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1、两代水泥窑纯余热发电技术及相关问题比较研究摘 要：本文对目前我国新型干法水泥窑纯余热发电几种热力循环系统、循环参数、废气取热方式的特点及发电能力进行了研究、分析、比较，其分析、研究、比较过程及结论，在我国水泥工业工艺及装备技术得以迅速发展、数百条日产数千吨级大型干法水泥熟料生产线陆续投产的情况下，相信本文对水泥生产企业建设余热电站的决策及水泥窑纯余热发电技术、装备的发展有指导意义。 主题词： 水泥工业 余热发电 发电能力 1、前言近年来，随着我国水泥工业数百条大型干法水泥熟料生产线（简称水泥窑）的陆续投产，为水泥窑纯余热发电技术及装备的推广应用创造了市场条件。在这个背景条件下，目前国内具有水泥
2、窑余热发电工程设计、技术开发能力的数家单位，以利用日本KHI技术及设备建设的安徽宁国水泥厂、广西柳州水泥厂纯余热电站为蓝本，推出了几种水泥窑纯余热发电的热力循环系统并已在上海万安企业1400t/d、浙江三狮2500及5000t/d预分解窑等数条生产线上实际应用。考虑目前国内陆续投产的大型水泥窑技术及装备的变化并结合国内火力发电设备设计制造现状，对水泥工业纯余热发电应采用的热力循环系统、循环参数及废气取热方式进行深入的研究分析从而促进我国纯余热发电技术的发展、充分合理利用余热尽而提高余热发电能力是非常必要的。2、第一代纯余热发电技术目前国内常用的水泥窑纯余热发电技术（暂且称为第一代纯余热发电技术
3、）有如下三种：其一：不补汽式纯余热发电技术，见图1。其二：复合闪蒸补汽纯余热发电技术，见图2。其三：多压补汽式纯余热发电技术，见图3图1：不补汽式纯余热发电热力循环系统、循环参数及废气取热方式图2：复合闪蒸补汽式纯余热发电热力循环系统、循环参数及废气取热方式图3：多压补汽式纯余热发电热力循环系统及废气取热方式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200400废气及窑尾预热器排出的280400的废气余热；最重要的特点是采用0.691.57MPa-饱和340低压低温主蒸汽。区别仅在于：窑头熟料冷却机在生产0.691.57MPa
4、-饱和340低压低温蒸汽的同时或同时再生产0.10.5MPa-饱和160低压低温蒸汽、或同时再生产85200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多压补汽式适用于汽轮机房与冷却机距离较近的情况。上述三种系统共同的问题是没有很好利用熟料冷却机的废气温度，系统只生产低温低压蒸汽，余热没有按其温度分布进行梯级利用，使得对于带有5级预热器水泥窑其余热发电能力在保证满足生料烘干所需废气温度为210、煤磨烘干所需废气参数、不影响水泥生产、不增加水泥熟料烧成热耗及电耗、不改变水泥生产用原燃料的烘干热源、不改变水泥生产的工艺流程及设备的条件下，每吨熟料余
5、热发电量实际上不可能超过720kcal/kg-33kwh（实际熟料产量为5000t/d,热耗为小于720kcal/kg或者预热器出口废气温度小于330,生料烘干温度大于210时的发电功率不会大于7000Kw）。如果设计超过720kcal/kg-33kwh(7000 Kw），或者是提高发电量而加大装机容量（比如装机容量为9000 Kw）,其途径只能是:要么增加窑尾余热锅炉受热面积(增加锅炉重量)以降低锅炉出口废气温度（即是降低生料烘干废气温度）而增加蒸汽产量; 要么增加熟料热耗以提高废气温度而增加蒸汽产量; 要么实际熟料产量大于5000t/d。这样势必要增加电站投资或者影响水泥生产物料烘干或者增
6、加熟料生产能耗。3、第二代纯余热发电技术（专利技术，保护范围：主蒸汽参数1.63.82Mpa次中压或中压-饱和温度至450过热蒸汽，窑头熟料冷却机两个及两个以上用于生产蒸汽的取废气口，窑尾预热器设置独立的蒸汽过热器）针对第一代纯余热发电技术的上述特点，分析水泥窑废气温度及废气热量的分布情况如下： 不带余热发电时的废气温度及热量分布图，见图4；第一代余热发电的废气温度及热量分布图，见图5；第二代余热发电的废气温度及热量分布图，见图6；图4：不带余热发电时的废气温度及热量分布图 图5：第一代余热发电的废气温度及热量分布图 图6：第二代余热发电的废气温度及热量分布图 根据上述废气温度及热量分布，发电
