低温余热发电系统设计方案

低温余热发电系统设计方案 1 需考虑的问题 低温余热发电系统的窑尾余热锅炉 SP 炉 和篦冷机余热锅炉 AQC 炉 串联于熟料生产 线上 两锅炉阻力均小于 1000Pa 设计时 必须考虑下列问题 1 窑尾主排风机和窑头 窑尾电除尘器及其风机的能力是否适应增设窑尾余热锅炉和篦 冷机余热锅炉的条件 2 原料磨的热风系统能否满足工艺要求 3 该两台锅炉系统的安装是否不破坏原生产厂房 经对窑系统设计资料认真复核 确认增设两台锅炉系统后所涉及的上述设备能力可以满足 要求 不须作任何改造 两台锅炉系统的布置可以不破坏原生产厂房 出窑尾锅炉废气被 送至生料原系统作为烘干热源 经核算 只要控制出窑尾锅炉废气温度 240 260 就 可满足入磨原料综合水份 5 的烘干要求 双压纯低温余热发电技术介绍双压纯低温余热发电技术介绍 双压余热发电技术就是按照能量梯级利用的原理 在同一台余热锅炉中设 置 2 个不同压力等级的汽水系统 分别进行汽水循环 产生高压和低压两种过 热蒸汽 高压过热蒸汽作为主蒸汽 低压过热蒸汽作为补汽分别进入补汽凝汽 式汽轮机 推动汽轮机做功发电 双压余热发电系统使能量得到合理利用 热 回收效率高 余热资源参数不同 余热锅炉的低压受热面与高压受热面有不同的布置方 式 根据辽源金刚水泥厂窑头 AQC 和窑尾 SP 的余热特点和工艺要求 经过余 热利用后 要使 AQC 余热锅炉排烟温度降到 100 左右 使窑尾 SP 余热锅炉排 烟温度降低到 220 左右后进入原料磨烘干原料 其设置的双压余热发电系统简 图如图 1 双压余热发电系统与常规余热发电系统不同之处在于其窑头 AQC 余热锅 炉增设了低压汽水系统 其汽轮机组在第四压力级之后增加了补汽口 并适当 增大补汽口以后汽轮机通流部分面积 采用双压系统的主要目的是为了提高系统循环效率 使低品位的热源充分 利用 获得最大限度的发电功率 降低窑头 AQC 双压余热锅炉的排气温度 其 次是双压系统的低压蒸汽是过热的 进入汽轮机后能保证汽轮机内的蒸汽最大 湿度控制在 14 以下 使汽轮机叶片工作在安全范围内 并提高机组的效率 同时低压蒸汽还可用于供热等其它需要热源的地方 提高运行灵活性 双压余热发电系统简单灵活 成本低 热利用率高 由于在余热锅炉上增 设了低压省煤器 低压蒸发器 并且增设了低压过热器 能够把更多的低温余 热吸收利用 比单压系统多发电 10 左右 并且必要时能够解列 维持单压系 统正常运行 而对于能够增加发电量的闪蒸系统来说 需要增加闪蒸器 汽水 分离器等设备 闪蒸器产生的是饱和蒸汽 在进入汽轮机做功后 易使汽轮机 排汽干度不能满足汽轮机的要求 1995 年 8 月 17 日国家计委 原国家建材局与日本新能源产业技术综合开发机构 NEDO 签订了基本协 议书 由中国安徽海螺集团宁国水泥厂与日本川崎重工株式会社实施 该项目 1996 年 10 月 18 日动工 1995 年 2 月 8 日并网发电一次成功 水泥厂余热资源的特点是流量大 品位低 在宁国水泥厂 4000t d 生产线上 预热器 PH 和冷却 机 AQC 出口废气流量和温度分别为 258550Nm3 h 340 和 306600Nm3 h 238 其中部分预热 器废气用来烘干燃煤和原料 针对上述特点 热力系统采用减速式两点混气式汽轮机 利用参数较低的主 蒸汽和闪蒸汽的饱和蒸汽发电 根据余热资源的工艺状况设置两台余热锅炉 保证能够充分利用余热资源 应用热水闪蒸技术 设置一台高压闪蒸器和一台低压闪蒸器 闪蒸出的饱和蒸汽混入汽轮机做功 对现 有 AQC 进行废气二次循环改造 由于 PH 出口废气还要用于烘干原料 因此未设省煤器 只设蒸发器和过 热器 加强系统密封 系统采用先进的 DCS 集散控制系统进行操作控制 具有功能齐全 自动控制 操 作简便等特点 工艺流程图 见图 此主题相关图片如下 工艺流程 两台高效余热锅炉 AQC 锅炉和 PH 锅炉将水泥生产过程中随废气排放到大气中的热能吸 收 产生压力为 25Kg cm2 温度为 335 350 蒸发量为 31 1t h 的过热蒸汽及二级低压饱和蒸 汽并进入汽轮机 进行能量转换 拖动发电机向电网输送电力 PH 锅炉为强制循环 烟气流向为水平 管程流向为垂直 管列形式为循排 传热管为光管 除灰装置为振打系统 AQC 锅炉为自然循环 烟气 自上而下 管程流向为水平 管列形式为错排 传热管为螺旋翅管 除灰装置为吹灰器 运转状况及效果 该项目设计指标为发电机组装机容量 6480kw 按吨熟料发电量 33 07KWh T 发电 机组相对水泥窑的运转率为 90 计算 设计年发电量 4087 万 KWh 从 1998 年 3 月至 1999 