| 本文簡要介紹了我國水泥工業(yè)低溫余熱利用的技術(shù)與裝備的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，指出了回收并充分利用水泥生產(chǎn)過程中的低溫余熱，是耗能大戶的水泥工業(yè)節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。 關(guān)鍵詞：水泥工業(yè) 純低溫 余熱利用 1. 前言 隨著我國人口的不斷增加和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，資源相對不足的矛盾將日益突出，合理的利用和節(jié)約現(xiàn)有的寶貴資源將是我國今后如何確保經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。節(jié)約資源、改善環(huán)境狀況、提高經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展將是我國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中一項長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略方針。 社會主義市場經(jīng)濟(jì)的建立和不斷完善，使我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)日益蓬勃且快速健康的向前發(fā)展。在此帶動之下，我國的水泥產(chǎn)量已雄居世界第一，水泥工業(yè)的建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平也有了長足的進(jìn)步，“上大改小、結(jié)構(gòu)調(diào)整”戰(zhàn)略的實施，更使得我國水泥工業(yè)的建設(shè)規(guī)模由1000t/d、2000t/d快速發(fā)展到5000t/d、10000t/d，水泥熟料的熱耗也由4000kJ/kg左右降低到2700～3300kJ/kg。但水泥工業(yè)是一個傳統(tǒng)的高能耗行業(yè)，就目前國內(nèi)最先進(jìn)的水泥生產(chǎn)工藝，仍然有大量的350℃以下的低溫余熱不能被完全利用，其浪費(fèi)的熱量約占系統(tǒng)總熱量的30％左右。因此，回收水泥生產(chǎn)工藝過程中的低溫余熱，用來供熱或發(fā)電，具有非常現(xiàn)實的節(jié)能和環(huán)保意義，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針。 2. 低溫余熱和資源綜合利用電站的技術(shù)和裝備 水泥的生產(chǎn)，需要消耗大量優(yōu)質(zhì)的自然礦產(chǎn)資源，還需摻雜一定量的混合材，在同時消耗大量煤炭和電力等優(yōu)質(zhì)能源的時候，也伴有大量被排放而浪費(fèi)掉的低溫余熱資源。 一段時間以來，受電力供應(yīng)緊張和電價持續(xù)上漲的影響，許多地方的水泥生產(chǎn)單位面臨運(yùn)轉(zhuǎn)率不足和經(jīng)濟(jì)效益下滑的困難局面。因此，在國家資源綜合利用產(chǎn)業(yè)政策的鼓勵下，同時結(jié)合天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院成熟的資源綜合利用技術(shù)及國內(nèi)成熟的電站設(shè)備，多家水泥生產(chǎn)單位建設(shè)了能夠充分利用水泥生產(chǎn)線排放的低溫余熱，再加上適當(dāng)?shù)难a(bǔ)燃，燃用熱值小于12550kJ/kg的劣質(zhì)燃料的資源綜合利用電站。 這樣的電站建成后，水泥生產(chǎn)線排放掉的低溫余熱可基本被回收和利用，在補(bǔ)燃量一定的條件下，電站單位發(fā)電量的煤耗和單位發(fā)電量的成本得到了大幅度的降低；循環(huán)流化床補(bǔ)燃鍋爐還可以有效的利用工程建設(shè)所在地的煤矸石等劣質(zhì)煤資源，所產(chǎn)生的灰、渣又可全部回用于水泥生產(chǎn)，做到零排放；電站生產(chǎn)的電力可直接供給水泥生產(chǎn)使用，并減少了輸配電系統(tǒng)的有功損耗。 由此可見，這類電站的建設(shè)投產(chǎn)，可有效的緩解水泥生產(chǎn)用電緊張的困難；在大幅度降低水泥生產(chǎn)成本的同時，也為國家節(jié)約了優(yōu)質(zhì)的能源，保護(hù)了環(huán)境，其經(jīng)濟(jì)效益與社會效益是十分顯著的，給高能耗的水泥企業(yè)帶來了諸多的利益和好處，也為我國的可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略作出了貢獻(xiàn)。 