中国水泥窑余热发电技术

摘要：水泥工业是高耗能的工业。在水泥生产中，水泥窑在350℃左右排放大量中低温废气，约占燃料总热输入的30%。如果直接排放到大气中，会造成严重的能源浪费。利用低温余热发电技术对该部分中低温废气余热进行回收利用。产生的高温过热蒸汽进入汽轮机发电。发电机的输出功率可满足水泥生产线和水泥厂自身的生活用电，并积极实施节能减排措施。与火力发电厂相比，余热发电不需要燃烧煤炭等燃料，不产生二氧化碳等环境污染物。

关键词：水泥窑；余热发电技术；

前言：节能减排是我国经济社会发展的一项长期战略方针，也是一项极其紧迫的任务。回收余热，降低能耗，对我国节能减排和环境保护的发展战略具有重要的现实意义。同时，余热利用在改善工作条件、节约能源、增产、提高产品质量、降低生产成本等方面发挥着越来越重要的作用。其中一些已经成为工业生产的一部分。20世纪六七十年代以来，余热利用技术在世界范围内得到了迅速发展。目前，我国的余热利用技术也取得了长足的进步，但与世界先进水平仍有一定的差距，有的余热没有得到充分利用，有的余热在使用中存在着许多问题。

1 目的要求

1.1 降低能耗环境。在水泥熟料燃烧过程中，窑尾预热器和窑头熟料冷却器排放的低温废气余热占水泥熟料燃烧总热量的30%以上，造成严重的能源浪费。一方面，水泥生产消耗大量热能，另一方面，水泥生产也需要大量电力。将400℃以下低温废气余热转化为电能用于水泥生产，可使水泥熟料生产综合电耗降低60%或30%以上。对于水泥生产企业来说，可以大大减少从社会发电厂购买的电力，或者大大减少水泥生产企业燃烧的燃料。自备电厂发电可以大大降低水泥生产的能耗;避免了水泥窑余热直接排入大气的热岛现象;同时可以降低社会发电厂或水泥生产企业自用电厂的燃料消耗，减少CO2等燃烧废弃物的排放，有利于环境保护。

1.2 政策的推行提供技术支持。自然资源如能源、原材料、水、土地等，随着经济的发展，资源有限之间的矛盾越来越明显。为此目的，中国政府在其节能技术计划中大力支持研究、开发和推广中型和中型干燥热生产新技术。在国际金融危机的背景下,广泛应用于水泥工业余热生产工艺不仅降低生产成本和改善环境污染,而且市场竞争力大大提高水泥企业,做出了重大贡献,在水泥工业节能减少大量工业。

1.3 符合清洁要求。清洁发展机制是一种灵活的市场机制，其核心要素是向附件一缔约方提供促进发展中国家的可持续发展，促进最终目标;并协助发达国家缔约方履行减少温室气体排放的定量承诺。参加世贸组织项目使发达国家政府能够获得执行项目所获得的所有或部分经认证的减排，并利用它们履行规定的限制温室气体排放的承诺。在发达国家企业的情况下，可用于履行其限制温室气体排放的国家义务，或在适当市场上出售经济利益。发达国家政府和企业可以通过参与项目大幅降低减排承诺的经济成本。对发展中国家来说，通过额外的资金和/或先进的环境保护技术，参与发展中国家可以促进可持续发展。因此，清洁发展机制是互惠互利的。世贸组织的合作也可能降低全球温室气体减排的总体经济成本。

2 中国水泥窑余热发电技术

2.1 水泥余热发电系统。

1) 烟气流程

出窑尾一级筒的废气(约310℃)经SP炉换热后温度降至208℃左右，经窑尾高温风机送至生料磨烘干原料后，经除尘器净化后达标排放。取自窑头篦冷机中部的废气（分别约470℃和325℃）进入AQC炉，热交换后温度降至100℃左右后与熟料冷却机尾部的废气会合后进入收尘器净化达标后由引风机经烟囱排入大气。SP炉的排灰为窑灰，可回到水泥生产工艺流程中，窑尾除尘器收下的窑灰一起用输送装置送到生料均化库。AQC炉产生的粉尘将和窑头收尘器收下的粉尘一起回到工艺系统。

