1、带余热锅炉的水泥生产工艺简介,一、水泥工业发展余热发电技术的意义和目的,以我国水泥行业为例： 目前我国境内建成并已投入生产运行的新型干法水泥生产线截止2007年底有约796条。为了完成水泥工业结构调整任务，实现到2010年水泥预期产量维持15亿吨(其中：新型干法水泥比重提高到70%，水泥散装率达到60)，累计淘汰落后生产能力4.5亿吨，企业平均生产规模由2005年的20万吨提高到40万吨，企业户数减少到3500家的目标，预计到2015年新型干法水泥生产线的数量将达到1200条左右。即使如期完成水泥工业结构调整任务,全国水泥行业仍将年消耗1.7亿吨标准煤同时消耗1840亿度电。如果不采取相应的资
2、源综合利用措施,仅水泥行业每年浪费的能源就可达5000万吨标准煤,年增加二氧化碳排放量1.3亿吨以上。 自1985年起，水泥工业即开始开展水泥窑余热发电技术的研究、开发、推广、应用工作：从上世纪八十年代初为水泥干法中空窑配套高温余热发电技术起，到上世纪九十年代为初期的新型干法窑配套带补燃锅炉的中低温余热发电技术，再到本世纪为成熟的新型干法窑配套纯低温余热发电技术。也就是说，水泥窑余热发电技术是随着水泥工艺技术的发展而不断发展的，同时也为我国水泥工业的发展、节能技术的进步、推动资源综合利用工作的开展做出了重要贡献，为其它行业树立了典范。 至2008年6月，全国水泥行业在新型干法水泥生产线上已经配
3、套建设各种类型的纯低温余热电站约186座(包括已经投产运行和正在建设的余热电站)，形成年余热发电量98亿度的能力，相当于年节约380万吨标准煤、二氧化碳减排980万吨。,二、水泥工业余热发电技术的简要发展历程,我国水泥窑余热发电技术源于二十世纪三十年代日本人在我国东北及华北地区建设的若干条中空窑高温余热发电站，其水泥窑废气温度为800950、熟料热耗为6700KJ8400KJ/kg，所配套的高温余热发电系统的发电能力为每吨熟料90kWh130kWh。自二十世纪八十年代起至九十年代末，为了适应国民经济的高速发展，考虑水泥生产技术的限制，国内陆续建设投产了了大量的干法中空窑。这种新建的干法中空窑，
4、其废气温度仍为800950、熟料热耗6700KJ8400KJ/kg。为了降低水泥生产能耗，同时也为了解决电力供应不足的矛盾，自1985年起，国内开始开展水泥窑高温余热发电技术的研究、开发、推广、应用工作。至上世纪九十年代末，利用水泥窑高温余热发电技术，为国内水泥行业的约280余条干法中空窑配套建设了高温余热电站，期间随着高温余热发电技术的不断完善和进步，高温余热发电系统的发电能力由每吨熟料90kWh130kWh逐步提高到150175KWh和175195KWh。这项技术的研究、开发、推广、应用为我国水泥工业的发展做出了重要贡献，也为我国开展中低温余热发电技术的研究、开发奠定了基础和积累了经验。,
5、三、余热锅炉简介,和常规锅炉不同，余热锅炉中不发生燃烧过程，也没有燃烧相关的设备，从本质上讲，它只是一个燃气水/蒸汽的换热器。其与燃气轮机配合，燃气轮机的排气(温度约在500600）进入余热锅炉，加热受热面中的水，水吸热变为高温高压的蒸汽再进入汽轮机，完成联合循环。余热锅炉由锅筒、活动烟罩、炉口段烟道、斜1段烟道、斜2段烟道、末1段烟道、末2段烟道、加料管（下料溜）槽、氧枪口、氮封装置及氮封塞、人孔、微差压取压装置、烟道的支座和吊架等组成。 余热锅炉共分为六个循环回路，每个循环回路由下降管和上升管组成，各段烟道给水从锅筒通过下降管引入到各个烟道的下集箱后进入各受热面，水通过受热面后产生蒸汽进入
