2023年《安全管理环保》之中国水泥窑余热发电技术.docx

中国水泥窑余热发电技术 ：水泥工业是高耗能的工业。在水泥生产中，水泥窑在350℃左右排放大量中低温废气，约占燃料总热输入的30%。如果直接排放到大气中，会造成严重的能源浪费。利用低温余热发电技术对该局部中低温废气余热进行回收利用。产生的高温过热蒸汽进入汽轮机发电。发电机的输出功率可满足水泥生产线和水泥厂自身的生活用电，并积极实施节能减排措施。与火力发电厂相比，余热发电不需要燃烧煤炭等燃料，不产生二氧化碳等环境污染物。 关键词：水泥窑；余热发电技术； 前言：节能减排是我国经济社会开展的一项长期战略方针，也是一项极其紧迫的任务。回收余热，降低能耗，对我国节能减排和环境保护的开展战略具有重要的现实意义。同时，余热利用在改善工作条件、节约能源、增产、提高产品质量、降低生产本钱等方面发挥着越来越重要的作用。其中一些已经成为工业生产的一局部。20世纪六七十年代以来，余热利用技术在世界范围内得到了迅速开展。目前，我国的余热利用技术也取得了长足的进步，但与世界先进水平仍有一定的差距，有的余热没有得到充分利用，有的余热在使用中存在着许多问题。 1 目的要求 1.1 降低能耗环境。在水泥熟料燃烧过程中，窑尾预热器和窑头熟料冷却器排放的低温废气余热占水泥熟料燃烧总热量的30%以上，造成严重的能源浪费。一方面，水泥生产消耗大量热能，另一方面，水泥生产也需要大量电力。将400℃以下低温废气余热转化为电能用于水泥生产，可使水泥熟料生产综合电耗降低60%或30%以上。对于水泥生产企业来说，可以大大减少从社会发电厂购置的电力，或者大大减少水泥生产企业燃烧的燃料。自备电厂发电可以大大降低水泥生产的能耗;防止了水泥窑余热直接排入大气的热岛现象;同时可以降低社会发电厂或水泥生产企业自用电厂的燃料消耗，减少CO2等燃烧废弃物的排放，有利于环境保护。 1.2 政策的推行提供技术支持。自然资源如能源、原材料、水、土地等，随着经济的开展，资源有限之间的矛盾越来越明显。为此目的，中国政府在其节能技术方案中大力支持研究、开发和推广中型和中型枯燥热生产新技术。在国际金融危机的背景下,广泛应用于水泥工业余热生产工艺不仅降低生产本钱和改善环境污染,而且市场竞争力大大提高水泥企业,做出了重大奉献,在水泥工业节能减少大量工业。 1.3 符合清洁要求。清洁开展机制是一种灵活的市场机制，其核心要素是向附件一缔约方提供促进开展中国家的可持续开展，促进最终目标;并协助兴旺国家缔约方履行减少温室气体排放的定量承诺。参加世贸组织工程使兴旺国家政府能够获得执行工程所获得的所有或局部经认证的减排，并利用它们履行规定的限制温室气体排放的承诺。在兴旺国家企业的情况下，可用于履行其限制温室气体排放的国家义务，或在适当市场上出售经济利益。兴旺国家政府和企业可以通过参与工程大幅降低减排承诺的经济本钱。对开展中国家来说，通过额外的资金和/或先进的环境保护技术，参与开展中国家可以促进可持续开展。因此，清洁开展机制是互惠互利的。世贸组织的合作也可能降低全球温室气体减排的总体经济本钱。 2 中国水泥窑余热发电技术 2.1 水泥余热发电系统。 1) 烟气流程 出窑尾一级筒的废气(约310℃)经SP炉换热后温度降至208℃左右，经窑尾高温风机送至生料磨烘干原料后，经除尘器净化后达标排放。取自窑头篦冷机中部的废气（分别约470℃和325℃）进入AQC炉，热交换后温度降至100℃左右后与熟料冷却机尾部的废气会合后进入收尘器净化达标后由引风机经烟囱排入大气。SP炉的排灰为窑灰，可回到水泥生产工艺流程中，窑尾除尘器收下的窑灰一起用输送装置送到生料均化库。AQC炉产生的粉尘将和窑头收尘器收下的粉尘一起回到工艺系统。 2）余热锅炉与水泥生产工艺系统的衔接 （1）AQC炉 为了确保AQC炉出现事故时不影响水泥生产，保存旁路烟道并设置调节型的切换烟风阀门，在必要时解列AQC炉。保证水泥线的平安稳定运行。 （2）SP炉 SP炉设置在窑尾预热器与窑尾高温风机之间，用烟气管道与余热锅炉连接。SP炉系统的烟气侧阻力≤1100 Pa，通过提高高温风机的风压，可使系统完全正常工作。 为保证余热锅炉的启停不影响水泥生产及电站的稳定运行，在SP炉烟气连接管道上设有旁通烟道，可使锅炉在出现故障时或水泥生产不正常时解列，既满足了水泥生产的稳定运行又保证了SP炉的平安。通过旁通烟道的调节作用还可使水泥生产及余热锅炉的运行均到达理想的运行工况。 2.2水泥生产线对外排放的余热量分析 根据水泥生产线工艺流程，生产线废气余热主要来源于窑尾预热器出口烟气，篦冷机尾排烟气。 根据生产线的运行情况，业主提供废气参数如下： 窑尾预热器出口： 368000Nm3/h-310℃； 窑头冷却机出口： 304000Nm3/h-360℃； 旁路放风废气： 25400Nm3/h-1050℃ 根据以上资料及烟气流程，水泥窑用于余热发电的废气参数确定如下： SP余热锅炉 窑尾SP余热锅炉布置于高温风机正上方，锅炉进风取自窑尾预热器C1筒出风管道，本方案考虑5℃温度损失和1.5%的旁通阀门泄漏，SP余热锅炉废气设计参数确定如下： 362480Nm3/h-305℃/208℃ AQC余热锅炉 对于AQC余热锅炉，由于当地的原料含碱量较高，导致熟料含碱，致使进入AQC锅炉废气含碱，AQC余热锅炉的蒸发受热面比较容易结块堵灰，因此采用传统的工艺流程，废气先经过粉尘别离器，再进入余热锅炉，使碱及早形成固态并沉降下来，减少对受热面的粘附，且加大换热面间距；有效的提高了锅炉的换热效率及防止积灰，以减轻熟料颗粒对窑头余热锅炉的冲刷磨损，但因为冷却机取风口到锅炉进口的距离相对较远，为减少中间环节（主要是废气别离器）漏风及温度损失，本方案将别离器与AQC余热锅炉固化为一体，在锅炉入口处设置降尘室，以到达预除尘的目的。尽管如此，从冷却机取风点至AQC锅炉入口仍有大约5℃的温度损失。 考虑窑头篦冷机内部温度的分布及工作特性，并为了提高烟气余热品质，采用在窑头冷却机中前部取风的方式，拟采用两个取风口，其中高温风进入锅炉一级进风口，中温风进入锅炉二级进风口，每个取风管道上均设置调节型烟风阀门，便于灵活控制进入余热锅炉的风温。为了保证一级进风温度，设置自窑头罩至锅炉的烟道并配置调节型烟风阀门。 窑头冷却机废气分配如下： 高温一级取风废气参数：64090Nm3/h-470℃ 中温二级取风废气参数：239910Nm3/h-325℃ 另外，篦冷机鼓风采用热循环风方式，自窑头排风机回风至篦冷机二段、三段鼓风机入口，在冬季运行时，有效的保证了AQC锅炉的进风温度，大大提高了窑头余热资源的更充分利用。 2.3装机容量 充分利用水泥生产线废气余热。 余热电站的生产运行不能影响水泥生产系统的生产运行及热耗指标。 余热电站的系统及设备应以“成熟可靠、技术先进、节省投资、提高效益〞为原那么，并考虑目前国内余热发电装备的技术水平，最大限度的采用先进的热力系统和技术。 烟气通过AQC和SP余热锅炉沉降下来的粉尘回用窑灰资源综合利用工程以到达节约资源及环境保护的目的。 尽量采用节能型产品，在利用废气余热的前提下进一步提高节能技术水平。 余热电站的建设尽量少的影响水泥生产线的停产时间。 电站控制采用DCS控制系统，提高控制水平和运行稳定性。 根据目前国内余热发电技术及装备现状，结合水泥窑生产线余热资源状况，采用低温低压余热发电技术。 根据目前的余热发电的技术水平，对锅炉出口主蒸汽压力为1.60MPa参数下，需： AQC锅炉： 22.5t/h-1.6MPa(a)-440℃过热蒸汽 7.45t/h-0.30MPa(a)-170℃过热蒸汽 SP锅炉： 20.5t/h-1.6MPa(a)-285℃过热蒸汽 汽机进汽参数：1.5MPa(a)-360℃；0.20MPa(a)-160℃。 基于汽轮机排汽压力为0.007MPa(a)，经计算蒸汽共具有约11275kW的发电能力。