（机械工程专业论文）水泥窑纯低温余热发电系统关键技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文是在新型干法水泥窑逐步取代旧的立窑水泥生产的基础上，为了进一步降低水 泥生产的能耗，对干法水泥生产线余热如何利用进行了深入的研究和工程实施验证。可 以在不影响原水泥生产线和不再燃烧任何燃料的情况下利用窑头窑尾排放的余气进行 发电，大大提高了一次能源的利用率。 首先对水泥窑余热的特点和参数标定进行了研究，产量不同的水泥窑和地区不同吨 位相同的水泥窑的余热参数进行了标定。当余热参数标定后，如何提高余热的利用率进 行了理论上的方案研究。单压锅炉系统与双压锅炉系统的研究，双压锅炉系统与闪蒸系 统的研究以及在什么条件下采用双压锅炉系统，什么条件下采用闪蒸系统。 其次，针对目前比较典型的日产5 0 0 0 吨水泥窑生产线进行了工程方案论证和工程 设计。经过方案计算比较，选用了双压锅炉系统。确定双压锅炉的参数和与之配套的补 汽式汽轮机的参数。 设计用于5 0 0 0 t i ) 干法水泥窑纯低温余热发电的补汽式汽轮机，该汽轮机本体补汽 部分、辅机部分、控制和保安系统都有其特殊要求，补汽式汽轮机获得了国家实用专利。 最后依托中信重机公司的技术优势对水泥窑纯低温余热发电系统进行了项目实施， 第一套系统在吉林辽源金刚水泥有限公司施工验证，做成了工程示范项目，获得了很大 成功，创造出很好的社会效益和经济效益。 关键词：干法水泥窑 纯低温余热发电双压锅炉系统补汽式汽轮机 华中科技大学硕士、学位论文 b a s e do nt h ef o u n d a t i o no fn e wt y p ed r yc e m e n tp r o d u c t i o nl i n er e p i n eo l dc e m e n t p r o d u c t i o nv e r t i c a lk i l n ，t h i sp a p e rm a k e saf u r t h e rr e s e a r c ha n df e a s i b i l i t yv e r i f i c a t i o no n t h eu s eo fw a s t eh e a tf r o md r yc e m e u tp r o d u c t i o nl i n e ，t h a ti s ，u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h e c e m e u tp r o d u c t i o nl i n ei su n a f f e c t e da n dn om o r ef u e li sc o n s u m e d ，m a k eu s eo ft h ew a s t e g a se x h a u s t e df r o mt h ek i l nf r o n ta n d 耽l dt og e n e r a t ee l e c t r i c i t y , t h u sl a r g e l yi m p r o v e dt h e u t i l i z a t i o nr a t i oo f p r i m a r ye n e r g y ar e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a s t eh e a tf r o mc e m e u tk i l na n dt h e s t a n d a r d i z a t i o no fp a r a m e t e r si s f w s f l ym a d e , a n dt h e nt h ew a s t eh e a tp a r a m e t e r so ft h e c e m e u tk i l n sw i t hd i f f e r e n to u t p u to rw i t ht h es a m et o n n a g eb u ti nd i f f e r e n tr e g i o n sa r e s t a n d a r d i z e d a f t e rt h a t ，at h e o r e t i c a lp r o j e c tr e s e a r c hi sc a r r i e do u to nh o wt oi m p r o v et h e u t i l i z a t i o nr a t i oo f w a s t eh e a t a d d i t i o n a l l y , t h er e s e a r c ho fs i n g l ep r e s s u r eb o i l e rs y s t e ma n d m i x e dp r e s 跚r eb o i l e rs y s t e m , m i x e dp r e s s u r eb o i l e rs y s t e ma n df l a s hs y s t e ma sw e l la st h e w o r k i