水泥窑低温余热发电热力系统方案研究

马小荣

晋能控股煤业集团有限公司水泥厂（037003）

0 前言

能源作为一种战略资源，在国民经济发展中发挥着突出的作用，也标志着一个国家的综合实力。在我国工业发展水平不断提升的基础上，能源消耗总量也显著提升。其中，煤炭作为主要的生产能源，在近些年来工业生产活动逐渐加快的基础上，煤炭资源消耗总量也明显加大。同时，煤炭燃烧过程中所生成的污染物对环境造成极大危害，煤炭虽然加快了工业化进程，但对环境问题的影响不可忽视。为有效改善这一现状，需要针对我国的能源结构作出调整，并加强节能减排政策的落实力度。现阶段，针对余热资源的回收利用成为一种重要的节能手段。实践表明，余热资源的再利用具有重大的潜力，在越来越多的生产环节中余热资源均发挥了重要的作用。为此，研究水泥窑低温余热的回收再利用具有极为现实的意义。

1 余热资源的特点分析

1.1 余热资源产生的波动性

根据实际生产工艺的不同，余热资源的产生状况也存在直接的差异。部分行业的生产工艺存在周期性的特征。因此，余热资源的产生也表现出周期性的特性。一部分行业的生产工艺存在间歇性特征，其所产生的余热资源也经常处于间断状态。一部分行业的生产存在连续性特征，所产生的余热资源也趋于连续和稳定。在针对余热资源进行利用时，需要根据生产工艺的不同进行余热资源的回收再利用。

1.2 余热资源的含尘性

部分生产工艺中所使用的烟气炉以及闪速炉所排放的烟气均属于重要的余热资源。但其中的含尘量相对较大，一般在80 g/m3以上。除此之外，部分高温沸腾炉烟气中的含尘量要远远超出普通锅炉的烟气含尘量。通常在150 g/m3以上。实践证明，在烟气温度过高的情况下，其含尘量也会相对较大，此时烟气与余热回收设备的接触面上极易产生积灰，这不仅会影响余热回收再利用的效果，还可能导致余热回收设备堵塞或者损坏[1]。

1.3 余热资源的腐蚀性

部分燃料燃烧后所产生的烟气存在一部分的腐蚀性气体或者腐蚀性元素，在进行烟气余热回收时，一旦烟气中的腐蚀性气体过量，并直接与余热回收设备接触，也会对设备产生腐蚀影响。

2 研究水泥窑低温余热发电热力系统的必要性分析

能源短缺现象是阻碍我国经济发展的关键性因素，且随着社会生产对能源需求量的增大，能源问题也日趋严重。在水泥生产中，对于煤炭资源和电力能源的需求相对较大，致使当前的水泥制造行业面临更大的成本压力。为能提高水泥制造生产的能源利用率，需要积极开发低温余热发电工程。通过对低温余热的回收再利用，达成提高能源利用率和增强生产附加值的目的。同时，水泥熟料工艺中的热能利用率也可得到大幅度提升。

从某一层面来讲，水泥窑低温余热发电工程的实施可以在一定程度上减少水泥制造过程中的烟气排放量，达到降低环境污染的目标，同时对于低温烟气余热的回收与再利用还可以节省部分资源，利用余热资源创造更大的生产效益。目前，针对水泥窑低温余热的回收再利用已经成为水泥制造行业发展中一种必然的趋势，低温余热发电项目的建设不仅满足资源节约要求，还符合社会可持续发展要求。因此，研究水泥窑低温余热发电热力系统极为必要。

3 水泥窑低温余热发电热力系统方案设计

3.1 初步方案

水泥制造选用的生产工艺不同，其生成的余热资源波动也存在直接的差异。为达到余热资源回收利用的目的，需要首先明确水泥窑生产的特性和余热产生的特点，在此基础上对发电热力系统方案进行科学设计。在本次研究中的水泥制造生产线中，水泥窑的生产参数相对平稳，所产生的蒸汽参数也处于基本持平状态，所以余热资源回收的难度不大。因此，三种热力系统均可满足余热资源回收利用的需求。单压系统虽然结构相对简单，发电较为稳定，但存在热能利用率偏低的弊端，很难创造最大的经济效益。因此，可以选择复合闪蒸系统以及双压补气系统，现针对这两种系统提出的初步设计方案进行分别阐述。