6、进口集箱，再由上升管引入锅筒。,余热锅炉共分为六个循环回路，每个循环回路由下降管和上升管组成，各段烟道给水从锅筒通过下降管引入到各个烟道的下集箱后进入各受热面，水通过受热面后产生蒸汽进入进口集箱，再由上升管引入锅筒。各个烟道之间均用法兰连接。,四、水泥厂中低温纯余热发电的特点及工艺流程,在水泥厂，中低温纯余热发电与中空窑余热发电不同，有其特殊性。1)中低温纯余热发电技术仅用在带预热器的窑上且完全利用其余热发电；2)废气余热的品位比较低，废气温度一般在200400之间；3)可利用的废气余热源在一个以上；4)余热发电配置的热力系统相对较复杂；5)热力系统的压力等级相对较低；6)单位发电量的设备体积
7、和重量相对较大。,某2000t/d水泥厂余热发电工艺流程,五、发电规模的确定,首先对工艺系统的余热量进行核算以便确定余热发电的规模。一般来说余热量取决于生产规模和生产工艺。对于同一种生产规模若采用不同的生产工艺和设备，那么余热量也有较大的差别。一般中低温纯余热发电系统的余热回收分为两部分：其一是窑尾预热器出口的废气余热；其二是窑头冷却机出口的废气余热。,对于窑尾余热一般生产工艺考虑出预热器的废气余热部分回收作为生料磨的烘干热源，多余部分经增湿除尘后排放。若增加余热回收装置，不能只简单地回收多余部分的废气余热，而要与生料磨系统综合起来考虑，尽可能将高温废气提供给余热锅炉，而将余热锅炉的排气送给生
8、料磨，这样余热锅炉可以利用较大的温差生产蒸气，回收的热焓高，锅炉的受热面小，耗钢量小，产气的压力等级相对较高，有利于提高整个系统的效率。我们曾对某厂窑尾的余热回收作过比较，其结果见表1。,注：废气量为标准状况下。,锅炉的排烟温度受到给水温度的限制，不可能很低，而生料磨的排气温度可到90左右。余热锅炉设在生料磨前，余热锅炉的排烟温度就是入生料磨的废气温度。这一温度的确定受两个条件的制约。 1)入生料磨的原料综合水分； 2)生料磨的操作风量。对此可通过生料磨系统的热平衡计算来初定。然后兼顾考虑余热回收热力系统的蒸气参数，可确定余热锅炉的排烟温度，即可确定窑尾锅炉的余热量。若窑尾有煤磨系统也需一并考
9、虑。 窑头冷却机的余热量的大小除与生产规模有关外还与烧成热耗和冷却机的效率有关。一般是热耗高，余热量小；冷却机热效率高，余热量少。篦冷机的余热回收有下面三种形式： 1)余风直接利用； 2)中部抽气； 3)带回热循环。,从三种情况看第一种系统简单，篦冷机无需改造，但废气温度低，温差小，余热锅炉体积大，耗钢量大；第二种系统简单，回收的废气温度高，可减小锅炉体积和耗钢量，且生产的蒸气温度、压力均可提高，但篦冷机需进行一定的改造；第三种系统较复杂，但余热回收量可显著提高。具体采用何种形式要根据各个厂的实际情况确定。窑头篦冷机的形式及取气方式决定了窑头回收的余热量。最终根据窑头窑尾的余热量可确定发电的规
10、模。 综上在配置余热发电系统时应根据具体情况进行设计才能取得好的效果，而不是某一生产规模就必须达到多少发电量，这只是一种大致的配置，而不是绝对的。,六、系统的主要设备及系统配置,1、余热锅炉余热锅炉按布置形式可分为立式和卧式两种，按循环方式又可分为强制循环和自然循环。在中低温纯余热发电系统中，一般设置两台余热锅炉，一台为窑尾锅炉通常称SP炉，一台为窑头锅炉通常称AQC炉。,2、汽轮发电机,用于余热利用的汽轮发电机的特点是以汽定电，所以要求带负荷的能力可在较大范围内波动，尤其是发电机的选型要考虑能超过设计发电量的15%左右。目前市场上可用于中低温纯余热发电系统的汽轮发电机有两种：一种为单压系统的
11、低参数凝汽式汽轮机。特点是系统简单，适合3000kW左右的小机组。另一种为混压系统，除主蒸气进口外还有一至两个补气口，并辅助采用了热水闪蒸技术，用闪蒸的饱和蒸气混入汽轮机做功。特点是系统较复杂，但系统热效率较高，适合6000kW以上机组。,3、热力系统,在热力系统的设计上一般是根据废气温度及废气量经过合理配置来确定蒸气参数和蒸气量，一般选用的汽轮机的参数比较低。在余热锅炉设置上，对SP炉来说因出炉的废气还要用于原料的烘干，所以一般SP炉带汽包仅设置过热器和蒸发器。AQC炉的排烟无特殊要求，主要设置省煤器，也可带汽包设置蒸发器，有可能的情况下也可适当的设置过热器(如窑头采用图3、图4流程)。余热