n gc o n d i t i o n so f t h el a t t e rt w os y s t e m si sa l s op e r f o r m e d s e c o n d l y , t h ee n g i n e e r i n gp r o j e c ta r g u m e u ta n dd e s i g na r ec a r r i e do u tf o rt h et y p i c a l c e m e u tk i l np r o d u c t i o nl i n ew i t h5 0 0 0 t dt h r o u g ht h ec a l c u l a t i o na n dc o m p a r i s o n , t h em i x e d p r e s s u r eb o i l e rs y s t e mi ss e l e c t e d a n dt h e nt h ep a r a m e t e r so fm i x e dp r e s s u r eb o i l e rs y s t e m a n dt h o s eo f m a t c h e ds t e a mm a k e - u pt u r b i n ea r ed e f i n e d t h es t e a mt u r b i n eh a sb e e nd e s i g n e df o rt h eg e n e r a t i n gs y s t e mu s i n gs t r a i g h tl o w t e m p e r a t u r ew a s t eh e a to fd r yc e m e u tk i l nw i t h5 0 0 0 t d a l lt h es t e a mm a k e u ps y s t e ma n d a u x i l i a r ys y s t e ma sw e l la st h ec o n t r o la n ds a f e t yp r o t e c t i o ns y s t e mh a v et h e i ro w n r e q u i r e m e n t st h es t e a mt u r b i n eo b t a i n san a t i o n a lp a t e n to f p r a c t i c a l i t y f i n a l l y , r e l y i n go nt h et e c h n i c a la d v a n t a g e so fc i t i ci - i m c ( c h i n ai n t e r n a t i o n a lt r u s t 华中科技大学硕士学位论文 a n di n v e s t m e n tc o r p o r a t i o nh e a v ym a c h i n e r yc o ) ，t h ep r o j e e to f s t r a i g h tl o wt e m p e r a t u r e c o g e n e r a t i o ns y s t e mo f c e m e n tk i l ni sa c t u a l i z e d ，a n dt h ef i r s ts e to fs y s t e mh a sb e e nv e r i f i e d d u r i n gc o n s t r u c t i o ni nj i l i nl i a o y u a nj i n g a n gc e m e n tc o ，l t da n dt a k e na st h em o d e lp r o j e c t ， o b t a i n i n gal a r g es u c c e s sa n dt h u sc r e a t i n gt h eh i g hs o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t k e yw o r d s ：d r yc e m e mk i l n ，s t r a i g h tl o wt e m p e r a t u r ec o g e n e r a t i o n ，m i x e dp r e s s u r eb o i l e r s y s t e m , s t e a mm a k e u pt u r b i n e i l i 独哉性声嗣 v 1 0 1 7 4 毒6 土 本人声鬻鬟至交楚攀篷论文最我令人定菇簿嚣撵导下避蜇嚣磷寂王嚣发取 得鹊研究成果。尽我所知，除文中己标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或熊 奉已经发装斌摸霉过魏研究成果。对本文的研究做出荧献的个人和集体， 冀已崔文孛强骥确方式挺露。本夫完全意识剩本声爨翦法镣维票盎率人承逮。 