7、系统完全有条件采用中温中压主蒸汽参数，为此笔者提出同时已经实际应用了两种第二代余热发电热力系统及废气取热技术并申请了专利，分别见图7、图8 图7：目前已经推广应用的第二代余热发电热力系统图8：目前正在进行工业性试验的第二代余热发电热力系统 上述第二代余热发电技术的特点：(1)改变抽取窑头熟料冷却机废气方式，即在靠冷却机进料端(热端)设置一抽取400600废气的抽废气口，同时在冷却机中部设置抽取250400废气的抽废气口。根据废气温度，利用AQC炉生产1.63.82Mpa次中压或中压饱和温度至450的过热蒸汽并同时生产0.10.5Mpa饱和温度至180的低压低温蒸汽、85200热水。(2)在利用
8、窑尾预热器系统最终（C1级旋风筒出口）排出的250400废气的同时，利用C2级旋风筒内筒至C1级旋风筒入口的450600废气设置蒸汽过热器。这样：一方面C1级旋风筒入口的450600废气温度仅降低2025，是水泥生产所允许的同时不会增加熟料热耗；另一方面，通过设置的过热器及SP炉可生产1.63.82Mpa次中压或中压饱和温度至450的过热蒸汽。(3)为了提高可靠性并降低开发技术难度,笔者所在单位目前在工程中没有设置C2级旋风筒内筒过热器,而是将SP炉产生的饱和蒸汽通过在靠冷却机进料端(热端)设置的400600抽废气口与AQC炉生产的饱和蒸汽一起过热为过热蒸汽,见图7。上述第二代余热发电技术的特
9、点：(1)改变抽取窑头熟料冷却机废气方式，即在靠冷却机进料端(热端)设置一抽取400600废气的抽废气口，同时在冷却机中部设置抽取250400废气的抽废气口。根据废气温度，利用AQC炉生产1.63.82Mpa次中压或中压饱和温度至450的过热蒸汽并同时生产0.10.5Mpa饱和温度至180的低压低温蒸汽、85200热水。(2)在利用窑尾预热器系统最终（C1级旋风筒出口）排出的250400废气的同时，利用C2级旋风筒内筒至C1级旋风筒入口的450600废气设置蒸汽过热器。这样：一方面C1级旋风筒入口的450600废气温度仅降低2025，是水泥生产所允许的同时不会增加熟料热耗；另一方面，通过设置的
10、过热器及SP炉可生产1.63.82Mpa次中压或中压饱和温度至450的过热蒸汽。(3)为了提高可靠性并降低开发技术难度,笔者所在单位目前在工程中没有设置C2级旋风筒内筒过热器,而是将SP炉产生的饱和蒸汽通过在靠冷却机进料端(热端)设置的400600抽废气口与AQC炉生产的饱和蒸汽一起过热为过热蒸汽,见图7。上述第二代水泥窑纯余热发电技术能够取得的效果：前述三个特点使笔者提出的第二代水泥窑纯余热发电热力循环系统及废气取热方式，在不影响水泥熟料热耗、满足原燃料烘干所需温度210及燃料烘干、不改变水泥生产工艺及设备、不影响水泥窑生产的条件下：其一，余热可以同时生产次中压或中压饱和至450的过热蒸汽、
11、0.10.5Mpa饱和至180的低压低温蒸汽、85200热水；其二，最重要的是:热力循环系统可以采用次中压中温或中压中温参数，提高了热力循环系统效率,在充分利用水泥窑不同废气温度的余热的同时，实现了热量根据其温度进行梯级利用的原理；其三，第二代水泥窑纯余热发电热力循环系统、循环参数及废气取热方式使水泥窑废气余热按其质量最大限度地转换为了电能，从而使余热发电能力比目前普遍采用的第一代水泥窑纯余热发电技术得以大幅提高,吨熟料发电能力实际可达到720Kcal/Kg-3842kwh/t。4、两代纯余热发电技术发电能力的比较4.1前提条件为了科学实用地得出比较结论，做如下假设：水泥窑5500 t/d熟料
12、产量，热耗小于720kcal/kg，生料烘干温度210；窑尾废气参数353600Nm/h-330，出锅炉废气参数353600Nm/h-210；窑头冷却机废气参数310000Nm3/h-290，出锅炉废气参数310000Nm3/h-100；不考虑粉尘、散热、漏风、排污等因素；发电机效率为96.5%；第二代技术主蒸汽参数2.29Mpa380，第一代技术主蒸汽参数0.98Mpa310。4.2比较过程比较及计算过程见下表： 4.3主要结论：根据上表，发电能力的比较结论如下：在各台余热锅炉进口废气温度、出口废气温度相同的条件下，由于第二代纯余热发电技术实现了水泥窑废气余热按其温度梯级利用，其发电能力比第
13、一代提高14.5%31.25%；4.4产生发电能力差异的原因产生发电能力差异的根本原因是两类纯余热发电技术采用的主蒸汽参数不同,其中:第一代纯余热发电技术 采用的是0.691.57MPa-饱和340低压低温主蒸汽,而第二代纯余热发电技术 采用的是1.63.82MPa-饱和450中压中温或次中压中温主蒸汽。遵循的理论基础仍然是根据热力学热力循环基本理论得出的提高火力发电厂循环效率为如下的四点结论:a提高初参数（即汽轮机主蒸汽进口的蒸汽压力和温度），即提高循环参数或称主蒸汽压力和温度；b降低终参数，即降低汽轮机的排汽压力和温度；c采用在汽轮机不同压力级分别抽出不同压力的适量蒸汽用于逐级加热锅炉给水
