馬小榮

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司水泥廠（037003）

0 前言

能源作為一種戰(zhàn)略資源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著突出的作用，也標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力。在我國(guó)工業(yè)發(fā)展水平不斷提升的基礎(chǔ)上，能源消耗總量也顯著提升。其中，煤炭作為主要的生產(chǎn)能源，在近些年來(lái)工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)逐漸加快的基礎(chǔ)上，煤炭資源消耗總量也明顯加大。同時(shí)，煤炭燃燒過(guò)程中所生成的污染物對(duì)環(huán)境造成極大危害，煤炭雖然加快了工業(yè)化進(jìn)程，但對(duì)環(huán)境問(wèn)題的影響不可忽視。為有效改善這一現(xiàn)狀，需要針對(duì)我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)作出調(diào)整，并加強(qiáng)節(jié)能減排政策的落實(shí)力度?，F(xiàn)階段，針對(duì)余熱資源的回收利用成為一種重要的節(jié)能手段。實(shí)踐表明，余熱資源的再利用具有重大的潛力，在越來(lái)越多的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中余熱資源均發(fā)揮了重要的作用。為此，研究水泥窯低溫余熱的回收再利用具有極為現(xiàn)實(shí)的意義。

1 余熱資源的特點(diǎn)分析

1.1 余熱資源產(chǎn)生的波動(dòng)性

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝的不同，余熱資源的產(chǎn)生狀況也存在直接的差異。部分行業(yè)的生產(chǎn)工藝存在周期性的特征。因此，余熱資源的產(chǎn)生也表現(xiàn)出周期性的特性。一部分行業(yè)的生產(chǎn)工藝存在間歇性特征，其所產(chǎn)生的余熱資源也經(jīng)常處于間斷狀態(tài)。一部分行業(yè)的生產(chǎn)存在連續(xù)性特征，所產(chǎn)生的余熱資源也趨于連續(xù)和穩(wěn)定。在針對(duì)余熱資源進(jìn)行利用時(shí)，需要根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同進(jìn)行余熱資源的回收再利用。

1.2 余熱資源的含塵性

部分生產(chǎn)工藝中所使用的煙氣爐以及閃速爐所排放的煙氣均屬于重要的余熱資源。但其中的含塵量相對(duì)較大，一般在80 g/m3以上。除此之外，部分高溫沸騰爐煙氣中的含塵量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通鍋爐的煙氣含塵量。通常在150 g/m3以上。實(shí)踐證明，在煙氣溫度過(guò)高的情況下，其含塵量也會(huì)相對(duì)較大，此時(shí)煙氣與余熱回收設(shè)備的接觸面上極易產(chǎn)生積灰，這不僅會(huì)影響余熱回收再利用的效果，還可能導(dǎo)致余熱回收設(shè)備堵塞或者損壞[1]。

1.3 余熱資源的腐蝕性

部分燃料燃燒后所產(chǎn)生的煙氣存在一部分的腐蝕性氣體或者腐蝕性元素，在進(jìn)行煙氣余熱回收時(shí)，一旦煙氣中的腐蝕性氣體過(guò)量，并直接與余熱回收設(shè)備接觸，也會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生腐蝕影響。

2 研究水泥窯低溫余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)的必要性分析

能源短缺現(xiàn)象是阻礙我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵性因素，且隨著社會(huì)生產(chǎn)對(duì)能源需求量的增大，能源問(wèn)題也日趨嚴(yán)重。在水泥生產(chǎn)中，對(duì)于煤炭資源和電力能源的需求相對(duì)較大，致使當(dāng)前的水泥制造行業(yè)面臨更大的成本壓力。為能提高水泥制造生產(chǎn)的能源利用率，需要積極開(kāi)發(fā)低溫余熱發(fā)電工程。通過(guò)對(duì)低溫余熱的回收再利用，達(dá)成提高能源利用率和增強(qiáng)生產(chǎn)附加值的目的。同時(shí)，水泥熟料工藝中的熱能利用率也可得到大幅度提升。

