水泥窯余熱發電鍋爐技術分析

王勇

摘要：本文針對目前企業在各類項目中承包水泥窯余熱發電鍋爐工程的迫切需要，從我國目前的水泥窯余熱發電技術標準入手，結合國家標準中涉及到的各類大型工程、總體性實驗、施工驗收等多方面的標準化程序，對我國目前水泥窯余熱發電鍋爐進行技術分析，從而提高相關方面的技術積累。

關鍵詞：水泥窯，余熱發電，鍋爐，技術分析

引言

水泥生產相關工業是我國重工業領域單位產品能耗較高的一類產業，具備極高的節能減排技術發展條件。在我國目前日益重視生態環境保護的前提下，水泥產業在政府的引導下不斷進行節能減排技術革新[1]。在這個過程中，誕生了水泥窯余熱發電鍋爐技術，其環境效益主要體現在對大氣污染的減少以及對發電燃料的節省。本文基于此提出在項目建設過程中需要注意的基本問題。

一、重視配套電氣設備的合理設計

目前，各類余熱發電項目的裝機量可以達到幾十mW。根據所采用的不同技術方案，余熱發電技術可以分為單壓、雙壓、閃蒸等多種成熟的技術方案。在各類水泥窯余熱發電項目中，采用蒸汽作為介質的郎肯循環汽輪機是目前主要的應用方案。由于水泥窯余熱發電鍋爐設備的運行工況較為惡劣，環境封閉導致空氣散熱能力不強，這對配套電氣設備的隔熱、散熱、安全距離等多種方面產生了嚴重的影響。這就要求設計方根據不同企業的不同氣候特點和生產環境進行因地制宜的考慮。[2]

例如，在超高海拔地區的余熱發電項目，由于其氣壓較低、空氣密度小，設備依靠空氣散熱的能力進一步被削弱，這就要對變壓器的散熱算式進行修整，根據海拔的升高而引入散熱器的修正系數。對于自冷型變壓器，相關修正算式為k=1+（β-1000），其中β為項目地點的海拔高度。同時還要考慮電機實際的功率衰退。如果電機因為溫度或工況等因素產生性能的衰退，那么其發熱量將會明顯增加，從而造成一定的危險。這就要求設計方在選擇電機的過程中，根據實際地區的海拔以及環境特點，選擇合適的電機，充分考慮電機的功率衰退以及絕緣溫度。同時，變頻器、電纜的選擇也要做到因地制宜。在超高海拔地區存在降容效應，這就要求在選擇變頻器的時候將其降容系數納入考慮范圍。同時軟導線以及母線的設計過程中也需要進行截面增大。對于電纜的施工，建議在環境惡劣的地區采用特殊電力電纜和冷縮接頭，并采用沿管溝敷設的方式以提高系統在電力設備方面的可靠性。

二、選擇恰當的冷卻設施安裝高度

水泥窯余熱發電系統的水泵功能主要是向鍋爐供水、凝結水泵送以及循環冷卻水泵送。這些水泵大多屬于自灌式離心水泵，需要根據大氣壓和環境特點合理選擇其安裝高度。水泵的離心吸水性能主要通過真空高度H來衡量。H越大，則吸水性能越好。但是真空高度H的測量條件過于理想，這個H是水泵在水溫為20℃的國家規定標準狀況下進行的測試。而在真正的實際應用中，則需要考慮大氣壓、液體溫度等對水泵的影響，因此可以對水泵真空高度H進行一定的修正：

h=H-（10.25-P）-（F-0.24）

其中，

h為修正后的真空高度（m）;

H為標準真空高度（m）;

P為項目地點的大氣壓（mPa）

F為實際條件下的飽和蒸汽壓力（mPA）。[3]

例如，考慮到部分地區的工作狀況惡劣或空氣不夠流通，導致流經電機散熱器的空氣流量不足，從而大幅降低電機的散熱性能，導致電機溫度過高，影響整個系統的工作效率，嚴重時還可能造成火災等嚴重惡性事故，因此在水泵電機的選擇過程中，通常參照國際標準規定的普通功率進行一定范圍的提檔。