12、锅炉的受热面的配置，最终是根据余热资源及最大产气量配置的。所以各水泥厂之间不尽相同，一般余热锅炉采用非标设计。由于系统用于水泥厂的余热发电，所以汽轮机必须带有前压调节装置，当机组在正常运行时，以汽轮机的进口压力作为主要控制参数，来调节机组输出功率以保证压力基本稳定，这种方式可适应废气余热参数的变化，使整个系统有较高的适应性和可靠性。,4、除氧系统,真空除氧 真空除氧器是一种使水在真空下低温沸腾，脱除水中的氧气、氮气、二氧化碳等气体的设备。一般在3060温度下进行。可实现水面低温状态下除氧(在60或常温)，对热力锅炉和负荷波动大而热力除氧效果不佳的蒸汽锅炉，均可用真空除氧而获得满意除氧效果。 真
13、空除氧能利用低品位余热，可用射气抽汽器加热软化水，又能分级及低位安装，除氧可靠，运行稳定，操作简单，适应性强。当负荷在40%120%范围内变化时，除氧效果都能达标。对于低压蒸汽锅炉，其给水含氧量0.05吼即可符合要求，真空除氧器能满足要求。,热力除氧 热力除氧的工作原理即利用蒸汽对水进行加热，使水达到一定压力下的饱和温度，即沸点。这时除氧器的空间充满着水蒸汽，而氧气的分压力逐渐降低为零，溶解于水的氧气将全部逸出，以保证给水含氧量合格，同时还能去除其他的气体。低参数的小型电站采用的是大气式除氧器，工作压力0.02MPa，工作温度104，给水含氧量0.015吼。合理设计的热力系统，在余热电站中使用
14、热力除氧器的同时，可以使AQC锅炉出口的废气温度100，余热利用效率还有所提高。 化学除氧 化学除氧是利用容易和氧发生化学反应的一些药剂，使之与水中溶解氧化合而达到除氧目的。化学除氧能够彻底除去水中溶氧，但不能除去其他气体。现在常用的化学药剂是联氨(N2H)，它不仅能除氧，还可提高给水的pH值，同时还可在管道内表面形成一层保护膜。,5、注意事项,1)提供的工艺系统的操作参数要准确，这些参数是余热回收系统的设计依据。 2)对工艺系统中部分设备要进行核算。窑头、窑尾风机因系统阻力增加，介质温度变化，运行工况点要进行变化，所以要对运行工况下的风机能力和装机功率进行核算，能力不够的要采取相应的措施。生
15、料磨系统。在未考虑余热发电系统以前，一般窑尾的废气作为生料磨的烘干热源热量都有富余，所以对生料磨系统密封要求不是很严格；增加了余热发电系统后，余热要做到最大限度的回收，这就需要对生料磨系统加强密封，尽可能减少漏风。漏风量大会产生两方面的不利影响：提高入磨的热风温度即提高锅炉的排烟温度，锅炉可回收的热量减少；入磨的热风温度越低，生料磨的烘干效率越低，而磨尾的排风量随之增大，耗电量增加。,3)系统的总体设计上汽轮机房尽可能与窑尾锅炉靠近。而循环冷却水池的位置靠近汽轮机房，以减少热损失和自耗电。 4)增加余热发电系统后，会对水泥生产工艺的一些操作参数产生影响，要作适当调整。如窑头篦冷机的操作，生料磨
16、系统的操作，窑头、窑尾风机、电除尘器的操作等。因此，要做好这一工作必须要有专业的水泥工艺技术人员负责协调生产系统和余热发电系统的关系，参与系统的设计和管理工作。调整好各自的操作，才能真正做到不影响水泥工艺的生产，并使余热发电系统高效率运行。,七、水泥生产系统与余热发电系统配置的合理性,1、水泥生产系统的规模与生产能力水泥生产系统的规模应该是整个生产线的生产能力，但在水泥行业实际生产中往往超过生产规模、提高生产能力的情况是很普遍的，而生产能力的变化又直接影响到废气参数，这就引出了余热发电系统的匹配问题。表面看是同规模的生产线，其生产能力可能不相同，其中可能会受到原燃料、海拔高度、设备选型等诸多因