從某一層面來(lái)講，水泥窯低溫余熱發(fā)電工程的實(shí)施可以在一定程度上減少水泥制造過(guò)程中的煙氣排放量，達(dá)到降低環(huán)境污染的目標(biāo)，同時(shí)對(duì)于低溫?zé)煔庥酂岬幕厥张c再利用還可以節(jié)省部分資源，利用余熱資源創(chuàng)造更大的生產(chǎn)效益。目前，針對(duì)水泥窯低溫余熱的回收再利用已經(jīng)成為水泥制造行業(yè)發(fā)展中一種必然的趨勢(shì)，低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)不僅滿足資源節(jié)約要求，還符合社會(huì)可持續(xù)發(fā)展要求。因此，研究水泥窯低溫余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)極為必要。

3 水泥窯低溫余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 初步方案

水泥制造選用的生產(chǎn)工藝不同，其生成的余熱資源波動(dòng)也存在直接的差異。為達(dá)到余熱資源回收利用的目的，需要首先明確水泥窯生產(chǎn)的特性和余熱產(chǎn)生的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)電熱力系統(tǒng)方案進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。在本次研究中的水泥制造生產(chǎn)線中，水泥窯的生產(chǎn)參數(shù)相對(duì)平穩(wěn)，所產(chǎn)生的蒸汽參數(shù)也處于基本持平狀態(tài)，所以余熱資源回收的難度不大。因此，三種熱力系統(tǒng)均可滿足余熱資源回收利用的需求。單壓系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，發(fā)電較為穩(wěn)定，但存在熱能利用率偏低的弊端，很難創(chuàng)造最大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，可以選擇復(fù)合閃蒸系統(tǒng)以及雙壓補(bǔ)氣系統(tǒng)，現(xiàn)針對(duì)這兩種系統(tǒng)提出的初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分別闡述。

3.1.1 復(fù)合閃蒸余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)方案

結(jié)合水泥制造的生產(chǎn)線工況，初步方案選用復(fù)合閃蒸熱力系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，共需要配置兩臺(tái)鍋爐和一臺(tái)汽輪機(jī)。其中AQC 余熱鍋爐布置在冷卻廠房和冷卻機(jī)電氣室之間，SP 余熱鍋爐則需要布置在水泥窯尾部的預(yù)熱器架上，還需借助一個(gè)蒸汽母管將兩臺(tái)余熱鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽一并送入汽輪機(jī)。為了達(dá)成水循環(huán)的目標(biāo)，還需設(shè)置一臺(tái)閃蒸器，該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，系統(tǒng)給水會(huì)通過(guò)水泵將其泵入水泥窯頭部的AQC 鍋爐中，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱處理。經(jīng)過(guò)加熱處理后的熱水將被分成三股，分別流入水泥窯尾部的SP 鍋爐、AQC 鍋爐和閃蒸器。流入SP 鍋爐和AQC 鍋爐的熱水通過(guò)高壓省煤器、蒸發(fā)器以及過(guò)熱器的處理后，將形成高壓蒸汽，并最終匯入汽輪機(jī)中。剩余部分進(jìn)入閃蒸器的熱水則通過(guò)閃蒸器的處理后生成低壓飽和蒸汽及飽和水。其中的飽和蒸汽將直接被送入汽輪機(jī)的低壓缸，與高溫蒸汽一起作為推動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)行的動(dòng)力。而剩余的飽和水則會(huì)經(jīng)過(guò)凝汽器處理后，借助凝結(jié)水泵將其再次送入循環(huán)水系統(tǒng)[2]。

3.1.2 雙壓補(bǔ)氣系統(tǒng)方案

與復(fù)合閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)方案相同，均需要在水泥窯的頭部和尾部分別設(shè)置一個(gè)余熱鍋爐。區(qū)別在于雙壓補(bǔ)氣系統(tǒng)方案設(shè)置了兩個(gè)汽水循環(huán)系統(tǒng)，這兩個(gè)汽水循環(huán)系統(tǒng)分別為低壓水循環(huán)系統(tǒng)和高壓水循環(huán)系統(tǒng)。