考虑到汽轮机的稳定工作范围为额定功率的40%～110%，配备一台额定发电功率为9000KW的汽轮机和一台9000KW的发电机及1台窑尾余热锅炉+1台窑头余热锅炉。 2.4热力系统 根据上述装机方案，为满足生产运行需要并到达节能、回收余热的目的，结合水泥生产工艺条件，热力系统方案确定如下： 1)SP余热锅炉： 在窑尾设置SP余热锅炉，余热锅炉设置蒸汽段和省煤器段：蒸汽段生产1.6MPa(a)-285℃的过热蒸汽，锅炉省煤器给水来自AQC余热锅炉热水段。 2) AQC余热锅炉 AQC余热锅炉设置主汽过热段，主蒸汽段，低压蒸汽段及热水段。冷却机中部抽取一级高温废气进入AQC余热锅炉主汽过热段，生产1.6MPa(a)-440℃的过热蒸汽；冷却机中部抽取的二级中温废气进入AQC余热锅炉主蒸汽段，生产主汽饱和蒸汽；低压蒸汽段生产的0.3MPa(a)-170℃的过热蒸汽用于汽轮机补汽；AQC炉热水段生产的130℃热水作为SP、AQC余热锅炉各级蒸汽段的给水，AQC锅炉废气经原有的窑头收尘系统收尘后排入大气。 热力系统构成： 汽轮机凝结水经凝结水泵送入真空除氧器，真空除氧器的出水经锅炉给水泵为窑头AQC余热锅炉热水段供水，AQC余热锅炉热水段的出水做为AQC、SP余热锅炉各级蒸汽段的给水。AQC和SP余热锅炉主蒸汽段生产的过热蒸汽在汽轮发电机房合并后进入汽轮机的主进汽口。AQC低压蒸汽段生产的0.3MPa(a)-170℃过热蒸汽做为汽轮机的补汽；汽轮机做功后的乏汽通过空气冷凝器冷凝成水，经凝结水泵送入真空除氧器，从而形成完整的热力循环系统。 窑头熟料冷却机余热锅炉采用多段受热面，最大限度地利用了窑头熟料冷却机废气余热。 为了保证电站事故不影响水泥窑生产，余热锅炉设有旁通废气管道，一旦余热锅炉或电站发生事故时，可以将余热锅炉从水泥生产系统中解列，不影响水泥生产的正常运行。 窑头、窑尾余热锅炉均采用立式结构，并采取相应措施解决锅炉的漏风、磨损、堵灰等问题，同时这种结构可减少占地面积。 除氧器采用真空除氧方式，有效的保证了除氧效果。 窑头降尘装置与窑头余热锅炉固化于一体，减少了窑头废气输送过程中的温度损失。 为保证窑尾锅炉下灰顺畅，在SP锅炉内部设置了振打除灰装置，保障清灰效果。 电站的控制采用DCS集中控制，保证了电站的稳定运行和与水泥生产线的合理衔接。 以上各项措施已经在众多工程中得到应用，并取得了较好的效果，因此该技术是成熟、可靠的。 2.5冷却水系统 1）设备冷却用水量 根据窑头、窑尾余热锅炉产生的蒸汽品质及蒸汽量、汽轮发电机的汽耗和冷却倍率计算确定本电站工程冷却水量如下： 凝汽器冷却水量：3850 m3/h 冷油器冷却水量：100 m3/h 空气冷却器冷却水量120 m3/h 其他设备冷却水量：30 m3/h 循环冷却水总量：4100 m3/h 2）设备冷却水系统方案 设备冷却用水拟采用循环系统。循环冷却水系统包括循环冷却水泵、冷却构筑物、循环水池及循环水管网。该系统运行时，循环冷却水泵自循环水池抽水送至各生产车间供生产设备冷却用水，冷却过设备的水（循环回水）利用循环水泵的余压送至冷却构筑物，冷却后的水流至循环水池，供循环水泵继续循环使用。为确保该系统良好、稳定的运行，系统中设置了加药和旁滤设备。 3）循环冷却水系统设备选型 机组运行期间，循环水量因室外气象条件的变化而变化，根据机组所在地区的气象条件和本工程的冷却用水量、建设场地的特点，循环冷却水泵拟采用2台单级单吸卧式离心泵，冷却塔拟采用玻璃钢机械通风冷却塔，冷却塔的进出水温差按8℃计算。 4）系统损失水量与补充水量 根据余热电站建设所在地区气象条件和本工程的冷却用水量，以及系统所采用的冷却构筑物型式，计算得出： 蒸发风吹渗漏水量：59 m3/h 系统排水量：9 m3/h 损失水量：68 m3/h 间接循环利用率为98.2%左右，循环水系统需补充新鲜水量68m3/h。 2.6化学水处理系统 水泥余热电站中的余热锅炉属于低压蒸汽锅炉。为满足锅炉及机组的正常运行，锅炉给水指标应满