17、素的影响。在配置余热发电系统时应根据具体情况进行设计才能取得好的效果，而不是某一生产规模就必须达到多少发电量，这只是一种大致的配置，而不是绝对的。也不是达不到多少发电量就是技术落后，超过了多少就是技术先进，这种说法既不科学、也不全面。,2、水泥生产过程的波动性水泥生产过程的正常波动，余热发电系统也是可以适应的，但较大的无规律性的波动对余热发电系统很不利，如煤磨需要从窑头篦冷机抽风用于烘干时，煤磨的运转不会与窑系统运转完全同步，必然存在煤磨抽风时和不抽风时供余热发电的气体量与气体温度的变化。从理论分析来看，如果余热发电系统不与水泥生产系统争风争热时，要保持系统的平衡，对25005000t/d规模
18、的余热发电系统供风会有1600035000Nm3/h的风量差和10左右的温差。余热发电系统必须要有应对这种波动的措施，而且发电量也会有所变化。在设计余热发电系统时，应将这种波动的参数详细提供给锅炉和汽轮机的制造商，并在系统设计时采取相应的调整措施。但在实际生产运行过程中，系统平衡也不是绝对的，实际操作也很难控制得恰倒好处。为了保持系统稳定，余热发电系统完全有可能存在与水泥系统争热的问题，因此，最好让煤磨使用窑尾余热锅炉出口的废气作为烘干热源，从源头上消除这种波动。,3、窑头蓖冷机的抽风口位置从热量平衡的角度分析，如果篦冷机抽风口靠冷端，相对温度低、气量大；抽风口靠热端，相对温度高，气量也小一些
19、。按理论计算，在余热发电系统不与水泥生产系统争热的前提下，从发电量看，气量低、温度高的废气发电量大于气量大、温度低的废气发电量。所以用于余热发电的篦冷机抽风口应向热端靠近更为有利，可布置在一般煤磨抽风口的位置或靠近煤磨抽风口的位置，而常规的冷端抽风口只作为余热发电系统停运时的排气通道。如果在篦冷机上设很多个抽风口同时抽气用于余热发电，会使系统很复杂，会增加投资、增加漏风点、增加工艺布置和操作的难度；实际运行中，水泥生产系统也会产生波动，分段抽风的控制很难把握，容易加大与水泥系统争热的概率。,4、余热发电系统与水泥生产系统的热量平衡余热发电系统是否与水泥生产系统争热的问题一直存在着一些争议，首先
20、是考核机制不明确，是否争热应以什么原则为标准，只有在考核原则明确的前提下才能界定是否存在争热的问题。但在工业生产中要保证绝对不争热，理论上是可以的，实际做起来会很难，只能是将这种情况控制在一定指标范围之内即可认为是合理的。将水泥生产系统的热耗和发电量联系在一起进行衡量应该是必要的，但水泥熟料的热耗是以单位熟料指标定义的，这里存在两个问题：一是设计规范对热耗指标的要求都是一个范围，如2000、4000t/d、4000t/d及以上等，并没有对生产规模进行细分，如果要细分，热耗指标是有差异的；二是生产规模与实际生产能力是有差异的，这个问题在前面已经讨论过。因此，除了熟料热耗外，还应该考虑水泥生产系统
21、的实际生产能力，单位热耗指标会因实际生产能力的不同而不同。此外，生产能力相同，使用的燃料不同也会使熟料热耗发生变化。所以要制定一个统一的标准有很大难度，具体项目要具体分析，不能概而论。,具体对某一个项目而言，要衡量余热发电系统配置是否合理，除了余热发电系统本身的效率外，还应看其与水泥生产系统的匹配是否合理，应该将水泥系统实际生产能力、熟料热耗、发电量联系在一起进行考核。比如，在余热发电系统没有投入运行时考核水泥生产系统，这时的实际生产能力与熟料热耗有一对应指标，同时还有一个长期运行指标，如连续运转一个月的平均指标；然后投入余热发电系统之后，生产能力、热耗、发电量也有一个对应指标，也同样连续运转
22、一个月，可得到月平均指标。这时将未投运余热发电系统与投运余热发电系统的指标进行对比，就基本可看出余热发电系统是否与水泥系统争热。当然，余热发电系统本身的因素也会影响发电量，如锅炉的效率、汽轮机的效率、系统综合效率都应作为发电量指标的考虑因素。,5、尽量充分利用废热,多数水泥厂排出的废热都来自窑系统，单独设烘干系统的比较少，窑系统的废热排出点主要还是窑尾预热器出口和冷却机出口，设备表层的散热如果要回收，其技术上可行，但投入与收益是不相称的，重点还是应该考虑将废气中的热充分回收利用。余热锅炉的废气进气温度是水泥生产系统决定的，窑尾锅炉的排气温度要考虑原燃料烘干所需要的热量，其排气温度一般都在200
