低温余热发电技术

1 纯低温水泥余热发电技术介绍纯低温水泥余热发电技术介绍 宁国水泥厂余热发电处宁国水泥厂余热发电处 前言前言 新型干法水泥生产技术在我国经历了一个逐步完善提升的发展过 程 近年来 新型干法水泥生产技术在应用中不断提升 尤其是海螺集 团 在工艺系统优化 自动控制 投资成本 生产规模 劳动生产率和 环境保护等生产技术和装备方面 已赶上甚至领先国际先进水平 只是 在可燃废料替代率和生产用电自供率方面 与发达国家相比 还存在一 定的差距 近两年来 我国经济发展水平持续高扬 电力需求增长迅猛 电能供应紧张 国家对工业企业节能提出了更高的要求 尤其是对高耗 能产业 要求最大限度地回收利用余热 降低能耗 节约能源 实现经 济可持续发展战略 因此 随着水泥市场竞争的日益激烈与残酷 充分 利用窑系统排放废气进行余热发电 提高工厂生产用电自供率 降低水 泥生产成本 提高产品的性价比 从而占领和扩大水泥市场份额 保持 企业可持续发展 是大型水泥企业当前及今后可供选择的技术之一 一 一 水泥窑余热发电技术的发展历程简介 水泥窑余热发电技术的发展历程简介 水泥窑余热发电技术的发展大致经历了中空水泥窑余热发电 技术 带补燃炉的预分解窑余热发电技术和当前的纯低温水泥窑余热发 电技术三个阶段 每个阶段的发展都与同时期的水泥发展技术 企业需 求 国家产业政策 环境要求等因素息息相关 密不可分 1 1 中空水泥窑余热发电技术 中空水泥窑余热发电技术 中空水泥窑余热发电技术已有 80 多年的历史 我国水泥窑余热发 电技术起源于二十世纪三十年代东北及华北地区建设的若干条中空窑配 套的高温余热发电系统 很长一段时间内随着小水泥在全国范围的 遍 2 地开花 中空水泥窑余热发电技术也随之 扎根落户 得到了较快的 发展 其水泥窑废气温度为 800 900 熟料热耗为 6700KJ 8400KJ kg 所配套的高温余热发电系统的发电能力为每吨熟 料 100kW 130kW 二十世纪八十年代后期 由于新型干法水泥技术的 迅猛发展 中空窑等落后生产工艺的高能耗 低产量等劣势凸显 已逐 步被淘汰 其中空水泥窑余热发电技术同样也少有发展的空间与意义 2 2 带补燃炉的预分解窑余热发电技术 带补燃炉的预分解窑余热发电技术 带补燃炉的预分解窑余热发电技术已发展了 10 多年 主要是为 解决水泥厂供电紧张而设置 利用窑头窑尾废气余热生产出低压蒸汽或 高温水 再经补燃锅炉加温加压 提高蒸汽品质 可发出更多的电能 以满足水泥生产用电需要 补燃锅炉能燃用劣质煤 煤矸石 综合利用 了资源 但增设补燃锅炉而多发出的电能部分 与大容量的高温高压蒸 汽发电 火电厂 相比 其单位电能煤耗要高 40 以上 是不经济的 环境污染也较明显 环保措施难以跟上 同时由于国家产业政策调整 环保要求及煤资源供应日趋紧张 故带补燃炉的预分解窑余热发电技术 受到很大局限 未能大范围的推广与应用 3 3 纯低温水泥窑余热发电技术 纯低温水泥窑余热发电技术 纯低温水泥窑余热发电技术是直接利用窑头窑尾排放的中低温废气 进行余热回收发电 无需消耗燃料 发电过程不产生任何污染 是一种 经济效益可观 清洁环保 符合国家清洁节能产业政策的绿色发电技术 具有十分广阔的发展空间与前景 4 4 世界各国应用水泥余热发电技术现状 世界各国应用水泥余热发电技术现状 节能降耗是水泥工业持续发展的需要 在降低水泥熟料烧成热耗和 水泥综合电耗的同时 充分利用水泥生产中的中低温废气余热发电 逐 3 步最大限度地满足自身用电需要 减少外供电量 节约成本 是世界水 