学位论文作者签名：￥章z 寸翠 i 瑟鬟：1 驴肇年，p 薅淞透 学位论文版权使用授权书 零攀霞论文搏蠢完受了簿攀校考关漂鼙、健焉攀整论文匏囊定，帮：学铰寄 杈保留弗向国家嵩蹩部门或机寿送交论文的篾印件取电予版，允许论文被查阅和 借阕。零大授权华中科技大学可默将本学位论文靛众部或部分内容编入簿关数据 库遗嚣缝索，霹戳袋趸彰窝、漳露或塞接餐襄潮手羧深存帮茳壤奉攀健谂文。 保密口* 在年解密后邋用本授权书。 本论文麟于 不镙密戆 ( 请在以上方框肉打“”) 学使论文l 偌喾签名：翁3 曹争 宦期：钞_ 5 年，i 旁“习 掺尝教燎签名： 场景孕 日期：口占年 口月- d 固 华中科技大学硕士学位论文 1 1 - r 程背景及研究意义 能源工业是国民经济的基础产业，是实现现代化的物质基础。随着全球经济的不断 发展，世界对能源的需求量越来越大，尽管世界各国都把建立可靠的能源供应作为实现 国民经济发展的战略性问题，但能源问题却受到前所未有的困扰“1 。首先是能源危机， 由于石油、煤炭等重要的一次性能源的储量有限，而且是不可再生的，照目前的使用速 度，用不了多少年，就会使用殆尽，在没有找到新的大规模可行性替代能源之前，研究 如何提高能源的利用效率以节约现有能源，成为一种行之有效的方法“；其次是环境污 染，目前一次性能源( 煤、石油等) 的使用造成了严重的环境污染，随着民众环保意识的 增强，电力工业的发展受到环保因素的制约越来越大，因此从人类的可持续发展角度来 讲，提高现有能源的利用效率具有十分重要的现实意义。 开展资源综合利用是我国的一项长期重大技术政策，合理地综合利用现有的宝贵资 源将是我国确保经济可持续发展的关键。 水泥生产是高能耗过程，大量的热量未加利用被排放到大气中去，造成浪费和热污 染。目前推广的多级预热新型干法水泥生产工艺使能耗大幅降低，但仍有占水泥熟料烧 成系统总热量的2 5 被排放掉，浪费惊人，如何有效地回收这部分余热，一直是困扰 水泥行业节能降耗，提高经济效益的难题之一。 国家发改委要求企业节能十条措施第三条规定：回收利用余热、余压发电。如钢铁 企业利用干法熄焦显热回收发电、高炉炉顶压差发电，回收高炉、焦炉、转炉煤气发电， 水泥企业利用窑头窑尾烟气余热发电等。 国家发改委于2 0 0 3 年底出台产业结构调整指导目录( 征求意见稿) ，进一步明确 国家支持、限制和淘汰的水泥工艺、技术和产品，支持加快发展新型干法水泥。新型干 法水泥，将是今后政府鼓励投资的项目。 华中科技大学硕士学位论文 在沿海经济发达同时能源极为短缺的地区，今年4 月，浙江省再次抬高水泥行业准 入门槛，明确今后不再新建日产4 0 0 0 吨以下的水泥项目，以提高资源和能源的利用效 率。对于已上马的日产2 0 0 0 吨及以上新型干法水泥企业，则鼓励其发展余热发电，推 进能源的综合利用“。 余热发电符合国家关于节约资源、保护环境及可持续发展的方针政策。并且国家规 定，对于容量大于1 0 0 0 千瓦的余热电站，电力部门应该无条件上网并给予优惠上网电 价“。 1 1 1 能源和余热利用 余热发电是利用余热、余压或可燃性废气进行发电，下面是几种常见的余热利用行 业： ( 1 ) 硫酸余热发电：硫酸余热发电是利用硫酸生产中焙烧原料硫磺产生的余热，这 种余热有高温位、中温位和低温位”。目前利用的主要是高温位和中温位余热，将这种 余热送入余热锅炉，产生蒸汽带动汽轮发电机组进行发电，发电采用的汽轮机则根据低 压蒸汽有无用途来决定，可以是背压式也可以是凝汽式”。 ( 2 ) 炼油厂余热发电：炼油厂在加工原油过程中需要大量不同参数的蒸汽，由于冬 季和夏季用热量不同，冬季将大量的中压蒸汽减温减压至低压蒸汽使用，夏季将过剩蒸 汽放空都会造成能源的浪费，带来很大的经济损失，同时也造成严重的噪声污染。根据 这种情况，炼油厂一般要进行热平衡计算后采用一个抽汽凝汽余热发电项目，冬季按抽 汽凝汽工况运行，在出力允许的范围内尽量增加进汽量和抽汽量，以替代减温减压器， 夏季采用凝汽工况运行，多余的蒸汽全部发电。 ( 3 ) 玻璃行业余热利用与发电：在玻璃生产中一方面要消耗电能与蒸汽( 燃料油的 加热保温等) ，另一方面玻璃熔窑又产生大量的高温烟气，如何将这部分高温烟气的显 热充分地回收利用，变“废”为“宝”使之转化成热能和电能，从而降低生产成本是玻 璃行业实现节能的有效途经。 2 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 有色冶金行业余热利用。冶金行业如：炼钢生产过程中会产生高炉煤气，轧钢 过程中会产生高温烟气，这些余热都在得到逐步的应用。高炉煤气的利用在冶金行业已 经得到很大的推广，炼铁炼钢过程中产生的高炉煤气经燃烧带动余热锅炉进行发电嘶。 另外有色冶金炉窑烟气的余热利用，特点是烟气温度高，含尘量大，含有腐蚀性气体。 ( 5 ) 柴油机组余热发电：大型柴油发电机组在我国南方经济发达而电力紧缺的地区 如广东省，得到了大力推广和应用，柴油发电机与大型火电机组相比效率还要高，折合 供电煤耗低，基建周期短，占地面积小，运行灵活。即使这样柴油发电机组排放废气带 走的热量约占重油燃料热量的3 2 ，特点是热量大而集中，可以采用余热锅炉进行余 热回收发电“”。例如：一台6 0 0 0 k w 的柴油发电机组，排放废气温度3 6 0 。c ，排放废气 量4 6 2 4 0 k g h ，可以带一个1 5 0 0 k w 的余热发电机组，余热利用效果相当可观。 ( 6 ) 水泥窑余热发电：国内水泥窑余热发电技术及设备大致可分三个阶段，第一阶 段技术是日本于2 0 世纪3 0 年代在我国东北地区及2 0 世纪8 0 年代我国自行建设的中空 窑余热发电，第一阶段水泥窑产量小一般小于7 0 0 t d ，余热发电机组功率也小于 3 0 0 0 k w 。第二阶段技术是我国在第一阶段技术基础上开发研制的中空窑余热发电系统， 水泥产量一般大于7 0 0 t d ，单台水泥窑余热发电能力提高到4 0 0 0 - - 6 0 0 0 k w1 1 1 。第二阶 段水泥窑余热发电系统主要使用于中空水泥窑余热发电，进余热锅炉的废气温度般为 5 0 0 - - 9 0 0 ，而且为了提高发电量，全部解决水泥厂的自身用电，这种余热锅炉都为补 燃锅炉，余热量只占发电所需热量的2 0 左右，这种余热发电相当于一个小型燃煤电 厂，在有些地方煤价较高时会出现余热发电成本比电网电价高的情况，即亏本运行。第 三阶段水泥窑余热发电系统是随着水泥生产工艺的改进一千法预分解回转窑的发展而 产生，目前新型干法水泥生产逐步取代湿法立窑生产，每条水泥窑的产量可以达几千吨， 甚至上万吨，而且对能量的利用也大大提高。第二代水泥窑的热耗一般为6 0 6 1 6 6 8 8 k j k g ，第三阶段水泥窑的热耗已降至4 8 0 7 - - 5 4 3 4 k j k g 。即使这样还有很大一部 分热量通过窑头和窑尾排放掉了，这部分烟气的温度大概在3 5 0 ( 2 左右。研究的目标就 是不燃烧任何燃料并最大限度地利用这部分能量进行发电“4 。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2 我国新型千法水泥工业现状 新型干法水泥生产是当今世界水泥生产的主要潮流，我国是水泥生产大国， 2 0 0 3 年产量达8 6 3 亿吨，2 0 0 4 年产量达到9 亿吨，2 0 0 5 年产量超过1 0 亿吨，连续1 9 年水 泥产量居世界第一。 我国新型干法水泥生产技术起步于上世纪7 0 年代，至今已有3 0 多年，但发展步伐 较小，速度缓慢。进入新世纪以来，随着我国国民经济的飞速发展，我国新型干法水泥 生产的发展进入了快车道，2 0 0 1 年新投产新型干法水泥窑4 0 条生产线，2 0 0 2 年和2 0 0 3 年更是达到了惊人的发展速度，一批自行设计建成的2 0 0 0t d 、2 5 0 0t d 、及5 0 0 0t d 熟 料生产线投入运行，很快达标投产，1 0 0 0 0 t d 的水泥生产线也已经投入运行。目前我国 2 0 0 0 t d 以上规模熟料生产线占新型干法生产线总数的比例为4 6 3 ，而在建生产线中 2 0 0 0 t d 以上规模熟料生产线约占7 7 ，这批在建生产线建成投产后，我国2 0 0 0 t d 以上 规模熟料生产线占新型干法生产线总数的比例将达到5 9 ，且5 0 0 0t d 以上规模熟料生 产线占的比例将达到1 0 ，还有几条1 0 0 0 0t d 熟料生产线也将投入生产。截止2 0 0 4 年 5 月，全国水泥窑1 0 0 0 0 t d 生产线有4 条；5 0 0 ( o d 生产线有1 0 6 条；1 0 0 0 - - 2 5 0 0 t d 生 产线有约6 0 0 条。不久的将来，我国新型干法水泥生产线中，2 0 0 0 t d 以上规模熟料生 产线将占主导地位o ”。 1 1 3 水泥窑余热发电简介 目前，国内的水泥窑余热发电主要集中于中空窑的余热利用，利用中空窑8 5 0 。c 左 右的余热废气带余热锅炉，汽轮机大多配备1 5 0 0k w 或3 0 0 0 k w ，参数低、功率小1 ”。 这类余热也可带补燃锅炉，可以使锅炉出口参数达到3 4 3 m p a 4 5 0 ，功率可以达到 1 2 0 0 0k w ，但被补燃锅炉利用的余热量仅占发电系统所需能量的2 0 左右，电厂运行 成本高，并随煤价的高低而波动，甚至出现发电亏损。有些企业为了使项目得到审批， 名义是余热发电，实际是小型火电，效率低、污染大、造成了能源的浪费。因此，国家 经贸委已停止审批带补燃锅炉的余热发电项目。不带补燃锅炉的蒸汽动力循环余热发电 4 华中科技大学硕士学位论文 技术是真正意义上的工业余热电站，符合国家的环保节能政策，是国家经贸委大力推广 的项目“”。由于它不使用燃料补燃，因此不对环境产生附加污染，其次，由于没有补 燃锅炉，就没有输煤除渣系统，锅炉故障率大大降低，更有利于电厂的t l 动化控制和管 理。一个7 0 0 0 k w 的纯低温余热发电厂，采用d c s 系统后，全厂管理和运行人员仅需1 5 人，年创造经济效益3 0 0 0 万元以上，社会效益和经济效益非常明显，因此，水泥窑采 用纯低温余热发电是相当有益的，江、浙地区在审批水泥窑时已把纯低温余热发电作为 必须同时建设的项目。 我国2 0 0 5 年新型干法熟料产能达到4 3 亿吨；新型干法水泥产量比重由2 0 0 0 年不 足1 2 提高到2 0 0 5 年的4 0 ；未来几年内4 0 的新型干法水泥线要上余热发电。在利用 水泥生产工艺中的中、低温废气进行余热发电方面，日本7 0 的水泥企业都设置有余热 发电系统；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。