23、以上，从热源上没有更多可挖掘的余地。而窑头锅炉的排气经处理后排空，已不再使用，其热量应考虑充分回收，当然温度尽量低些更好，但又必须受到一些条件的约束和限制。,6、节点温差,在确定锅炉排气温度时还不能只考虑气体的露点温度，还需要考虑余热锅炉中蒸发器入口处废气的温度与选定压力下的饱和水温度之间的差值(称为节点温差)，随着节点温差的减小，锅炉的排气温度也会相应地减小，这将有利于提高锅炉的热效率，但同时也增大了锅炉的换热面积和阻力损失，相应增加锅炉的投资费用。此外，选定压力越高，饱和水温度也越高，同样影响到节点温差。显然，节点温差是不能为零的，否则锅炉的换热面积将增为无穷大，这也是不现实的。因此节点温
24、差应有一个合理的值，这也可以解释单压系统的排气温度总是高于相应双压系统的排气温度。由于锅炉的排气温度与投资费用相矛盾，设计需要寻求其最佳点，并作为选型依据，这也是进行系统优化需要做的工作。,7、系统差异,当分别采用单压、双压、闪蒸系统时，热回收率不同，当然双压系统的热回收率高一些，。同时投资也增加，操作维护的难度都加大，选择时需要综合考虑，不仅仅是只考虑多回收热量。从计算比较来看，双压系统比单压系统发电量增加大约1.5%1.9%，机组热效率增加约1.7%。在常规发电系统中三压系统比双压系统机组热效率增加约O.6%，可更多地回收热量，而在纯低温余热发电系统中废气温度低，不适合采用三压系统，且经济
25、性也不佳，采用双压系统已经足够了。闪蒸系统的热回收率则处于单压与双压系统之间，但投资较省，其经济性有一定优势。,八、对系统合理配置的建议,在配置余热发电系统时，不能简单将水泥生产系统的规模作为余热发电系统配置的条件，其生产能力要考虑实际增产幅度和相应的热耗指标，如果不能预期生产能力增长幅度，建议按正常生产规模富余10%考虑。 在窑头篦冷机抽风点处，以不影响窑系统正常使用、不与水泥生产系统争热量的情况下，应提高抽气的温度，若保持热平衡不变，抽气量会减少，发电量会增加。即篦冷机的抽风点应尽可能向热端移动，可靠近煤磨抽风点或共用煤磨抽风口。在考虑系统布置时，尽量使煤磨的热源从窑尾锅炉出口抽取。 选择
26、余热发电系统时，应结合热量回收率、经济性、操作维护的难度综合考虑，特别是系统中窑头锅炉的省煤器布置有多种组合方案，且可考虑带除氧的布置，对热量的充分回收会有不同的效果。充分与锅炉和汽轮机的设备制造商进行技术沟通，平衡不同行业之间的差异，也是优化系统参数，保证系统可靠运行的前提。,九、目前已投产的余热电站实际发电情况,至2008年底，全国水泥行业有263条水泥窑已投产或即将投产纯低温余热电站，在这些电站中：85条窑采用的是第二代水泥窑纯低温余热发电技术(以下简称“第二代技术”)，178条窑采用的是第一代水泥窑纯低温余热发电技术(以下简称“第一代技术”)。按燃烧燃料的火力发电厂以汽轮机主蒸汽压力区
27、分为低压、次中压、中压、高压、亚临界、临界、超临界、超超临界的方式，对于水泥窑纯低温余热发电技术中“第一代技术”及“第二代技术”区分如下：第一代技术：无论是单压循环系统还是双压循环系统或复合闪蒸系统，凡是汽轮机主进汽压力小于或者等于1.27Mpa、主进汽温度小于或者等于330的水泥窑纯低温余热发电技术，均称为第一代技术。第一代技术的发电能力实际设计计算指标：当窑尾预热器废气温度为320330时吨熟料发电量为2835KWh/t。第二代技术：无论是单压循环系统还是双压循环系统或复合闪蒸系统，凡是汽轮机主进汽压力大于1.57Mpa、主进汽温度大于340的水泥窑纯低温余热发电技术，均称为第二代技术。第二代技术的发电能力实际设计计算指标：当窑尾预热器废气温度为320330时吨熟料发电量为3845KWh/t。,谢谢！,