泥工业发展的趋向 日本水泥工业在回收余热发电方面应用最广 近 80 的水泥窑都带 有纯低温余热发电系统 平均吨熟料发电量为 30 40kWh t 欧洲国家水泥余热发电技术应用也较普遍 我国台湾地区的水泥生产企业配置余热发电系统的比例也很高 也 主要是从日本引进技术 美国在水泥余热发电技术应用上也较积极 美国水泥协会 1995 年 提出 在降低水泥综合电耗的同时充分利用余热发电技术 提高余热利 用率 二 日本川崎公司纯低温水泥窑余热发电技术 业绩介绍 日本川崎公司纯低温水泥窑余热发电技术 业绩介绍 一九九五年八月 日本新能源产业技术综合开发机构 NEDO 与 中国国家计委 国家建材局签订了水泥余热发电设备示范事业基本协定 书 由日方提供一套先进且成熟可靠的低温余热发电技术和设备用于中 国现有水泥厂 通过科学论证和国内外专家的实地考察 日方提供的这 套设备安装在宁国水泥厂 4000t d 水泥生产线上 发电机装机容量为 6480kW 设计年发电量为 4087 104kWh 吨熟料发电能力为 33 88kW h t 1 1 主要技术特点 主要技术特点 水泥厂余热资源的特点是 流量大 品位较低 以宁国水泥厂 4000t d 生产线为例 PH 预热器 和 AQC 冷却机 出口废气流量和 温度分别为 258550Nm3 h 350 和 306600Nm3 h 238 余热发电便是 充分利用这两部分余热资源进行热能回收 4 1 1 热力系统 热力系统 整个热力系统设计力求经济 高效 安全 系统工艺流程是由两台 高效余热锅炉 AQC PH 锅炉 两台高低压闪蒸器和一套汽轮发电机组 组成 辅之以冷却水系统 纯水制取系统 锅炉给水系统及锅炉粉尘输 送系统 余热锅炉内进行热交换产生压力为 25kg cm2 温度为 335 350 额定蒸发量为 31 1t h 的过热蒸汽通入汽轮机 进行能 量转换 拖动发电机向电网输送电力 1 采用凝汽式两点混汽式汽轮机 凝汽式是指做过功的蒸汽充分 冷凝成凝结水 重新进入系统循环 减少系统补充水量 混汽式是指汽 轮机除主蒸汽外 另有两路低压饱和蒸汽导入汽轮机做功 从而提高汽 轮机相对内效率 提高发电机输出功率 2 设置具有专利技术 高热效率的余热 PH 锅炉 采用特殊设计的 机械振打装置进行受热面除灰 保证锅炉很高的传热效率 3 应用热水闪蒸技术 高压热水进入低压空间瞬间汽化现象 设 置一台高压闪蒸器和一台低压闪蒸器 一方面将闪蒸出的饱和蒸汽导入 汽轮机做功 进一步提高汽轮机做功功率 另一方面形成锅炉给水系统 循环 可以有效地控制 AQC 炉省煤器段出口水温 保证锅炉给水工况稳 定 4 由于 SP 出口废气还要用于原料烘干 所以 SP 锅炉无省煤器 只设蒸发器和过热器 控制出炉烟温在 250 仍可满足水泥生产线工 艺需求 5 采用热水闪蒸自除氧结合化学除氧的办法进行除氧 不另设除 氧器 减少了工艺设备 简化了工艺流程 6 热力泵均采用一用一备双系列 在运行泵出现故障时 备用泵 5 自动投入使用 保证了发电系统安全 稳定运行 2 2 余热锅炉 余热锅炉 AQC 锅炉设计为立式自然循环锅炉 带汽包 烟气自上而下通过锅 炉 锅炉自上而下布置过热器 蒸发器和省煤器 由于废气粉尘为熟料 颗粒 具有较强的磨砺性 需设置预除尘器进行预收尘 另外为增大换 热面积 强化换热效果 AQC 锅炉的传热管设计为螺旋翅片管形式 鳍 片管 AQC 锅炉工艺参数设计 烟气入口温度 360 出口温度 91 烟 气流量 165300Nm3 h 过热蒸汽温度 350 蒸汽压力 