因此，對于水泥生產(chǎn)企業(yè)而言，只要我們認(rèn)真貫徹和堅定不移的執(zhí)行國家資源綜合利用的產(chǎn)業(yè)政策，切實落實好劣質(zhì)燃料（或工業(yè)垃圾）的來源和供應(yīng)渠道，符合當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門提出的排放要求，建立一整套內(nèi)部有效的鼓勵余熱回收和利用的激勵機(jī)制，理順與當(dāng)?shù)仉娏Σ块T的管理和利益分配關(guān)系，筆者認(rèn)為，有成熟的技術(shù)和裝備為后盾，這種既有利于企業(yè)，也有利于國家的補(bǔ)燃型的資源綜合利用電站，一定會有持久的推廣和應(yīng)用前景。 3. 純低溫余熱電站的技術(shù)及裝備 相對于補(bǔ)燃型的資源綜合利用電站而言，利用水泥窯純低溫余熱所建設(shè)的余熱電站不配置任何的燃燒設(shè)備，所以也不增加任何的煙氣、粉塵和廢渣的排放點，因此，具有更好的節(jié)能和環(huán)保效果。 由于窯頭和窯尾的廢氣溫度較低，采用純低溫余熱進(jìn)行發(fā)電，對裝備和系統(tǒng)技術(shù)的要求較高。國外對于利用水泥窯低溫余熱進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)及裝備的研究與開發(fā)從上世紀(jì)六十年代即已開始，到七十年代中期，無論是熱力系統(tǒng)還是設(shè)備都已進(jìn)入應(yīng)用階段。據(jù)我們所知，技術(shù)較為成熟的是日本的幾家公司（如川崎公司），他們開發(fā)研制的余熱鍋爐及中、低品位的混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)，經(jīng)數(shù)十個工廠多年運(yùn)轉(zhuǎn)實踐證明，技術(shù)成熟可靠并具有很大的靈活性。寧國水泥廠純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)就是日本川崎公司的技術(shù)和裝備的應(yīng)用工程。 為了實現(xiàn)國產(chǎn)化的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備，在充分學(xué)習(xí)和借鑒寧國水泥廠純低溫余熱發(fā)電的系統(tǒng)技術(shù)和混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)的性能參數(shù)后，以天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院為主，會同國內(nèi)的汽輪機(jī)生產(chǎn)制造單位于1997年首先開始了適合于水泥廠低溫余熱發(fā)電專用設(shè)備--混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)的研究和開發(fā)。 經(jīng)過近兩年的共同努力，終于研制并生產(chǎn)制造出了首臺4500kW的補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的樣機(jī)，并推廣應(yīng)用于杭州錢潮建材有限公司4500kW的補(bǔ)燃式資源綜合利用電站。該電站于1999年成功并網(wǎng)發(fā)電，并通過了相應(yīng)的生產(chǎn)運(yùn)行考核，投入正常運(yùn)行以來的結(jié)果證明，混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)的研究和開發(fā)取得了成功。其結(jié)構(gòu)方式及參數(shù)配置填補(bǔ)了國內(nèi)汽輪機(jī)制造行業(yè)的空白。它的研制成功，為實現(xiàn)我國水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電的系統(tǒng)技術(shù)和裝備的完全國產(chǎn)化，并在國內(nèi)水泥工業(yè)推廣應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。 