年 3 月 平 均吨熟料发电量为 34 24KWh T 设计值为 33 07KWh T 发电机组相对水泥窑的运转率达到 90 45 实现系统安全 稳定 高效运行 截止到 1999 年 3 月底累计发电 4800 万 KWh 各项经济指标均达到 并超过了设计水平 实现产值 2160 万元 实现金热发电投产当年达产达标 应用和推广前景 新型干法水泥窑配套余热发电装置在技术上可行 充分利用了水泥生产过程中产生 的大量废气余热进行动力回收 余热回收过程中对水泥生产过程没有大的影响 随着我国实施产业结构调 整战略 在陆续淘汰众多的小水泥厂而新建干法水泥生产主线的过程中 水泥余热发电设备具有很好的推 广前景 在正常设计情况下 决定其是否能够达到设计效果及不影响水泥窑正常运行的主要 因素为 窑尾余热锅炉系统的漏风问题 窑头熟料冷却机废气取热方式问题 窑头熟料冷 却机余热锅炉磨损问题 余热锅炉受热面型式及匹配问题 余热锅炉设计时进出口废气参 数 废气量 废气温度 的选取问题 水泥厂应提供至少 30 天的运行记录报表 以确定实 际的废气参数 目前国内已普遍采用的几种热力循环系统 循环参数及废气取热方式的 特点及存在的主要问题 目前水泥窑纯低温余热发电技术中热力循环系统的构成 循环参数及熟料 冷却机 窑尾预热器废气取热方式有如下三种 笔者称为普遍型水泥窑纯低温 余热发电技术 其一 不补汽式纯低温余热发电热力循环系统 循环参数及废气取热方式 见 图 1 其二 复合闪蒸补汽式纯低温余热发电热力循环系统 循环参数及废气取热方 式 见图 2 其三 多压补汽式纯低温余热发电热力循环系统 循环参数及废气取热方式 见图 3 2 1 上述热力循环系统 循环参数及废气取热方式的主要特点 1 仅在水泥窑窑头熟料冷却机中部设一个抽取冷却机废气的抽废气口 根 据水泥窑规模的不同 抽取的废气温度在 250 400 范围内 利用抽取的废气 设置窑头熟料冷却机余热锅炉 简称 AQC 炉 AQC 炉生产 0 8 1 6Mpa 饱和 温度 360 的蒸汽或同时生产 0 1 0 5Mpa 饱和温度至 180 的低压低温蒸 汽 85 200 的热水 2 仅利用水泥窑窑尾预热器排出的 250 400 废气余热设置窑尾预热器 余热锅炉 简称 SP 炉或 PH 炉 SP 炉生产 0 8 1 6Mpa 饱和温度至 360 的蒸汽 3 将 AQC 炉 SP 炉生产的 0 8 1 6MPa 蒸汽及 AQC 炉生产的 0 1 0 5Mpa 蒸汽或 AQC 炉生产的 85 200 热水经闪蒸器生产出的 0 1 0 5MPa 蒸汽通入 汽轮机再由汽轮机带动发电机发电 2 2 上述热力循环系统 循环参数及废气取热方式存在的主要问题 1 窑头熟料冷却机自冷却机入料端 热端 至出料端 冷端 在不影响 水泥窑熟料热耗及水泥窑生产的条件下 冷却机可排掉的废气温度是自热端起 的 600 以线性关系逐渐下降至冷料端的 55 因此 若仅在冷却机中部抽取 废气 则是将热端的中高温废气与冷端低温废气混合后形成了 250 400 废 气 由于废气温度的限制 AQC 炉仅能生产低压低温蒸汽及热水 这种抽取废 气的取热方式没有遵循热量应根据其温度进行梯级利用的原理 2 窑尾预热器系统中 在不影响水泥窑熟料热耗及水泥窑生产的条件下 可利用的废气余热有两部分 第一部分为预热器系统最终排出的 即 C1 级旋风 筒出口 250 400 废气 第二部分为 C2 级旋风筒内筒至 C1 级旋风筒入口的 450 600 废气中水泥生产允许的 20 25 温度降所含有的废气热量 由于没 有利用第二部分废气热量 加之第一部分预热器系统最终排出的废气温度限制 SP 炉同样只能生产低压低温蒸汽 3 上述两个因素使前述的水泥窑纯中低温余热发电技术 其一 余热只能 生产低压低温蒸汽 其二 热力循环系统只能采用低压低温参数 其三 水泥 窑生产系统中窑头熟料冷却机及窑尾预热器可用于发电的部分 400 600 中高 温废气没有得到有效利用 其四 前述的三个因素 使在不增加水泥熟料热耗 的条件下 水泥窑废气余热发电能力未能得到充分发挥 即余热发电量不能达 到应该达到的水平 3 提高型水泥窑纯低温余热发电技术 针对水泥窑可用于发电的废气余热量及废气温度分布 遵循 指导构成水 泥窑纯中低温余热发电热力循环系统 确定循环参数 提高发电能力的四个基 本原则 见笔者发表于 水泥 杂志 2005 年第 4 期的 水泥窑纯中低温余热 发电存在的问题 及第 5 期的 提高水泥窑纯低温余热发电能力的途径 在同时提高汽轮机进汽压力和温度以合理梯级利用水泥窑废气温度的条件下 笔者于 2005 年 3 月提出了三种提高型水泥窑纯中低温余热发电热力循环系统 