26kg cm2 额定 蒸发量 11 8t h SP 锅炉设计为卧式强制循环锅炉 带汽包 设蒸发器和过热器 烟气在管外水平流动 受热面为蛇形光管 上端固定在构架上 下端为 自由端 并焊有振打装置之连杆 由于 SP 炉入炉粉尘为生料粉 具有 较强的粘附性 影响传热效果 故设计机械振打装置对受热面定期振打 使受热面保持干净无灰 从而保证了很高的传热效果 由于工作介质在 传热管内是上下流动形式 无法利用其重度差进行自然循环 故需用两 台强制循环泵进行给水的强制循环 SP 锅炉工艺参数设计 烟气入口温度 350 出口温度 250 烟 气流量 258550Nm3 h 过热蒸汽温度 330 蒸汽压力 26kg cm2 额定 蒸发量 19 3t h 两锅炉的工艺结构特点对比如下表 SP 锅炉AQC 锅炉 锅炉形式卧式立式 6 工质循环方式强制循环自然循环 烟气流向自上而下自下而上 管程流向垂直水平 管列形式错排错排 管形式光管螺旋翅管 受热面无省煤器有省煤器 除灰装置机械振打无 3 3 汽轮机 汽轮机 汽轮机的作用是将余热锅炉产生的过热蒸汽的热能转化为机械能从 而带动发电机发电的动力设备 宁国厂汽轮机为川崎 RCM 80 型 冲动 式 多级 混压凝汽式带减速机型汽轮机 额定蒸汽流量 31 1t h 入 口蒸汽压力 2 45MPa 蒸汽温度 335 排汽绝对压力 0 00585MPa 转 速 5829rpm 级数为 9 级 1 汽轮机为减速式汽轮机 通过减速机后转速为 1500rpm 这样 汽轮机的整体尺寸较小 暖机和冲转所需的时间较短 便于汽轮机停机 后能够在短时间内迅速再投入 适应窑系统工况的波动 针对汽轮机后 几级叶片水份较多 易发生水蚀现象的特点 在低压部分特别设计了集 水槽和疏水孔 充分利用转子转动的离心力分离水珠 避免水蚀 另在 末两级叶片前部覆盖了一层特殊合金 以减轻水击产生的损伤 2 汽轮机的调节系统采用电 液 压 调节方式 感应机构为电 磁式 执行机构为液压传动式 调节系统稳定可靠 保证了汽轮机在设 计范围内的任何工况下稳定运行 3 根据水泥厂余热性质的特点 汽轮机的运行方式分为速度控制 7 和压力控制两种方式 在汽轮机启动过程中 提速及升负荷 以汽轮 机转速为主要控制参数 以保证汽轮发电机组正常并网 当机组达到额 定负荷时 切换到压力控制方式 这时以汽轮机入口蒸汽压力为主要控 制参数 调节机组输出功率以保证压力基本稳定 这种控制方式可适应 废气余热参数的变化 使整个系统具有较强的适应性和可靠性 并做到 热尽其用 机组出力超过限定值 约额定功率的 110 自动开启 旁路阀 将部分蒸汽直接导入凝汽器 起到保护发电机组的目的 4 4 发电机 发电机 发电机设计为全封闭内冷式三相交流同步发电机 励磁方式采用无 刷励磁 额定输出 8100KVA 极数 4 极 电压 6300V 频率 50HZ 功率 因数 80 滞后 电流 742A 空气冷却器采取水冷却的方式 5 5 DCSDCS 控制系统控制系统 整个余热发电系统采用先进的 DCS 集散控制系统 现场的各种工艺 参数通过传感器转化为电信号送至中央控制室 由计算机进行分析并在 CRT 上显示 中控操作通过触摸屏发出指令 调整各烟风阀门 汽水阀 门的开度及设备的启停等 使整个系统适应工况变化 自控系统能够根 据相关参数自动进行汽水系统的调整 系统的操作简便可靠 并设有完 善的报警和保护程序 使整个发电工艺系统能够长期稳定运行 2 2 宁国水泥厂 宁国水泥厂 4000t d4000t d 熟料生产线余热发电项目运转业绩 