1 9 9 7 年， 我国引进日本设备在海螺建设了一个水泥生产线纯低温余热电站。 国家在产业政策上积极支持、鼓励实现纯低温余热发电技术、设备的国产化。在这 个背景条件下，目前国内具有水泥窑余热发电工程设计、技术开发能力的数家单位，以 利用日本川崎技术及设备建设的安徽宁国水泥厂、广西柳州水泥厂纯低温余热电站为基 础，推出了几种水泥窑纯低温余热发电的热力循环系统。 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n ”： 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，如图 1 - 1 所示。 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，如 图1 - 2 所示。 其三；双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，如图 卜3 示。 华中科技大学顽士学位论文 图卜l 不补汽式余热发电热力循环系统及废气取热方式 图l - 2 复合闪蒸补汽式余热发电热力循环系统及废气取热方式 6 华中科技大学硕士学位论文 图1 门多压补汽式余热发电热力循环系统及废气取热方式 热力循环系统及废气取热方式的主要特点如下： ( 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2 5 0 4 0 0 c 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a q c 炉) ，a q c 炉生产压力0 8 1 6 m p a 温度至3 6 0 c 的蒸汽或 同时生产压力0 1 o 5 m p a 温度至1 8 0 c 的低压低温蒸汽、8 5 2 0 0 c 的热水。 ( 2 ) 仅利用水泥窑窑尾预热器排出的2 5 0 4 0 0 c 废气余热设置窑尾预热器余热锅 炉( 简称s p 炉或阴炉) ，s p 炉生产压力0 8 1 6 m p a 温度至3 6 0 c 的蒸汽。 ( 3 ) 将a q c 炉、s p 炉生产的0 8 1 6 m p a 蒸汽及a q c 炉生产的0 1 o 5 m p a 蒸汽， 或a q c 炉生产的8 5 2 0 0 c 热水经闪蒸器生产出的0 1 0 5 1 f i p a 蒸汽通入汽轮机，再由 汽轮机带动发电机发电。 日本川崎余热发电闪蒸技术比较成熟，发电效率较高，但是设备主机均需从日本引 进，价格较贵；国内一些企业也开发出单压余热发电技术，但其发电效率较低；如何开 7 华中科技大学硕士学位论文 发出更高效的纯低温余热发电技术是本课题研究的主要目的。 1 2 需要解决的问题 水泥窑纯低温余热发电主要是利用窑头和窑尾排向大气的废气中所含的热量，经过 热交换被余热锅炉吸收转化成具有一定压力和温度蒸汽的内能，推动汽轮发电机组发电。 余热发电系统先进性考核的主要指标就是在相同的余热条件下系统的发电量，因此关键 是解决以下问题： ( 1 ) 余热发电系统的研究开发 开发出国内领先、国际先进的余热发电系统，能使水泥窑中废气的热量尽可能多地 转化成电能，即系统具有较高的热效率“”。 ( 2 ) 典型水泥窑余热参数条件的标定 要研究水泥窑余热发电，就需要根据水泥窑排放的废气参数来研究制定余热利用的 方案，但是由于水泥窑所处的外部环境不同、所采用的原料燃料不同、操作程序不同等 多种因素的影响，致使其排放的废气参数有诸多差异，为了合理配置余热锅炉和发电系 统，使锅炉和发电系统处于高效率的运行工况，必须对水泥生产线长期稳定工况下的废 气参数进行筛选验证和热工标定。 ( 3 ) 余热锅炉参数的优化 针对水泥窑余热特点，尽最大可能利用余热，根据用户废热的不同情况和热力系统特 点，兼顾锅炉和汽轮机及系统设备配置情况，需要对余热锅炉的热力参数进行优化，如 果采用双压余热系统，需合理确定余热锅炉蒸汽参数、汽轮机主蒸汽及补汽参数，充分 利用废气余热，提高系统的循环热效率。 ( 4 ) 低参数补汽式汽轮机的开发 对于双压余热发电系统，必须开发出与系统配套的补汽式汽轮机，汽轮机设计中， 进汽参数的选取要有利于机组循环效率，并满足汽轮机末级排汽湿度的要求，考虑末级 8 华中科技大学硕士学位论文 排汽湿度对级效率的修正“”。补汽点的选取和补汽结构的设计是汽轮机设计的关键，它 们的设计要保证蒸汽补进去后与主蒸汽均匀混合。为了适应各种工况的变化，还需要 对补汽阀和补汽参数进行控制，保证系统安全稳定运行。 1 3 论文主要工作 本文主要是在调研全国水泥行业生产现状的基础上，对水泥窑纯低温余热发电系统 进行了深入地研发，并开发出了系统的主要设备，余热发电补汽式汽轮机，进行了系统 的实旌和调试。主要工作如下： ( 1 ) 为了开发出具有较高吸热效率的余热发电系统，对单压锅炉汽水发电系统和 双压锅炉汽水发电系统进行了比较，同时对双压锅炉汽水发电系统和带一级闪蒸器的汽 水系统进行了比较；对单压锅炉汽水发电系统和双压锅炉汽水发电系统的参数进行了优 化和比较。通过方案优化，针对水泥窑余热的特点，从理论上获得结论：水泥窑余热发 电系统优选双压锅炉汽水发电系统，才能达到最大程度回收利用余热的效果。 ( 2 ) 开发了用于5 0 0 0 t d 典型水泥窑余热发电的双压锅炉带补汽式汽轮机的热力系 统，指出了该热力系统的关键技术，同时通过计算对系统参数进行了优化，得出最有效 回收窑头和窑尾余热的最佳蒸汽参数。 ( 3 ) 开发研制了用于纯低温余热回收利用的低参数补汽式汽轮机，汽轮机本体部分， 汽轮机的辅机部分，汽轮机控制和保安系统和。根据低参数补汽式汽轮机特点，对 5 0 0 0 t d 水泥窑余热发电汽轮机的凝汽器进行设计；为了使主蒸汽和补蒸汽能够有效地 混合，设计了一种沿圆周方向渐缩式蜗壳结构的补汽缸；使汽轮机进汽参数稳定和适应 各种工况的需要，设计了前压控制和补汽阀控制系统。 ( 4 ) 系统研制开发完成后，对系统进行了项目实施和调试，取得很大成功，获得的 了第一手资料，对系统的进一步完善提供了可靠的依据。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 单双压锅炉的技术方案 匕较 2 1 余热锅炉的汽水系统 水泥窑余热锅炉是回收水泥窑的废气余热，借以产生推动汽轮机发电所需蒸汽的换 热设备。 通常，余热锅炉是由省煤器、蒸发器、过热器以及集箱和锅筒等换热管簇和容器组 成n ”，如图2 - 1 所示。 卜余热锅炉2 一过发器 3 一蒸发器4 一省煤器5 一锅俩 6 - - 给水泵7 - - 化学除氧装置 8 一汽轮机9 - - 冷凝器 1 0 一发电机 图2 - 1 余热锅炉汽水系统简图 在省煤器中锅炉的给水完成预热任务，使给水温度升高到接近于饱和温度的水平， 在蒸发器中给水吸热相变，成为饱和蒸汽，在过热器中饱和蒸汽被加热升温到设计的过 热蒸汽参数水平龃1 。 余热锅炉的计算主要包括设计工况计算和变工况计算。设计工况的计算主要用于设 备的选型以及研究系统在设计工况下的各项经济指标“。具体到余热锅炉的计算就是 1 0 华中科技大学硕士学位论文 研究在给定烟气参数、蒸发器的压力、节点温差和接近点温差以及各级加热器出口温度 的情况下计算出余热锅炉出口蒸汽参数，而变工况计算则是研究在所有基本换热设备都 已经选定的情况下在烟气参数发生改变时对整个系统造成的影响“”。 在余热锅炉设计中，首先需确定可以回收的热量及其品位，以及拟得到的蒸汽参数， 然后在满足最小窄点温差等受热面设计的条件下，来确定余热锅炉的蒸发量及排烟温 度。 为了使水泥窑的废气余热在余热锅炉中被充分利用，应尽可能的降低废气离开余热 锅炉时的温度，但是这个排汽终温度是不可能降得很低的，因为在余热锅炉的设计中， 当锅炉出口蒸汽压力选定后，该压力对应的饱和温度是一定的，压力越高，对应的饱和 温度越高，产生的蒸汽量越少，锅炉给水越少，吸收废气中的热量就越少，废气排放温 度就越高。锅炉出口蒸汽压力越低，对应的饱和温度就越低，产生的蒸汽量越多，锅炉 给水越多，吸收废气中的热量就越多，废气排放温度就越低”1 。但汽轮机组发电所需 蒸汽参数必须有一定的压力，蒸汽压力不可能太低，否则无法发电。这样对应的饱和温 度也不可能太低，即余气的排放温度也不可能降到很低e 2 4 1 。余气排放温度如何随蒸汽 参数变化，这就需要进行两种余热锅炉汽水系统的优化和比较单压锅炉汽水系统和双 压锅炉汽水系统。如图3 2 和图3 3 分别为单压和双压锅炉汽水系统图： 圈2 - 2 单压锅炉汽水系统图 华中科技大学顽士学位论文 图2 - 3 双压锅炉的汽水系统图 2 2 单双压锅炉汽水系统技术方案比较 2 2 1 单双压锅炉汽水系统比较 在废气余热利用中，一般认为余气的排放是一定的，采用“单压锅炉的汽水发生系 统”的余热锅炉，仅能把排汽的终温度降低到1 6 0 2 0 0 左右“1 ，如图2 4 所示 t t 9 4 t w 9 图2 - 4 单压汽水系统中工质和余气温度与换热量之闻的关系 为了进一步降低排汽的终温度，力求充分利用余热，在设计余热锅炉的汽水系统时， 当主蒸汽参数不变时，则可以采用“双压的汽水发生系统”。这种余熟锅炉汽水系统中 将产生两种压力参数水平的蒸汽供汽轮机使用，双压锅炉系统可以使余气排烟温度降低 1 2 华中科技大学硕士学位论文 到9 0 1 0 0 。c ，甚至更低”。如图3 5 所示，为了从原理上便于说明二者之间的区别， 图2 - 4 和图2 - 5 中给出余气温度和余热锅炉中给水以及蒸汽的温度与换热量之问的变化 关系。 t t 9 4 t w 9 图2 - 5 双压汽水系统中工质和余气温度与换热量之间的关系 在单压锅炉汽水系统中，当主蒸汽的压力较高时，排气温度是不可能降得很低的， 因为在余热锅炉的设计中，主蒸汽压力所对应的饱和温度t s 是一定的，由于物理条件 的限制，锅炉给水的起始点7 与余气侧之间必须留有一定的传热温差a t 。( 通常称为节 点温差) ”，这样t 9 5 的降低就受到了限制。 采用双压锅炉汽水系统可以把余热锅炉的排气温度t 9 5 降低到9 0 1 0 0 。c 甚至更低， 从图2 5 的吸热量与温度的变化关系中可以看出，之所以能把排气温度降下来是由于在 高压锅炉的后面增加了低参数的锅炉，这些锅炉能迸一步吸收余气中的热量。它产生的 低参数蒸汽通过补汽的方式进入汽轮机做功，提高余热利用率。而这种方案的主要缺点 是：锅炉管道以及汽轮机的基本投资费用会相应地提高。 