流动，自上而下通过锅炉，同时设置机械振打除尘装置。

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，经除尘器除尘后，通过烟囱排放。

（3）两台余热锅炉所生成的高压主蒸汽经混均器混合后，通过主管道进入补汽凝汽式汽轮机，低压蒸汽经补汽管道进入汽轮机；汽轮机尾部乏汽进入冷凝器，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。

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；篦冷机中部冷却熟料产生的约400℃的废气经抽气管道进入窑头余热锅炉，换热后约95℃的烟气进入除尘器，通过烟囱排入大气。

采用双压锅炉，可充分利用热力资源，提高热效率，降低排气温度。

2　提高余热电站发电量的方法与途径余热电站发电量多少首先取决于热力方案的选择是否先进、合理；而窑系统的正确、稳定运行是稳定和提高余热发电量的基础，是否能够为余热电站提供量大而温度较高的废气，是提高余热发电量的有效途径和保障，其中出窑熟料温度和窑尾废气量是较为关键的因素。

2.1　提高出窑熟料的温度余热电站，顾名思义，是利用余热进行发电。

发电量的高低、多少，取决于废气温度的高低、废气量的多少，取决于废气总热量的多少。

废气温度的高低对发电量有着较大的影响：窑头废气温度不是固定的，随着出窑熟料温度的高低而变化，一般烧成带靠前时，出窑熟料温度可达1 300℃；而烧成带居于窑中时，熟料属“冷料”出窑，温度已降至1 200℃，熟料温度前后相差达100℃，则篦冷机抽取的中风风温应有50℃的温差。

几十万立方米的热气体存在50℃的高温温差（相当于2 130×104kJ/h热量），对余热发电的影响可想而知。

一般凡是烧成带靠前的水泥生产线，余热发电量较居后者的发电量相差约在5kWh 左右。

为此，努力提高窑操水平，把烧成带移至窑头是提高发电量的重要举措。

2.2　增大窑尾废气排量窑尾废气是一个含有大量热焓的气体，废气量大，则热量多，发电量就大。

废气量不足是众多电站发电量不高的直接原因，造成窑尾废气量不高的原因与窑头冷却风量不足有关。

原因有三个：第一是篦冷机冷却风量不足，其表现是出篦冷机熟料过热；其次是料层过厚，风压低，通风不畅；三是篦板篦缝狭窄，影响通风。

上述三种原因，影响冷却效果，影响废气排量，也是众多企业成品熟料冷却不好、温度过高、发电量不高的原因。

窑头废气量少，窑尾高温风机无风可拉，出力不足，90万立方米的高温风机只能开到70万立方米，窑尾废气排量减少约20%。

要增加窑尾废气风量，首先要加大篦冷机冷却风压、风量，加大三次风通过量，是提高窑尾废气风量的重要措施；其次是三次风管制作、操作不当，造成窑尾风量不足：（其一是三次风管管径面积设计小于烟室面积，阻力过大，致三次风通过量不足，全国至少应有25%以上的水泥企业因设计缺陷存在这种状况；其二是三次风阀开度不够，影响三次风通过。

）有这种情况的水泥企业，本来三次风就不足，还要限制三次风阀的开度，仅开到30%~50%，不但影响发电量，同时因三次风不足、或温度不高，还会造成分解率不高、或燃煤的浪费。

因此，要在原有基础上用“三元流动法”（见作者2013年《中国水泥》笫10期《提高风机运行效能的方法和措施》），在不更换电机的情况下更换风机叶轮，把全部冷却风机的风压、风量提高20%，把出篦冷机熟料的温度由200℃降至100℃以下，是提高熟料质量、向熟料温度要发电量的重要措施；对凡是三次风管直径设计偏小的应列入大修计划，拆除更换。

2.3　窑头废气作为冷却用风循环使用熟料在篦床上的冷却分为高中低温三个区段：其高温区主要实现对出窑熟料的骤冷，并提高入窑和入炉的二、三次风温；中温区为热回收区；低温区实现对熟料的进一步冷却、降低出篦冷机熟料的温度。

篦冷机高、中、低温三个区段的进风量分别约占总风量的31%、50%和19%左右；换热后出篦冷机的风量分配为：入窑二次风15%左右（标况、风温1 050℃左右）、入分解炉三次风22%左右（标况、风温950℃左右），其余作为余风排放。

在无纯低温余热发电项目时余风风温约200℃；实施纯低温余热发电项目后，余风风量中65%左右的中低温风（500℃和300℃左右）通过窑头余热锅炉（AQC炉）加于利用，排放的废气风温为100℃左右。

将100℃左右的低温废气代替常温风做为冷却风，引入篦冷机中温区冷却熟料，可使中温余风风温提高50℃，这并不影响篦冷机对出窑熟料的骤冷；也不会影响出窑熟料温度，经熟料易磨性对比试验，也不影响对出窑熟料的骤冷要求。

使用循环风代替常温风后，因风温较低（100℃左右），仍可使用原有中段冷却风机。

循环风应经窑头收尘后再引回，在此情况下需加强窑头收尘的防漏风措施，以免降低循环风温度。

风机进风由常温常压改为循环风后，需克服循环风引风管的阻力，提高中温风机压力，若中温室风机全压无富裕量时，采用“三元流动法”，提高风机风压、风量足矣。

2.4　提高篦冷机的操作水平篦冷机在操作上有两种方法：即厚料层操作或薄料层操作。

厚料层操作是在满足冷却效果的情况下，降低篦冷机篦床速度，增加篦床料层厚度，致熟料温度偏高，但风温不高，故发电量下降；薄料层操作是加快篦速，降低料层厚度，提高进AQC锅炉风温及进出口压差，熟料冷却效果较好，风温高，发电量高。

但窑工况的一些变化易对AQC炉的风温风量产生一定影响，发电稳定性不如前者。

篦床速度决定料层厚度，料层厚度决定废气风温，废气风温影响发电量。

因此，掌握篦床速度是关键，在具体操作上，对三段篦床速度应科学掌握，区别对待，不求一致：即适当降低一段篦床速度，提高冷却风压，提高淬冷效果，提高二、三风的风温，有利窑炉操作；适当加快二段篦床速度，提高风温，有利发电；稳定三段篦床料层厚度，保持篦速总体平稳，不快推快放，以免造成一、二、三段的料层断接，有效提高二、三段篦床的废气风温，改善和提高进窑头余热锅炉的余风温度，提高发电量。

2.5　在窑尾二级预热器旋风筒内设置过热器为进一步提高余热发电系统运行的稳定性，浙江兴宝龙、新都、河南登封嵩基等多个余热发电项目在窑尾C2级预热器旋风筒内设置过热器的工业试验均取得成功。

C2级旋风筒设置SSH余热过热器，其结构、外形尺寸与窑系统二级预热器旋风筒的内筒一致，以过热管束为主组成，代替C2级预热器旋风筒的内筒。

其使用功能是双重的：既是过热器、又起到旋风筒内筒的作用。

选择在C2级预热器旋风筒内设置过热器的主要原因是考虑过热温度的需要（C2废气温度500℃～550℃）。