熟料生产线余热发电项目运转业绩 1 1 主要经济技术指标分析 主要经济技术指标分析 自一九九八年三月开始实质性运转至二 四年底 从统计数据表 明 平均吨熟料发电量已达 36 1236 12kWh t 相对窑运转率为 96 2496 24 累 计发电量已达 3 563 56 亿亿千瓦时 系统运行六年来实现了安全 稳定 高 效运行 请参见下面生产数据统计图表 8 表一 年份年份 总发电量总发电量 万万 kWh kWh 运转时间运转时间 h h 相对窑运转率相对窑运转率 吨熟料发电量吨熟料发电量 kWh t kWh t 19981998 年年 4106 544106 545514 15514 193 2193 2137 1037 10 19991999 年年 4108 744108 746766 36766 394 3594 3531 4331 43 20002000 年年 5167 715167 717585 97585 995 5595 5536 4236 42 20012001 年年 5294 375294 377798 87798 896 7796 7736 4836 48 20022002 年年 5613 775613 778109 78109 798 4898 4837 0437 04 20032003 年年 5701 935701 938123 18123 198 0298 0237 8837 88 20042004 年年 5619 545619 548092 98092 997 3197 3136 4536 45 累计累计 35612 635612 651990 851990 8 平均平均 96 2496 24平均平均 36 1236 12 表二 余余热热发发电电历历年年来来发发电电总总量量 相相对对窑窑运运转转率率对对比比 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 发电量 万kWh 80 100 运转率 年总发电量4106 544108 745167 715294 375613 775701 935619 54 相对窑运转率93 2194 3595 5596 7798 4898 0297 31 98年 99年 00年 01年 02年 03年 04年 9 表三 2 2 经济效益和社会效益 经济效益和社会效益 水泥余热发电项目充分利用熟料煅烧生产时排放的大量废气进行 回收发电 即可降低水泥熟料的生产成本 提高企业经济效益 又能保 护环境 创造良好的社会效益 余热发电项目将成为海螺集团稳定的经 济增长点及清洁化生产的亮点 1 1 经济效益 经济效益 自发电机组正式并网以来 截止到二 OO 四年十二月底 发电机并 网电量累计为 33066 333066 3 万千瓦时 按本地区现行综合电价 0 500 50 元 kWh 计算 创产值 1 651 65 亿元 余余热热发发电电历历年年来来吨吨熟熟料料发发电电量量对对比比 0 5 10 15 20 25 30 35 40 吨熟料发电量 kWh t 吨熟料发电量37 131 4336 4236 4837 0437 8836 45 98年99年00年01年02年03年04年 10 2 2 社会效益 社会效益 从能源利用率的角度来讲 水泥生产过程中消耗的能源有效利用率 仅为 60 其余 40 的能量随废气排放到大气中 余热发电建成后 可 将排放掉的 38 的废气余热进行回收 使工厂的能源利用率提高到 95 以上 为工厂的可持续发展创造了有利条件 