淺析水泥純低溫余熱發電原則熱力系統方案

劉長毅

[摘要]水泥純低溫余熱發電技術是一種利用新型干法水泥生產線窯頭和窯尾的高溫廢氣，生產低參數蒸汽作為工質進行發電，是國家現在大力推廣的一項節能新技術，要求新型干法水泥生產線均配套建設純低溫余熱電站。

[關鍵詞]水泥純低溫余熱發電熱力系統優化

中圖分類號：TQ17文獻標識碼：A文章編號：1671-7597(2009)0610129-02

一、重慶XX水泥公司新型干法水泥生產線的廢氣親熱資源概況

水泥純低溫余熱電站的規模和熱力系統的選擇取決于水泥工藝廢氣的余熱量及其性質，進而取決于水泥生產規模和生產工藝，對于同一種生產規模若采用的生產工藝和設備不同，那么余熱性質也有較大的差別。對重慶xx水泥公司的1×4500t／h新型干法水泥生產線，低溫純余熱發電系統的余熱回收分為兩部分：其一是窯尾預熱器出口的廢氣余熱；其二是窯頭冷卻機(篦冷機)出口的廢氣余熱。

本工程水泥生產線窯頭冷卻機采用的是第三代充氣梁篦冷機。窯頭冷卻風根據的工藝配置和原燃料特性，設窯用二次風和分解爐用三次風，窯頭廢氣余熱主要來自篦冷機的冷卻風，其余熱量與熟料的燒成狀態和篦冷機的效率有關。經過比較采取對窯頭冷卻機局部改造后從中部抽氣的取氣方案，可保證抽取的廢氣溫度達到350℃以上，排氣溫度根據熱力系統設計確定，廢氣量為18×10⁴m³／h(標況)。

本工程水泥生產線窯尾預熱器廢氣量(標況)為32萬m³／h，廢氣溫度330℃。這部分廢氣還要用于生料粉磨的烘干用風，其用風溫度隨生料入磨水分而變化，本工程入窯生料烘干用風需要的溫度為220℃。考慮到上述水泥生產工藝要求，窯尾廢氣余熱可利用的廢氣量為32×10⁴m³／h(標況)，進／出口廢氣溫度：330℃／220℃。

二、熱力系統方案分析選擇

現在國內水泥純低溫余熱發電技術的經過幾年的發展，已經從當初的進口引進到現在的全部國產化，取得了很大進步。目前采用的主要熱力系統工藝有雙壓系統，單壓系統和閃蒸系統三種。此外還有一些改進技術方案如增設次中壓過熱器，將窯頭窯尾的蒸汽進一步過熱以提高蒸汽初參數的技術方案，但是該方案的過熱器是從波動較大的窯頭廢氣中取出，因此運行穩定性受到影響，目前工程應用較少。結合本工程余熱條件，只對雙壓系統，單壓系統和閃蒸系統三種主要的熱力系統方案進行分析比較。

(一)單壓系統

單壓系統是目前最普遍采用的熱力系統，其流程如圖1所示。本熱力系統中，窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐生產相同或相近參數的主蒸汽，混合后進入汽輪機，主蒸汽在汽輪機內作功在凝汽器凝結成水，經窯頭鍋爐加熱后到熱力除氧器除氧，由給水泵送入窯頭余熱鍋爐加熱，窯頭余熱鍋爐生產的熱水再為窯頭余熱鍋爐蒸汽段和窯尾余熱鍋爐供水，兩臺余熱鍋爐生產出合格的主蒸汽，從而形成一個完整的熱力循環。

單壓系統的主要特點是汽輪機只設置一個進汽口，窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐只生產參數相同或相近的主蒸汽。單壓系統流程見圖1。

(二)熱水閃蒸補汽系統，簡稱閃燕系統

閃蒸系統應用熱力學上的閃蒸原理，根據廢氣余熱品質的不同而生產一定壓力的主蒸汽和熱水，主蒸汽進入汽輪機高壓進汽口；熱水則在閃燕容器里產生出低壓的飽和蒸汽，然后補入補汽式汽輪機專門設計的低壓進汽口；主蒸汽及低壓飽和蒸汽在汽輪機內一起作功，然后拖動發電機發電。低壓蒸汽發生器內的飽和水進入除氧器，與冷凝水一起經除氧后由給水泵供給鍋爐。閃蒸系統流程見圖2。

(三)雙壓補汽系統，簡稱雙壓系統

雙壓系統是根據水泥窯廢氣余熱的品位的不同，余熟鍋爐分別生產較高壓力和較低壓力的兩路蒸汽。余熱鍋爐生產出較高壓力的蒸汽后，煙氣溫度降低，余熱品位下降，根據低溫煙氣的品位，再生產低壓蒸汽。較高壓力的蒸汽作為主蒸汽進入汽輪機主進汽口；較低壓力的蒸汽進入汽輪機的低壓進汽口；一起在汽輪機作功，推動發電機發電。作功后的乏汽在凝汽器凝結成水后經凝結水泵加壓到除氧器除氧，再進入熱力循環。

(四)不同熱力系統的比較

1．不同熱力系統的發電能力的計算

根據公司水泥生產線的廢氣余熱資源情況，三種熱力系統配置下發電能力計算結果如下表所示：

2．投資和收益估算

按年運行7680h，年平均折舊15年估算如下：

3．方案比較選擇

(1)經濟性比較

雙壓系統由于補汽汽輪機及其系統均比單壓系統復雜，因此投資和運行維護成本均高于單壓系統。閃蒸系統目前主要石引進日本的川崎技術，投資和運行維護成本較高。估算表明，和單壓系統相比較，雙壓系統增加的投資和其增加的收益相比，需要約9年才能收回增加的投資。

(2)技術性能比較

單壓系統的系統是最簡單的，相應的也是最可靠和穩定的閃蒸系統和雙壓系統在理論上具有能源梯級利用的優勢，比單壓系統的發電能力略強一些，技術比單壓系統先進。但作為工程應用，兩者增加的發電效益與其增加的投資相比，在經濟上反不如單壓系統。

(3)運行維護比較

由于單壓系統的熱力系統簡單可靠，沒有補汽的中間環節和設備，因此對運行人員的要求較低，其運行維護也較其余兩者簡便。

綜合上述分析比較，同時考慮到該公司的水泥生產是主業、余熱發電是副業的技術原則，發電技術人員配備情況及公司的意見，本工程最終選擇單壓系統為施工圖設計方案。