在单压锅炉的汽水系统中，余气的排气温度是否就不能降下来呢? 答案是否定的。 如图2 - 6 ，可以通过降低主蒸汽压力从而降低了相应压力下饱和水温度t s ，在节点温差 不变的情况下，气侧温度变化曲线就会向下移动如下图示：排气温度t 9 5 降低为t 9 5 1 3 华中科技大学顽士学位论文 锅炉吸热量q 变为q ，虽然q q 但蒸汽的压力和温度会随之降低，当蒸汽参数降得 很低时就无法推动汽轮发电机组发电。 t t 图2 6 单压锅炉蒸汽压力降低温度和流量关系图 q 。q 图2 - 7 单压锅炉蒸汽压力升高温度和流量关系图 反之，若提高主蒸汽压力，从而提高相应压力下饱和水温为t s ”，在节点温度不变 的情况下，气侧温度变化曲线就会向上移动，如2 - - 7 图示：从而t 9 5 升高为t 9 5 ”，锅 炉吸热量q 变为q ”，显然q ” f 2 ，p 1 2 p i a p ； 若，0 4 9 5 ，可重新设定定p l 、p 2 。 若t 0 5 9 5 。c ，可以 假定p 不变，减少p 2 ，或假定p ：不变，减少p 。，当然也可以p 。、p 2 同时减小。 同样若t 0 5 9 5 。c ，可以假定p 。不变，增大p ：，或假定p 2 不变，增大p - ，当然也可以 p 。、p ：同时增大。 如图2 1 3 是计算程序的流程图 图2 一1 3 汽水系统计算流程图 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 2 p l 取7 、8 、9 1 3b a r 时程序计算结果 给水温度t 。 3 8 1 63 8 1 63 8 1 63 8 1 63 8 1 63 8 1 63 8 1 6 排汽温度f 0 5 9 0 9 09 09 09 0 9 09 0 中压蒸汽压力尸。 7891 01 11 21 3 中压蒸汽温度t 2 3 3 53 3 53 3 53 3 53 3 53 3 53 3 5 中压蒸汽流量q2 1 9 5 51 9 1 21 8 7 31 8 3 71 8 0 31 7 7 11 7 4 1 低压蒸汽压力p 2 l9 42 0 42 1 22 2 02 2 82 3 42 4 1 低压蒸汽温度，2 1 6 4 9 51 7 0 4 11 7 5 3 51 7 9 8 81 8 4 0 61 8 7 9 61 9 1 6 0 低压蒸汽流量q 2 5 6 66 0 36 4 66 8 67 2 27 5 77 8 9 发电机输出功率 3 5 4 33 6 0 03 6 4 83 6 8 93 7 2 43 7 5 43 7 8 1 表2 - 3 j p l 取1 4 、1 5 、2 0b a r 时程序计算结果 给水温度t 。 3 8 1 63 8 1 63 8 1 63 8 1 63 8 1 63 8 1 63 8 1 6 排汽温度t 0 5 9 09 09 09 09 09 09 0 中压蒸汽压力p 。 1 41 51 61 71 81 92 0 中压蒸汽温度t ， 3 3 53 3 53 3 53 3 53 3 53 3 53 3 5 中压蒸汽流量q 2 1 7 1 31 6 8 5 1 6 5 91 6 3 4 1 6 0 91 5 8 6 1 5 6 3 低压蒸汽压力j p 2 2 4 62 5 22 5 72 6 1 22 6 62 7 02 7 3 低压蒸汽温度t 2 1 9 5 0 41 9 8 2 82 0 1 3 72 0 4 32 0 7 1 12 0 9 8 02 1 2 3 7 低压蒸汽流量q 2 8 2 0 28 5 08 7 89 0 59 3 09 5 59 7 9 发电机输出功率 3 8 0 43 8 2 43 8 4 23 8 5 83 8 7 23 8 8 4 3 8 9 5 表2 - 4 尸取2 1 ，2 2 、2 7b a r 时程序计算结果 给水温度f 。 3 8 1 63 8 1 63 8 1 63 8 1 63 8 1 63 8 1 63 8 1 6 排汽温度f 0 5 9 0 9 09 0 9 0 9 0 9 09 0 中压蒸汽压力尸 2 12 22 32 42 52 62 7 中压蒸汽温度f ， 3 3 53 3 53 3 53 3 53 3 53 3 53 3 5 中压蒸汽流量q 2 1 5 4 l l1 5 1 9 71 4 9 8 81 4 7 8 51 4 61 4 3 91 4 2 0 4 低压蒸汽压力，： 2 7 6 7 2 7 9 9 2 8 2 92 8 5 72 8 8 32 9 0 72 9 2 9 低压蒸汽温度t 2 2 1 4 8 52 1 7 2 42 1 9 5 52 2 1 7 82 2 3 42 2 6 4 2 2 8 0 7 低压蒸汽流量q 2 1 0 0 31 0 2 51 0 4 71 0 6 81 0 8 91 1 0 91 1 2 9 发电机输出功率3 9 0 53 9 1 33 9 2 03 9 2 63 9 3 23 9 3 63 9 4 0 华中科技大学硕士学位论文 设定不同的p 和p ：经过程序计算会得出不同的中压蒸汽参数和低压蒸汽参数，如 表2 2 、表2 3 、表2 4 计算结果可以看出，当保证一定的余气排放温度，可以通过 不同的中压蒸汽参数和低压蒸汽参数来达到。