3.1.1 复合闪蒸余热发电热力系统方案

结合水泥制造的生产线工况，初步方案选用复合闪蒸热力系统方案进行设计，共需要配置两台锅炉和一台汽轮机。其中AQC 余热锅炉布置在冷却厂房和冷却机电气室之间，SP 余热锅炉则需要布置在水泥窑尾部的预热器架上，还需借助一个蒸汽母管将两台余热锅炉所产生的蒸汽一并送入汽轮机。为了达成水循环的目标，还需设置一台闪蒸器，该系统在实际运行的过程中，系统给水会通过水泵将其泵入水泥窑头部的AQC 锅炉中，并对其进行预热处理。经过加热处理后的热水将被分成三股，分别流入水泥窑尾部的SP 锅炉、AQC 锅炉和闪蒸器。流入SP 锅炉和AQC 锅炉的热水通过高压省煤器、蒸发器以及过热器的处理后，将形成高压蒸汽，并最终汇入汽轮机中。剩余部分进入闪蒸器的热水则通过闪蒸器的处理后生成低压饱和蒸汽及饱和水。其中的饱和蒸汽将直接被送入汽轮机的低压缸，与高温蒸汽一起作为推动汽轮机运行的动力。而剩余的饱和水则会经过凝汽器处理后，借助凝结水泵将其再次送入循环水系统[2]。

3.1.2 双压补气系统方案

与复合闪蒸余热发电系统方案相同，均需要在水泥窑的头部和尾部分别设置一个余热锅炉。区别在于双压补气系统方案设置了两个汽水循环系统，这两个汽水循环系统分别为低压水循环系统和高压水循环系统。

低压水循环系统是先将水泵入水泥窑头部的AQC 锅炉，经过低压省煤器的加热处理，将高温水投入锅炉低压汽包，并在锅炉的作用下使其循环受热，产生的低压过热蒸汽最终投入汽轮机的低压缸中。

高压水循环系统是借助高压给水泵将水投入公共省煤器中进行预热处理，所产生的高温水投入锅炉高压汽包，剩余部分则被投入水泥窑尾部的锅炉汽包，进入锅炉汽包内的高温水均处于循环受热状态，所产生的高压过热蒸汽也会通过各路被汇入汽轮机的高压缸。在蒸汽利用之后所剩余的蒸汽则会通过冷凝器的冷凝处理后重新被投入水循环系统。

3.2 余热取热方法

3.2.1 水泥窑窑头取热

一般而言，由水泥窑转出的水泥熟料温度最高可达1 500 ℃左右，在水泥熟料加工过程中需要借助篦冷机对其进行冷却处理。常规处理方法为，利用6～10 ℃的冷却风向篦冷机内吹入，达到冷却水泥熟料的目标。在向篦冷机内吹入冷却风时，冷却风会与高温熟料产生热量交换[3]。通常情况下，会将篦冷机中所产生的二次风和三次风供给分解炉和回转炉。但在此过程中，还会产生一定的余热资源浪费。因此，需要采取合理的取热措施对水泥熟料冷却过程中的余热进行合理收集和利用。需要特别注意的是，取热过程不得对水泥熟料的生产工艺产生影响。从理论层面来分析，抽气口的设置会对余热利用效率产生直接影响，即靠近热端设置抽气口，其余热烟气流量相对较小，但温度较高。靠近冷端设置抽气口的情况则恰恰相反，烟气温度偏低，但流量较大。根据系统发电原理，温度越高，流量越大，发电总量就越大。为此，在设置抽气口位置时，应尽量将其靠近热端设置。在取热之后篦冷机尾部排出的剩余低温余热则会与锅炉余热一起进入电除尘器，经除尘处理后再排入大气。

3.2.2 水泥窑窑尾取热

未对水泥窑低温余热进行回收和利用之前，在尾窑处的一级预热器C1 出口将直接与窑尾高温风机连接，由C1 出口所排出的烟气通过高温风机进入增湿塔，当其温度降低至200 ℃后，可直接用于生料烘干环节。在对水泥窑低温进行取热操作时，则需要在窑尾位置增设余热锅炉。此时，需要将C1出口管与余热锅炉的入口管相连，再将余热锅炉的出口管与高温风机的入口管相连接，此时原有的预热器出口管则作为旁路。为了达到烟气流量控制要求，需在余热锅炉及旁路管道的入口位置设置电动挡板。

在余热发电系统运行的过程中，所产生的高温烟气将通过余热锅炉完成换热反应，并生成蒸汽用作发电。剩余部分蒸汽则可通过增湿塔的降温处理后被投入生料烘干处理环节。余热发电系统停止运行时，借助前期设置的电动挡板完成风量控制，使其进入高温风机，此种取热方式不仅不会对水泥生产环节构成不利影响，还可在一定程度上提升水泥制造厂的资源利用率[4]。