从环境保护的角度来讲 减少了二氧化碳的排放量 众所周知火力 发电是燃煤发电 在电力生产过程中要产生大量的二氧化碳 而余热发 电整个生产过程不烧 1 克煤 按发电机组截止到二 OO 四底累计发电量 35612 6 万千瓦时来计算 共减少二氧化碳的排放量总计为 284900284900 吨 这对减少温室效应 保护生态环境起着积极的促进作用 三 配套余热发电技术对水泥生产系统的影响 三 配套余热发电技术对水泥生产系统的影响 1 1 冷却机必要的改造 冷却机必要的改造 由于冷却机出口的废气温度多在 200 左右 这种温度下的热量品 位很低 很难进行动力回收 因此需要对冷却机进行必要的改造 使进 入 AQC 炉的热源品位提高 改造措施是在冷却机中部 四室与五室之间 新开一抽气口 利用这部分温度在 360 左右的废气 引入 AQC 余热锅 炉进行动力回收 原有抽气口则抽取冷却机后部低温废气 压力的平衡 用挡板实现 两抽气口之间用挡墙相隔 避免互相抢风及风温出现偏差 锅炉出口废气与原抽气口的废气混合后进入窑头电收尘 2 2 窑头电收尘的影响 窑头电收尘的影响 冷却机改造和窑头余热锅炉的投入会对窑头电收尘的收尘效果产生 一定的影响 是因为窑头电收尘原设计为高温电收尘 温度在 250 以 11 上时 收尘效果较好 窑头余热锅炉的投入 使电收尘的入口废气温度 由 220 左右降至 125 左右 粉尘比电阻会产生一定的变化 从而影 响收尘效果 粉尘比电阻过高 不利于收尘器运行 对照熟料粉尘比电 阻曲线图 125 时粉尘比电阻约 3 5 1010 cm 处于较高水平 故 余热锅炉投入后应尽可能地降低入电收尘废气温度 控制在 100 左右 或以下效果更佳 从而降低比电阻 必要时需采取废气调质措施来提 高收尘效果 3 3 窑头排风机的影响 窑头排风机的影响 由于在冷却机前设置了余热锅炉及冷却机改造 废气全流程的阻力 比原来增加约 1 0kPa 需要排风机提供更大的抽力 水泥厂的窑头排 风机设计能力一般都有较大的余量 一般来说可以适应改造后的工况 只需调整其工作点 宁国一线窑头风机能力较大 电机额定电流为 84A 投入 AQC 炉后 电机电流由 59A 升至 72A 左右 能满足 AQC 炉在 120 负荷下运行 4 4 窑尾排风机的影响 窑尾排风机的影响 由于在风机前加入一台 PH 余热锅炉 压力损失约增加 1 0kPa 但 由于进入风机废气密度的增大 提高了风机的输出压力 而且进入风机 的废气含尘量大大降低 故对窑尾风机影响不大 一般只需调整其工作 点 不需更换风机 5 5 原料磨的影响 原料磨的影响 宁国一线原料磨为球磨机 对入磨热风温度有较高要求 增设 PH 锅炉后 窑尾排风机入口温度将由 350 左右降至 250 入磨风温的 下降 使原料磨的烘干能力受到一定的不利影响 从而影响到原料磨的 生产能力 雨季时入磨水份较高 则需考虑 PH 炉的旁路放风 提高入 12 磨风温 保证水泥生产 如果原料磨采用立磨 则对入磨风温的要求就 宽松得多 可以降至 200 从而 PH 炉的设计参数会相应改变 锅炉 的出力会相应增加 吨熟料发电量会有所提高 6 6 增湿塔的影响 增湿塔的影响 宁国一线在 PH 炉投入前增湿塔喷水量约 24t h PH 炉投入后 烟 温降至 250 且烟气含尘量降低 故增湿塔喷水量大为减少 已能保 证窑尾电收尘的工作效率 目前水泥生产线增湿塔的工艺布置均在窑尾 高温风机前的废气管道上 PH 炉的工艺布置与增湿塔是 并联 关系 PH 炉投入运行 增湿塔则退出 可能