总的趋势是，当中压蒸汽的压力降低时， 中压蒸汽流量在增加，低压蒸汽压力在降低，低压蒸汽流量在降低。当中压蒸汽的压力 升高时，中压蒸汽流量在减少，低压蒸汽的压力也在逐渐升高，蒸汽流量在增加。 假定汽轮发电机组的内效率、发电机的功率及机械传递效率，便可根据不同的蒸汽 参数求出不同的发电量，根据不同的发电量进行方案优化。 从上面单压锅炉和双压锅炉的比较中可以看出，单压锅炉无法使废气排放温度降到 很低，否则产生的蒸汽参数就没有发电价值”。而双压锅炉可以使废气排放温度降得 很低，但要产生两种不同的蒸汽参数进行发电。 从理论上，可以选取发电功率的最大值，同时也要考虑不同出口参数的锅炉受热面 的布置，锅炉的投资费用以及不同进汽参数的汽轮机设计制造的成本和难易程度，即要 核算投资收益比后选取一个最佳方案脚。 针对水泥窑余热特点，优选双压锅炉，尽最大可能利用余热。根据用户废热的不同 情况和热力系统特点，兼顾锅炉和汽轮机及系统设备配置情况，进行参数优化，合理确 定双压余热锅炉蒸汽参数、汽轮机主蒸汽及补汽参数，充分利用废气余热，提高系统的 循环热效率。 2 4 小结 本章对单压锅炉汽水发电系统和双压锅炉汽水发电系统进行了分析，同时对双压锅 炉汽水发电系统和带级闪蒸器的汽水系统进行了比较；对单压锅炉汽水发电系统和双 压锅炉汽水发电系统的参数进行了优化。可以看出单压锅炉无法使废气排放温度得到足 够的降低，不能充分利用余热，而双压锅炉可以充分降低废气排放温度，但要产生两种 不同的蒸汽参数进行发电。针对水泥窑余热的特点，优选双压锅炉汽水发电系统，这样 实现了较高的余热利用率和较高的系统循环效率，最大可能地回收利用余热。 华中科技大学硕士学位论文 3 1 热力系统设计 3 系统总体方案设计及其参数优化 水泥窑余热与一般的燃气轮机余热、焦炉煤气余热、高炉煤气余热等余热系统相比， 余热较分散，有窑头和窑尾两股余热，而且余热参数不同，余气成分和用途也不同。为 了充分利用这部分热源，设计开发了双压锅炉带补汽式汽轮机的热力系统。 图3 - 15 0 0 0 t d 水泥窑余热发电系统流程图 日产5 0 0 0 吨水泥窑是目前干法水泥的典型生产线，图3 - 1 给出了5 0 0 0 t d 水泥窑 余热发电系统的流程图。水泥的生产是先由生料破碎装置将生料破碎后进入窑尾余热 器，窑尾余热器一般有四级或五级，生料经预热后进入窑体焙烧，焙烧的同时产生高温 烟气，高温烟气进入预热器预热生料，生料经焙烧后变成高温熟料。高温熟料经风机冷 却后成为水泥熟料，水泥熟料磨碎按不同的比例和其它原料混合就成为不同标号的水 泥。高温熟料是在窑头由风机进行冷却的，这就在窑头产生了高温废气n ”。 因此水泥窑的余气有两股，一股是燃料焙烧产生的高温烟气，烟气温度有8 0 0 华中科技大学硕士学位论文 1 0 0 0 。高温烟气预热生料后还有3 5 0 左右，这部分废气中的一小部分用来烘干原料， 大部分喷水降温，除尘后排空。另一股熟料产生的高温气体也是经冷却后排空，这不仅 造成很大的浪费，也造成很大的污染。 由于水泥窑的窑头的余热可利用热量为3 4 0 1 0 0 c 左右，窑尾的余热可利用热量 为3 4 0 - - 2 2 0 左右，窑头的余热量较大，但热量品位较低，窑尾的余热较少，热量品 位较高，因此需要在窑头和窑尾分别设置了两台余热锅炉，窑头一台a q c 锅炉，窑尾一 台p h 锅炉，对其排放的余热进行回收利用。窑尾的余气由3 5 0 降低到2 2 0 后要进入 原料磨预热原料，预热原料后经电除尘、烟囱排放大气。p h 锅炉能够利用的废气能量 为3 5 0 2 2 0 之间的能量。窑头a q c 锅炉它可以尽可能地利用窑头余气放出的热量。 它可利用的能量段为3 5 0 9 5 c 之间的能量。由于要将窑头的废气温度降到9 5 。c 左右， 因此p h 锅炉的省煤器要布置在窑头，低压锅炉也要布置在窑头，p h 锅炉和a q c 锅炉产 生的蒸汽混合后经汽轮机主汽阀进入汽轮机，低压锅炉产生的低压蒸汽通过补汽口进入 汽轮机，形成了成双参数进汽的纯低温余热发电系统“。 一汽轮机一发电机一凝汽器一主汽阀一均压箱一汽封加热器 图3 - 2 双参数进汽余热利用系统图 主蒸汽旁路 替汽旁路 2 8 华中科技大学硕士学位论文 图3 2 给出了双参数进汽余热利用热力系统图，可以看出，水泥窑余热发电系统的 设计与常规电厂的热力系统设计不同。由于要使窑头a q c 锅炉的余气排放温度降到1 0 0 以下，锅炉的给水温度必须较低，不能有给水加热。给水除氧不能象其它电厂那样采 用加热除氧，只能采用其它除氧方式，比如化学除氧。这样能保证给水有较低的温度。 余热锅炉的运行与常规电厂也不尽相同，余热锅炉启动时由于参数较低，为了保证主蒸 汽参数的相对稳定，利用旁路对进汽参数进行调整。机组检修或短暂停机时为了保证余 热锅炉的正常运行，主蒸汽管路要设计去冷凝器的大旁路。余热发电系统的设计除了考 虑余热发电系统本身外，还要考虑对水泥生产工艺的影响。余热发电系统停运后不能对 水泥的生产有影响，因此窑头及窑尾的余气也要设计余气旁路。 由于水泥线工艺布置较紧凑，现场空地不多，而窑尾s p 锅炉又采用立式锅炉，综 合以上因素考虑，将窑尾s p 炉布置在窑尾预热器后的高温风机之上，在最上一