循环参数及废气取热方式 3 1 上述热力循环系统 循环参数及废气取热方式的主要特点 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 400 600 废气的抽废气口 同时在冷却机中部设置抽取 250 400 废气 的抽废气口 根据废气温度利用 AQC 炉生产 1 6 3 82Mpa 次中压或中压饱和温 度至 450 的过热蒸汽也可同时生产 0 1 0 5Mpa 饱和温度至 180 的低压低温 蒸汽 85 200 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 250 400 废气 的同时 利用 C2 级旋风筒内筒至 C1 级旋风筒入口的 450 600 废气水泥生产 所允许的 20 25 温度降所含有的废气热量 通过 SP 炉生产 1 6 3 82Mpa 次 中压或中压饱和温度至 450 的过热蒸汽 3 2 上述提高型水泥窑纯中低温余热发电技术能够取得的效果 前述两个特点使笔者提出的提高型水泥窑纯中低温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及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温度至 450 的过热蒸汽 0 1 0 5Mpa 饱和温 度至 180 的低压低温蒸汽 85 200 热水 其二 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 其三 充分利用了水泥 窑不同废气温度的余热 并按废气余热温度分布实现了热量应根据其温度进行 梯级利用的原理 其四 前述的三个因素 提高型水泥窑纯中低温余热发电热 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普通型水泥窑纯中低温 余热发电技术得以大幅提高 热电站生产运行及管理的合理与顺畅 需在新建的余热电站新建高低压配电室 发电机组以电缆线路由余热电站10 6 kV 母线与总降 10 6 kV 母线连接 从而 实现余热电站与系统并网 3 3 水源提供能力要求 水源提供能力要求 电站工程生产年平均日用水量约为500m3 d 要求水源供应能力为 700m3 d 4 4 技术实施方案 技术实施方案 1 窑头余热锅炉 AQC 炉 在窑头冷却机中部废气出口设置窑头余热锅炉AQC 炉 该锅炉可分 2 段设置 其中 I 段为蒸汽段 II 为热水段 AQC 炉段生产 135 饱和水提供给 I 段及 SP 锅炉 AQC 炉 I 段生产 1 6MPa 300 的过热蒸汽作为主蒸汽与窑尾余热锅炉 SP 炉生产 的同参数过热蒸汽合并后 一并进入汽轮机作功 汽轮机凝结水进入余热锅炉 AQC 炉段 加热后分别作为锅炉给水进入余热锅炉 SP 炉和余热锅炉 AQC 炉的 I 段 2 窑尾余热锅炉 SP 炉 在窑尾预热器废气出口管道上设置SP 余热锅炉 SP 余热锅炉产生蒸汽与窑头 AQC 余 热锅炉 I 段产生的蒸汽合并后送入汽轮机作功 3 凝汽式汽轮机 汽轮机为国产凝汽式汽轮机 额定功率为2000kW 2500kW 主汽参数 1 25MPa 300 4 发电机 发电机为2000kW 2500kW 的 10 6 kV 的普通交流发电机 通过公司现有总降 压变电站的 10 6 kV 母线与当地电网并网运行 5 循环冷却水系统 满足电站生产设备冷却用水的需要 6 水处理系统 过滤器 二级钠串联 的化学水处理系统 满足电站锅炉 生产用水的需要 7 控制系统 DCS 计算机控制系统 满足电站监控运行的需要 5 5 主要设备配置及参数 主要设备配置及参数 窑尾SP 炉 QC95 390 9 1 6 300 蒸发量9 3t h 蒸汽出口压力1 6MPa 温度 300 废气进口温度 340 废气出口温度 230 AQC 炉 QC50 350 3 1 1 6 0 25 300 150 段蒸发量 3t h 蒸汽出口压力1 6MPa 温度 300 段蒸发量1t h 蒸汽出口压力0 25MPa 温度 150 废气进口温度 350 废气出口温度 100 汽轮机 双压补汽凝汽式2000kW 2500kW 进汽1 25MPa 300 发电机 交流2000kW 2500kW 10 6 kV 3000r min 6 主要经济技术指标 主要经济技术指标 装机容量 2 5MW 发电功率 1800 2100kW 年发电量 1200 万 kWh 年耗水量 15 万 m3 吨小时熟料余热发电量 28 32kWh 平均发电成本 0 1 0 15 元 kWh 每KW 固定资产投