在本次方案设计中，建议只在篦冷机设置一个抽气口，这主要是由于一个抽气口的设置便可实现对篦冷机内部余热资源的梯级利用，可达成良好的资源利用目标。而在设置双抽气口的情况下，会在一定程度上加大系统控制的难度，且存在漏风现象，很可能影响水泥熟料的生产质量。虽然，设置双抽气口会加大余热资源的利用率，产生更多发电量，但对于水泥熟料生产工艺的影响也不可忽视。进行余热资源利用的首要标准便是不对原有的生产工艺构成影响。因此，不建议在篦冷机中设置双抽气口。

3.3 锅炉设计

3.3.1 窑尾余热锅炉的设置

窑尾布置的余热锅炉为SP 锅炉，其主要构成包括蒸发器、过热器和省煤器，其主要作用原理为对于窑尾部预热器排出的废气进行收集和利用，通过热量交换达到余热资源利用的目标。因窑尾预热器进入SP 锅炉的余热烟气未经过降尘处理，致使烟气浓度较大，存在大量的灰尘。此种状况下，如不采取合理的措施降低烟尘对余热锅炉运行的影响，很可能产生锅炉堵塞和锅炉积灰问题。因此，在SP锅炉内的受热面应首选光管管束，并且配置一个振打装置，对其受热面进行连续振打，避免灰尘黏附锅炉受热面，使大部分生料粉尘均能通过振打落入灰斗。需要特别注意的是，经余热回收处理后，剩余的部分废气温度应控制在200 ℃左右，使废气能够应用于粉磨烘干和原料烘干的工艺环节，进一步提升余热资源的利用率。

3.3.2 窑头余热锅炉的设置

在窑头部位设置的余热锅炉为AQC 锅炉，主要针对冷却机中的中温废气进行回收和利用。该锅炉为立式锅炉，主要构成包括过热器、公共省煤器、蒸发器和省煤器。因将烟气送入AQC 锅炉前会经过沉降室，对烟气中的粉尘进行沉降处理，这大大降低了因粉尘堆积对锅炉受热面的影响。为此，AQC 锅炉的受热面通常可以选用螺旋翅片管，目的是增加换热面积，提高余热资源的利用率，加大发电总量。

通过对比，复合闪蒸余热发电系统和双压补气余热发电系统，无论是在热力系统的设计，还是余热取热方式，复合闪蒸余热发电系统均保持较好的稳定性。相对来说，余热烟气回收率也相对较高。采用复合闪蒸余热发电系统的发电总量明显超出双压补气余热发电系统的发电总量。因此，在选择系统方案时，可优先选用复合闪蒸余热发电系统方案，最大程度上提高水泥窑余热资源的利用率。

4 低温余热发电热力系统配套设备的选型设计

4.1 除尘器的选用

窑头除尘器的选用。鉴于窑头输出的余热烟气在进入余热锅炉以前已经经过降尘室的降尘处理，烟气中的含尘浓度相对较低。为此，在选用除尘器时，只需选用一般的电除尘器即可。该类除尘器的应用优势在于耗能低，除尘过程中的除尘压力小，且维护简单，除尘率高达99%，对于腐蚀性气体中携带的微小颗粒也具有较好的除尘作用。

窑尾除尘器的选用。由于窑尾余热烟气在未经降尘处理的情况下直接进入锅炉炉膛，所以烟尘浓度较大。为了提高除尘效果，需要选用除尘效率较高的袋式除尘器。袋式除尘器的优势在于能够做到对电阻较高部分粉尘的收集，且对电除尘器忽视的部分微小粉尘也能够达到良好的除尘效果，可将烟气中的粉尘浓度控制在9 mg/m3以下[5]。

4.2 汽轮机的选用

汽轮机属于余热发电热力系统中的重要组成部分，在窑头和窑尾余热锅炉中所产生的高压蒸汽和低压蒸汽分别流入汽轮机的高压缸和低压缸，用于发电做功。由汽轮机排除的部分废气则会进入冷凝器中冷凝成水，重新投入锅炉给水的循环系统中。在这一过程形成了较好的汽水循环，有效提升水资源的利用率。根据本次方案设计需求，可以优先采用补汽凝汽型汽轮机。在实际应用中，对补汽凝汽型汽轮机入口压力和速度进行合理控制，利用功率控制的方式对汽轮机系统的运行进行有效调节，使其满足余热发电热力系统的应用需求。

5 结语

基于水泥窑生产环节所产生的余热利用需求，进行了余热发电热力系统的方案设计。从初步方案的确定、取热方法和锅炉设计等多个方面阐述了热力系统的方案设计要求，并对比两种方案的余热资源利用效果，确定了一套优选方案。最后，对其系统配套设备的选用作出了具体分析，希望能够有效提升水泥窑余热资源的利用率，在控制环境污染的同时，提高经济效益。