14、以提高锅炉给水温度的回热循环；d采用在汽轮机某个压力级将蒸汽全部抽出后将蒸汽全部回至锅炉继续加热升温，再将其回至汽轮机的再热循环。由于余热发电热源的特点，上述四点结论中的回热循环及再热循环不适用于水泥窑纯余热发电技术。提高初参数的作用,以温度为例：1000kcal/h的热量,如果温度是1000,理论上可以转换为0.9135Kw的电力；同样是1000kcal/h的热量,如果温度是100,理论上可以转换为的电力只有0.3118Kw。5、行业中关心或有疑问的问题51问题对于上述两代纯余热发电技术，行业中关心或有疑问的问题有如下几方面（1）对水泥生产是否有影响（如：物料烘干，窑系统的操做等）？（2）对
15、热耗的影响即对入炉三次风和入窑二次风是否有影响？（3）对熟料冷确效果是否有影响？（4）对水泥熟料生产波动的适应性？相对于第一代技术，对第二代技术关心或有疑问的特殊问题：（1）两台余热锅炉共用一台过热器，当过热器有问题时电站是否必须停机的电站运转率问题？（2）除了发电能力外，其它方面是否比第一代更可靠？（3）国外先进工业国家为何在中国采用低压低温参数？根据近年已投产的余热电站生产运行及山水昌乐水泥公司余热电站调试试生产情况，对于已建设投产余热电站的水泥生产企业，上述问题已不再是其担心的问题。对于国外先进工业国家为何在中国采用低压低温蒸汽参数，首先国际上还没有新的热力循环理论产生，其次在国外先进工
16、业国家本土及其在台湾等地区建成的水泥窑余热电站，基本上采用的都是中压中温或次中压中温主蒸汽参数，因此，这个问题是难以得出答案的。52对水泥生产的影响余热电站投入运行后对水泥生产总会是有一些影响的，其主要为：由于窑尾增设了余热锅炉使废气温度大幅降低而不能喷水增湿，这样将影响窑尾废气收尘效果同时需调整原料烘干废气运行参数；由于窑头熟料冷却机增设了余热锅炉，当熟料冷却机废气排风机原设计能力不足时，需调整或更换废气排风机。余热电站虽然对水泥熟料生产线的上述几个环节有一定影响，但同时在其它一些环节也有利于水泥熟料生产线的运行：如可以降低窑尾高温风机负荷(风温降低、粉尘减少)及窑尾废气收尘器粉尘负荷，可以
17、避免熟料冷却机废气收尘器经常被烧坏而影响收尘效果等。53两代纯余热发电技术的其它方面比较除了发电能力外，第二代纯余热发电技术在如下三个方面也优于第一代：(1)第二代纯余热发电技术可以解决第一代纯余热发电技术主蒸汽温度不能调温的问题；(2)由于第二代余热发电技术采用相对高压、高温主蒸汽，其蒸汽及水管道、汽轮机体积、循环冷却水量等均小于第一代纯余热发电技术，因此对于同一条水泥窑来讲：第二代余热发电技术虽然发电能力高但其单位Kw装机投资却低于第一代技术或与其基本持平；(3)因采用较高的主蒸汽压力和温度，为汽机采用大范围变化主蒸汽压力和温度的滑参数运行创造了条件（当设计采用主蒸汽压力和温度为2.29M
18、Pa-380时，实际运行变化范围可以达到1.02.5Mpa、300400）；而第一代纯余热发电技术的汽轮机主蒸汽压力和温度允许变化范围则要小得多（当设计采用主蒸汽压力和温度为0.98MPa-310时，实际运行变化范围只能达到0.691.27Mpa、290330）。因此，第二代纯余热发电技术在可提高余热发电能力的同时，由于主蒸汽参数允许运行变化范围比第一代技术大得多，发电系统的运转率、可靠性、对水泥窑生产波动的适应性也将比第一代技术好的多。这一点已在山水集团余热电站调试及试运行中得以充分证明。6、第三代纯余热发电技术对于上述第二代纯余热发电技术，我们根据调试及试生产所取得的初步经验并进一步分析水
19、泥生产工艺过程及废气温度、废气热量分布情况，我们目前已研究开发成型第三代纯余热发电技术，其目标为：对于带有5级预热器的新型干法窑其余热发电能力在保证满足生料烘干所需废气温度为210、煤磨烘干所需废气参数、不影响水泥生产、不增加水泥熟料烧成热耗及电耗、不改变水泥生产用原燃料的烘干热源、不改变水泥生产的工艺流程及设备的条件下，每吨熟料余热发电量达到或超过720kcal/kg-4852.5kwh（对于5000t/d水泥窑，发电机组可为1000011000KW），这一目标是理论分析实际可能达到的最高目标。目前我们已在国内一条5000t/d、一条3200t/d、一条2500t/d水泥窑余热发电的设计上采用这项技术并已进入实施阶段。