在此基礎(chǔ)之上，天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院根據(jù)參與并完成施工設(shè)計且正常投運(yùn)的寧國水泥廠純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的特點、配合日本川崎公司進(jìn)行的柳州水泥廠純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的體會、以及天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院已經(jīng)成熟的帶補(bǔ)燃鍋爐的余熱發(fā)電技術(shù)，對純低溫余熱發(fā)電的系統(tǒng)技術(shù)和裝備進(jìn)行了認(rèn)真細(xì)致的研究，形成了完全國產(chǎn)化的利用窯頭、窯尾的純低溫廢氣余熱進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)思路和實施方案。 2002年5月，天津院與上海萬安企業(yè)總公司達(dá)成了共識，對該公司日產(chǎn)1350噸的四級旋風(fēng)預(yù)熱器窯實施了純低溫廢氣余熱發(fā)電的技術(shù)改造。工程于2002年9月正式動工，2003年5月建成投產(chǎn)，余熱電站裝機(jī)容量2.5MW，實際平均發(fā)電能力1800～2100kw，全部采用國產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)。經(jīng)過一年多的生產(chǎn)運(yùn)行，主要設(shè)備和整個系統(tǒng)基本運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)全部達(dá)到設(shè)計要求。 2003年3月，天津院承擔(dān)了廣西魚峰集團(tuán)有限公司日產(chǎn)3200噸的四級旋風(fēng)預(yù)熱器窯的純低溫余熱電站技改工程的施工圖設(shè)計任務(wù)（日本川崎公司承擔(dān)方案設(shè)計及）。工程于2003年7月正式動工，2004年7月建成投產(chǎn)，余熱電站裝機(jī)容量6MW，目前主要設(shè)備和整個系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計要求。 至此，以海螺集團(tuán)寧國水泥廠4000t/d預(yù)分解窯配套建設(shè)的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)、廣西魚峰集團(tuán)3200t/d預(yù)分解窯配套建設(shè)的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)、上海金山水泥廠1350t/d預(yù)分解窯配套建設(shè)的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，形成了國內(nèi)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的示范工程。 3.1 純低溫余熱電站的系統(tǒng)配置 由于受水泥生產(chǎn)工藝流程、原料特性、主機(jī)設(shè)備、氣候條件等諸多因素的制約，相同規(guī)模的水泥生產(chǎn)線，其余熱品位和余熱量不盡相同，因此，盡管針對純低溫余熱進(jìn)行回收并進(jìn)行發(fā)電的理論技術(shù)基本一致，但純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模和配置、設(shè)備性能和特性則不完全相同。 3.1.1 引進(jìn)技術(shù)和裝備的純低溫余熱電站的系統(tǒng)配置 1995年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）贈送給海螺集團(tuán)寧國水泥廠一套純低溫余熱發(fā)電設(shè)備。 寧國水泥廠的水泥生產(chǎn)線為一條4000t/d級的具有四級預(yù)熱器的預(yù)分解窯。預(yù)熱器和冷卻機(jī)的出口廢氣流量和溫度分別為258550Nm3/h、370℃左右和306600Nm3/h、238℃左右。針對該條生產(chǎn)線低溫余熱資源的特點，該電站的系統(tǒng)配置及主機(jī)設(shè)備構(gòu)成如下： ① 采用二級混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)，額定功率為6480kW。利用參數(shù)較低的主蒸汽和來自閃蒸器的飽和蒸汽進(jìn)行發(fā)電； ② 設(shè)置具有專利技術(shù)的余熱鍋爐，能夠充分回收利用余熱資源：由于PH（預(yù)熱器）出口廢氣還要用于原料烘干，所以PH鍋爐采用臥式布置，強(qiáng)制循環(huán)，帶汽包的主要結(jié)構(gòu)；設(shè)置機(jī)械振打裝置來解決廢氣的粉塵附著問題。無省煤器，只設(shè)蒸發(fā)器和過熱器，從而確保出爐煙溫達(dá)到250℃以上，以滿足原料烘干；AQC鍋爐為立式自然循環(huán)鍋爐，帶汽包，采用自然沉降的除塵方式。 ③ 應(yīng)用熱水閃蒸技術(shù)，設(shè)置一臺高壓閃蒸器和一臺低壓閃蒸器，閃蒸出的飽和蒸汽混入汽輪機(jī)做功； ④ 對窯頭熟料冷卻機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造，在冷卻機(jī)原有的余風(fēng)出口加裝閥門，從冷卻機(jī)中部抽取 360℃左右的廢氣。 ⑤ 整個余熱發(fā)電系統(tǒng)采用先進(jìn)的DCS集散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的操作簡便可靠，并設(shè)有完善的報警和保護(hù)程序，使整個發(fā)電工藝系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行。 上述技術(shù)及關(guān)鍵裝備的配置，加上天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院成功的施工設(shè)計和服務(wù)，以及寧國水泥廠科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膬?nèi)部管理機(jī)制，自1997年投入正常生產(chǎn)運(yùn)行以來的業(yè)績表明，以上技術(shù)及裝備在寧國水泥廠余熱發(fā)電系統(tǒng)取得了成功的應(yīng)用。 3.1.2 國產(chǎn)化技術(shù)和裝備的純低溫余熱電站的系統(tǒng)配置 3.1.2.1 上海萬安企業(yè)總公司的水泥生產(chǎn)線為一條1350t/d的四級旋風(fēng)預(yù)熱器窯。預(yù)熱器和冷卻機(jī)的出口廢氣流量和溫度分別為95000Nm3/h、360～390℃和94000Nm3/h、240℃左右。針對該條生產(chǎn)線的低溫余熱資源、天津院的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)和國產(chǎn)設(shè)備的特點，該電站的系統(tǒng)配置及主機(jī)設(shè)備構(gòu)成如下： ① 汽輪機(jī)為補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)（雙壓汽輪機(jī)），設(shè)計能力2.5MW。利用窯尾余熱鍋爐和窯頭余熱鍋爐產(chǎn)生的低參數(shù)主蒸汽和窯頭余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和輔助蒸汽進(jìn)行發(fā)電。這種系統(tǒng)的配置，在完全和充分回收利用窯頭廢氣中余熱的同時，簡化了熱力系統(tǒng)的配置。經(jīng)過近一年的生產(chǎn)運(yùn)行，主要設(shè)備和整個系統(tǒng)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常； ② SP余熱鍋爐的設(shè)計有獨特之處：立式布置、機(jī)械振打、自然循環(huán)。整個鍋爐的振打形式為連續(xù)式，清灰較為均勻，同時設(shè)計有合理的灰斗，避免了因清灰原因造成廢氣中含塵濃度突然增大而引起風(fēng)機(jī)跳停，影響水泥生產(chǎn)。該鍋爐最具特點的地方是采用自然循環(huán)方式，省掉了二臺強(qiáng)制循環(huán)熱水泵，降低了運(yùn)行成本，提高了系統(tǒng)可靠性。立式的結(jié)構(gòu)形式，在節(jié)約了占地面積的同時，也方便了廢氣管道的布置； ③ AQC余熱鍋爐為立式、自然循環(huán)。由于冷卻機(jī)廢氣中粉塵粘附性不強(qiáng)，所以不設(shè)置清灰裝置。同時換熱管采用螺旋翅片管，大大增加了換熱面積，使得鍋爐體積大幅下降，降低了投資成本。同時，在AQC余熱鍋爐前端設(shè)置了高效沉降室，大大減輕了廢氣對AQC余熱鍋爐的磨損； ④ 對篦冷機(jī)進(jìn)行適當(dāng)改造，在中部設(shè)置抽風(fēng)口，作為AQC余熱鍋爐的取風(fēng)口，通過對冷卻機(jī)原抽風(fēng)口的風(fēng)門調(diào)節(jié)，保證中部抽風(fēng)口的廢氣溫度達(dá)到350℃以上。改造后實際廢氣參數(shù)為： 40000Nm3/h、350～400℃。窯頭余熱鍋爐為雙壓雙汽包鍋爐，產(chǎn)生的低參數(shù)主蒸汽和飽和輔助蒸汽同時進(jìn)入汽輪機(jī)做功。 ⑤ 整個余熱發(fā)電系統(tǒng)采用天津院自主開發(fā)的先進(jìn)的DCS集散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的操作簡便可靠，并設(shè)有完善的顯示、記錄、報警和保護(hù)程序，使整個發(fā)電工藝系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行； ⑥ 兩臺余熱鍋爐的廢氣側(cè)都設(shè)計有旁路系統(tǒng)，當(dāng)余熱鍋爐停用時水泥生產(chǎn)系統(tǒng)可正常運(yùn)行； ⑦ 根據(jù)該系統(tǒng)蒸氣溫度和壓力較低的情況，采用了最新的真空除氧方式，系統(tǒng)運(yùn)行成本較低； 該工程于2003年5月建成投產(chǎn)以來，經(jīng)過近一年的生產(chǎn)運(yùn)行，主要設(shè)備和系統(tǒng)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常，電站平均發(fā)電能力1800kw，各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)全部達(dá)到設(shè)計要求。該工程的建成和順利投運(yùn)，表明全部采用國產(chǎn)設(shè)備和天津院自主擁有的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的余熱發(fā)電系統(tǒng)取得了完全的成功。 3.1.2.2 廣西魚峰水泥股份有限公司3200t/d水泥生產(chǎn)線正常生產(chǎn)時，其燒成窯尾排放的廢氣為：217200m3/h（標(biāo)況）—380℃，其燒成窯頭排放的廢氣為：245280 m3/h（標(biāo)況）—220℃。 針對該條生產(chǎn)線的低溫余熱資源、純低溫余熱發(fā)電技術(shù)和設(shè)備的特點，日本川崎公司方案設(shè)計的系統(tǒng)配置及主機(jī)設(shè)備構(gòu)成如下： ① 根據(jù)3200t/d生產(chǎn)線窯頭冷卻機(jī)廢氣排放溫度的分布，在滿足熟料冷卻的前提下，對現(xiàn)有冷卻機(jī)進(jìn)行改造，在改造后的冷卻機(jī)360℃的廢氣出口設(shè)置窯頭余熱鍋爐。該鍋爐分二段設(shè)置，一段省煤器出水分為二路，一路作為AQC爐給水，另一路為PH爐鍋筒給水。二段過熱器出口產(chǎn)生的過熱蒸汽與窯尾余熱鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽并列后進(jìn)入汽輪機(jī)作功。 AQC余熱鍋爐（國外技術(shù)，國內(nèi)生產(chǎn)制造）的結(jié)構(gòu)為：立式布置、自然循環(huán)，前端設(shè)置了高效沉降室，大大減輕了廢氣對AQC余熱鍋爐的磨損。 ② 根據(jù)3200t/d水泥生產(chǎn)線窯尾工藝流程，在窯尾預(yù)熱器和分解爐廢氣出口管道上分別設(shè)置PH余熱鍋爐各一臺，兩臺余熱鍋爐共用一個鍋筒。PH余熱鍋爐設(shè)有蒸發(fā)器和過熱器，過熱器產(chǎn)生的蒸汽與窯頭AQC余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽并列后送入汽輪機(jī)作功。 PH余熱鍋爐（國外技術(shù)，國內(nèi)生產(chǎn)制造，關(guān)鍵部件國外引進(jìn)）的結(jié)構(gòu)為：臥式布置、機(jī)械振打、強(qiáng)制循環(huán)。振打形式為連續(xù)式，清灰均勻， ③ 本工程的余熱回收系統(tǒng)采用了低參數(shù)的汽輪機(jī)（國產(chǎn)設(shè)備）。額定功率為6MW，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min。調(diào)速系統(tǒng)感應(yīng)機(jī)構(gòu)為電磁式，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為液壓傳動式。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min、容量為6MW、電壓等級為6kV，通過公司現(xiàn)有110/6kV總降壓變電所與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。 ④ 低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)由計算機(jī)集中控制，操作人員可通過鍵盤發(fā)出指令調(diào)整各煙風(fēng)閥門、汽水閥門的開度等，使整個系統(tǒng)能適應(yīng)工況變化，使工藝流程能夠長期穩(wěn)定地運(yùn)行。 該工程于2004年7月建成投產(chǎn)以來，主要設(shè)備和系統(tǒng)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)全部達(dá)到設(shè)計要求。 |