在項目設計過程中，還需要考慮機械通風冷卻塔的高度。通風冷卻塔的功能是通過空氣和循環水的直接接觸來對循環水進行冷卻，其熱交換方式主要有接觸傳熱和蒸發傳熱兩種。而這兩種換熱方式的占比在不同地域是不同的，與海拔高度、大氣壓強、空氣濕度等都有密切的關系。在大部分地區，蒸發散熱是主要的換熱方式。因此，這就要求項目設計者對冷卻塔的高度進行測算和反復驗證，保證在項目地的氣候條件下，能夠具備良好的散熱條件。

對于循環水池的設計，由于南北方的項目氣候條件不同，也需要進行特別的考慮。例如，北方地區的凍土層較厚，要對循環水池外壁設置保溫層。需要注意的是，此類保溫層的設計和施工并不需要選擇成本較高的材料，只需要在距離外壁一定距離處砌墻，并在在夾縫處填充細沙或者渣土，即可達到要求的保溫效果，并且在一定程度上減少了施工成本。

三、深入學習與靈活運用技術標準

在設計原則方面，中國國家標準GB50295-2008《水泥工廠設計規范》中規定了水泥廠的廢氣余熱利用的前提是保證水泥生產線的設計指標不變，而國際標準ISO26382-2010中并無如此嚴格的要求，只是要求相關的余熱回收率、輔助熱源、熱利用設備效率等重要指標參數符合設計要求，同時要求了需要規劃空調系統、出水蒸汽口、熱水或冷卻水供應流量池，并且要求熱利用設備模式回收余熱的利用順序，確認達到系統的熱平衡。水泥窯余熱發電項目具備良好的環境效益，按照10000t/d生產線進行計算，余熱發電具備1351t/a標煤的節煤潛力，能夠減少200.6t/a的二氧化硫排放。但是由于水泥窯余熱發電系統具有極高的復雜性，目前具備良好的發展前景。而采用我國的國家標準與采用歐美標準能夠產生較大的差價。

例如，一臺配套12MW的余熱發電站鍋爐，使用中國國家標準采購的設備大約在600人民幣左右，而如果采用國外的ASME標準生產此鍋爐，整體造價大概需要翻一倍。不同標準不僅提高了設備的價格，還影響了設計、安裝、土建等全過程的費用。因此我們需要合理把控國家標準的選擇，從而在保證技術要求的條件下盡可能的控制項目造價。中國標準GB50588-2010《水泥工廠余熱發電設備設計規范》中規定窯頭廢氣管道的風速不應大于12m/s，窯尾廢氣管道風速不應大于18m/s，并且管道傾角在不符合設計要求時應加裝防積灰裝置。而美國ARMY標準在《Heat Recovery Boilers》中規定每臺鍋爐都應由薄鋼板制成煙氣連接件連接到煙道，任何部分與可燃物之間的距離都不應小于NFPA 211中的有關規定。同時要對煙氣連接件設計相應的清洗口，在不拆卸煙道的情況下就可以做到煙道的清洗。

可以看到兩種國家標準在對余熱鍋爐與水泥生產線連接件的規定中，側重點顯著不同，國家標準更傾向于對流速以及防積灰裝置進行要求，而美國的ARMY標準側重于清潔的便利性。我國的工程標準更多的類似前蘇聯的模式，與較為先進的國際標準具有較大的差別，對設計、安裝、調試驗收過程的要求較少。因此，我們在進行設計的過程中要對各類標準進行深入學習與靈活運用，從而最大限度降低項目成本。

四、總結

目前我國水泥窯余熱發電設備的項目前景廣闊，具備良好的環境效益與經濟效益。在對不同環境、不同海拔的地區進行項目設計的過程中，應對當地的氣候條件進行充分的調研，在深入學習各類標準文件的基礎上，因地制宜的進行合理的系統設計，重點考慮環境變化對電氣設備、冷卻設備的影響，參照相關國家標準對相關系數進行一定的修正，或者留下適當的余量，從而盡可能的做好水泥窯余熱發電鍋爐項目的設計與安裝工作。

參考文獻：

[1]董偉強.優化控制系統在水泥窯余熱電站上的應用[J].水泥技術，2021（04）：97-101.

[2]管曉東.超高海拔地區水泥窯余熱發電項目設計要點[J].水泥工程，2021（01）：31-32.

[3]蒼國超，劉木堂.水泥窯余熱發電的工質及循環系統的性能分析[J].電站輔機，2019，40（02）：39-43.