低壓水循環(huán)系統(tǒng)是先將水泵入水泥窯頭部的AQC 鍋爐，經(jīng)過(guò)低壓省煤器的加熱處理，將高溫水投入鍋爐低壓汽包，并在鍋爐的作用下使其循環(huán)受熱，產(chǎn)生的低壓過(guò)熱蒸汽最終投入汽輪機(jī)的低壓缸中。

高壓水循環(huán)系統(tǒng)是借助高壓給水泵將水投入公共省煤器中進(jìn)行預(yù)熱處理，所產(chǎn)生的高溫水投入鍋爐高壓汽包，剩余部分則被投入水泥窯尾部的鍋爐汽包，進(jìn)入鍋爐汽包內(nèi)的高溫水均處于循環(huán)受熱狀態(tài)，所產(chǎn)生的高壓過(guò)熱蒸汽也會(huì)通過(guò)各路被匯入汽輪機(jī)的高壓缸。在蒸汽利用之后所剩余的蒸汽則會(huì)通過(guò)冷凝器的冷凝處理后重新被投入水循環(huán)系統(tǒng)。

3.2 余熱取熱方法

3.2.1 水泥窯窯頭取熱

一般而言，由水泥窯轉(zhuǎn)出的水泥熟料溫度最高可達(dá)1 500 ℃左右，在水泥熟料加工過(guò)程中需要借助篦冷機(jī)對(duì)其進(jìn)行冷卻處理。常規(guī)處理方法為，利用6～10 ℃的冷卻風(fēng)向篦冷機(jī)內(nèi)吹入，達(dá)到冷卻水泥熟料的目標(biāo)。在向篦冷機(jī)內(nèi)吹入冷卻風(fēng)時(shí)，冷卻風(fēng)會(huì)與高溫熟料產(chǎn)生熱量交換[3]。通常情況下，會(huì)將篦冷機(jī)中所產(chǎn)生的二次風(fēng)和三次風(fēng)供給分解爐和回轉(zhuǎn)爐。但在此過(guò)程中，還會(huì)產(chǎn)生一定的余熱資源浪費(fèi)。因此，需要采取合理的取熱措施對(duì)水泥熟料冷卻過(guò)程中的余熱進(jìn)行合理收集和利用。需要特別注意的是，取熱過(guò)程不得對(duì)水泥熟料的生產(chǎn)工藝產(chǎn)生影響。從理論層面來(lái)分析，抽氣口的設(shè)置會(huì)對(duì)余熱利用效率產(chǎn)生直接影響，即靠近熱端設(shè)置抽氣口，其余熱煙氣流量相對(duì)較小，但溫度較高。靠近冷端設(shè)置抽氣口的情況則恰恰相反，煙氣溫度偏低，但流量較大。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)電原理，溫度越高，流量越大，發(fā)電總量就越大。為此，在設(shè)置抽氣口位置時(shí)，應(yīng)盡量將其靠近熱端設(shè)置。在取熱之后篦冷機(jī)尾部排出的剩余低溫余熱則會(huì)與鍋爐余熱一起進(jìn)入電除塵器，經(jīng)除塵處理后再排入大氣。

3.2.2 水泥窯窯尾取熱

未對(duì)水泥窯低溫余熱進(jìn)行回收和利用之前，在尾窯處的一級(jí)預(yù)熱器C1 出口將直接與窯尾高溫風(fēng)機(jī)連接，由C1 出口所排出的煙氣通過(guò)高溫風(fēng)機(jī)進(jìn)入增濕塔，當(dāng)其溫度降低至200 ℃后，可直接用于生料烘干環(huán)節(jié)。在對(duì)水泥窯低溫進(jìn)行取熱操作時(shí)，則需要在窯尾位置增設(shè)余熱鍋爐。此時(shí)，需要將C1出口管與余熱鍋爐的入口管相連，再將余熱鍋爐的出口管與高溫風(fēng)機(jī)的入口管相連接，此時(shí)原有的預(yù)熱器出口管則作為旁路。為了達(dá)到煙氣流量控制要求，需在余熱鍋爐及旁路管道的入口位置設(shè)置電動(dòng)擋板。

在余熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，所產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱⑼ㄟ^(guò)余熱鍋爐完成換熱反應(yīng)，并生成蒸汽用作發(fā)電。剩余部分蒸汽則可通過(guò)增濕塔的降溫處理后被投入生料烘干處理環(huán)節(jié)。余熱發(fā)電系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，借助前期設(shè)置的電動(dòng)擋板完成風(fēng)量控制，使其進(jìn)入高溫風(fēng)機(jī)，此種取熱方式不僅不會(huì)對(duì)水泥生產(chǎn)環(huán)節(jié)構(gòu)成不利影響，還可在一定程度上提升水泥制造廠的資源利用率[4]。

在本次方案設(shè)計(jì)中，建議只在篦冷機(jī)設(shè)置一個(gè)抽氣口，這主要是由于一個(gè)抽氣口的設(shè)置便可實(shí)現(xiàn)對(duì)篦冷機(jī)內(nèi)部余熱資源的梯級(jí)利用，可達(dá)成良好的資源利用目標(biāo)。而在設(shè)置雙抽氣口的情況下，會(huì)在一定程度上加大系統(tǒng)控制的難度，且存在漏風(fēng)現(xiàn)象，很可能影響水泥熟料的生產(chǎn)質(zhì)量。雖然，設(shè)置雙抽氣口會(huì)加大余熱資源的利用率，產(chǎn)生更多發(fā)電量，但對(duì)于水泥熟料生產(chǎn)工藝的影響也不可忽視。進(jìn)行余熱資源利用的首要標(biāo)準(zhǔn)便是不對(duì)原有的生產(chǎn)工藝構(gòu)成影響。因此，不建議在篦冷機(jī)中設(shè)置雙抽氣口。

3.3 鍋爐設(shè)計(jì)

3.3.1 窯尾余熱鍋爐的設(shè)置

窯尾布置的余熱鍋爐為SP 鍋爐，其主要構(gòu)成包括蒸發(fā)器、過(guò)熱器和省煤器，其主要作用原理為對(duì)于窯尾部預(yù)熱器排出的廢氣進(jìn)行收集和利用，通過(guò)熱量交換達(dá)到余熱資源利用的目標(biāo)。因窯尾預(yù)熱器進(jìn)入SP 鍋爐的余熱煙氣未經(jīng)過(guò)降塵處理，致使煙氣濃度較大，存在大量的灰塵。此種狀況下，如不采取合理的措施降低煙塵對(duì)余熱鍋爐運(yùn)行的影響，很可能產(chǎn)生鍋爐堵塞和鍋爐積灰問(wèn)題。因此，在SP鍋爐內(nèi)的受熱面應(yīng)首選光管管束，并且配置一個(gè)振打裝置，對(duì)其受熱面進(jìn)行連續(xù)振打，避免灰塵黏附鍋爐受熱面，使大部分生料粉塵均能通過(guò)振打落入灰斗。需要特別注意的是，經(jīng)余熱回收處理后，剩余的部分廢氣溫度應(yīng)控制在200 ℃左右，使廢氣能夠應(yīng)用于粉磨烘干和原料烘干的工藝環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提升余熱資源的利用率。

3.3.2 窯頭余熱鍋爐的設(shè)置

在窯頭部位設(shè)置的余熱鍋爐為AQC 鍋爐，主要針對(duì)冷卻機(jī)中的中溫廢氣進(jìn)行回收和利用。該鍋爐為立式鍋爐，主要構(gòu)成包括過(guò)熱器、公共省煤器、蒸發(fā)器和省煤器。因?qū)煔馑腿階QC 鍋爐前會(huì)經(jīng)過(guò)沉降室，對(duì)煙氣中的粉塵進(jìn)行沉降處理，這大大降低了因粉塵堆積對(duì)鍋爐受熱面的影響。為此，AQC 鍋爐的受熱面通?？梢赃x用螺旋翅片管，目的是增加換熱面積，提高余熱資源的利用率，加大發(fā)電總量。

通過(guò)對(duì)比，復(fù)合閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)和雙壓補(bǔ)氣余熱發(fā)電系統(tǒng)，無(wú)論是在熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還是余熱取熱方式，復(fù)合閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)均保持較好的穩(wěn)定性。相對(duì)來(lái)說(shuō)，余熱煙氣回收率也相對(duì)較高。采用復(fù)合閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電總量明顯超出雙壓補(bǔ)氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電總量。因此，在選擇系統(tǒng)方案時(shí)，可優(yōu)先選用復(fù)合閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)方案，最大程度上提高水泥窯余熱資源的利用率。

4 低溫余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)配套設(shè)備的選型設(shè)計(jì)

4.1 除塵器的選用

窯頭除塵器的選用。鑒于窯頭輸出的余熱煙氣在進(jìn)入余熱鍋爐以前已經(jīng)經(jīng)過(guò)降塵室的降塵處理，煙氣中的含塵濃度相對(duì)較低。為此，在選用除塵器時(shí)，只需選用一般的電除塵器即可。該類除塵器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于耗能低，除塵過(guò)程中的除塵壓力小，且維護(hù)簡(jiǎn)單，除塵率高達(dá)99%，對(duì)于腐蝕性氣體中攜帶的微小顆粒也具有較好的除塵作用。

窯尾除塵器的選用。由于窯尾余熱煙氣在未經(jīng)降塵處理的情況下直接進(jìn)入鍋爐爐膛，所以煙塵濃度較大。為了提高除塵效果，需要選用除塵效率較高的袋式除塵器。袋式除塵器的優(yōu)勢(shì)在于能夠做到對(duì)電阻較高部分粉塵的收集，且對(duì)電除塵器忽視的部分微小粉塵也能夠達(dá)到良好的除塵效果，可將煙氣中的粉塵濃度控制在9 mg/m3以下[5]。

4.2 汽輪機(jī)的選用

汽輪機(jī)屬于余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)中的重要組成部分，在窯頭和窯尾余熱鍋爐中所產(chǎn)生的高壓蒸汽和低壓蒸汽分別流入汽輪機(jī)的高壓缸和低壓缸，用于發(fā)電做功。由汽輪機(jī)排除的部分廢氣則會(huì)進(jìn)入冷凝器中冷凝成水，重新投入鍋爐給水的循環(huán)系統(tǒng)中。在這一過(guò)程形成了較好的汽水循環(huán)，有效提升水資源的利用率。根據(jù)本次方案設(shè)計(jì)需求，可以優(yōu)先采用補(bǔ)汽凝汽型汽輪機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)補(bǔ)汽凝汽型汽輪機(jī)入口壓力和速度進(jìn)行合理控制，利用功率控制的方式對(duì)汽輪機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，使其滿足余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

5 結(jié)語(yǔ)

基于水泥窯生產(chǎn)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的余熱利用需求，進(jìn)行了余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。從初步方案的確定、取熱方法和鍋爐設(shè)計(jì)等多個(gè)方面闡述了熱力系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)要求，并對(duì)比兩種方案的余熱資源利用效果，確定了一套優(yōu)選方案。最后，對(duì)其系統(tǒng)配套設(shè)備的選用作出了具體分析，希望能夠有效提升水泥窯余熱資源的利用率，在控制環(huán)境污染的同時(shí)，提高經(jīng)濟(jì)效益。