2）余热锅炉与水泥生产工艺系统的衔接

（1）AQC炉

为了确保AQC炉出现事故时不影响水泥生产，保留旁路烟道并设置调节型的切换烟风阀门，在必要时解列AQC炉。保证水泥线的安全稳定运行。

（2）SP炉

SP炉设置在窑尾预热器与窑尾高温风机之间，用烟气管道与余热锅炉连接。SP炉系统的烟气侧阻力≤1100 Pa，通过提高高温风机的风压，可使系统完全正常工作。

为保证余热锅炉的启停不影响水泥生产及电站的稳定运行，在SP炉烟气连接管道上设有旁通烟道，可使锅炉在出现故障时或水泥生产不正常时解列，既满足了水泥生产的稳定运行又保证了SP炉的安全。通过旁通烟道的调节作用还可使水泥生产及余热锅炉的运行均达到理想的运行工况。

2.2水泥生产线对外排放的余热量分析

根据水泥生产线工艺流程，生产线废气余热主要来源于窑尾预热器出口烟气，篦冷机尾排烟气。

根据生产线的运行情况，业主提供废气参数如下：

窑尾预热器出口： 368000Nm3/h－310℃；

窑头冷却机出口： 304000Nm3/h－360℃；

旁路放风废气： 25400Nm3/h-1050℃

根据以上资料及烟气流程，水泥窑用于余热发电的废气参数确定如下：

SP余热锅炉

窑尾SP余热锅炉布置于高温风机正上方，锅炉进风取自窑尾预热器C1筒出风管道，本方案考虑5℃温度损失和1.5%的旁通阀门泄漏，SP余热锅炉废气设计参数确定如下：

362480Nm3/h-305℃/208℃

AQC余热锅炉

对于AQC余热锅炉，由于当地的原料含碱量较高，导致熟料含碱，致使进入AQC锅炉废气含碱，AQC余热锅炉的蒸发受热面比较容易结块堵灰，因此采用传统的工艺流程，废气先经过粉尘分离器，再进入余热锅炉，使碱及早形成固态并沉降下来，减少对受热面的粘附，且加大换热面间距；有效的提高了锅炉的换热效率及防止积灰，以减轻熟料颗粒对窑头余热锅炉的冲刷磨损，但因为冷却机取风口到锅炉进口的距离相对较远，为减少中间环节（主要是废气分离器）漏风及温度损失，本方案将分离器与AQC余热锅炉固化为一体，在锅炉入口处设置降尘室，以达到预除尘的目的。尽管如此，从冷却机取风点至AQC锅炉入口仍有大约5℃的温度损失。

考虑窑头篦冷机内部温度的分布及工作特性，并为了提高烟气余热品质，采用在窑头冷却机中前部取风的方式，拟采用两个取风口，其中高温风进入锅炉一级进风口，中温风进入锅炉二级进风口，每个取风管道上均设置调节型烟风阀门，便于灵活控制进入余热锅炉的风温。为了保证一级进风温度，设置自窑头罩至锅炉的烟道并配置调节型烟风阀门。

窑头冷却机废气分配如下：

高温一级取风废气参数：64090Nm3/h-470℃

中温二级取风废气参数：239910Nm3/h-325℃

另外，篦冷机鼓风采用热循环风方式，自窑头排风机回风至篦冷机二段、三段鼓风机入口，在冬季运行时，有效的保证了AQC锅炉的进风温度，大大提高了窑头余热资源的更充分利用。

2.3装机容量

充分利用水泥生产线废气余热。

余热电站的生产运行不能影响水泥生产系统的生产运行及热耗指标。

余热电站的系统及设备应以“成熟可靠、技术先进、节省投资、提高效益”为原则，并考虑目前国内余热发电装备的技术水平，最大限度的采用先进的热力系统和技术。

烟气通过AQC和SP余热锅炉沉降下来的粉尘回用窑灰资源综合利用项目以达到节约资源及环境保护的目的。

尽量采用节能型产品，在利用废气余热的前提下进一步提高节能技术水平。

余热电站的建设尽量少的影响水泥生产线的停产时间。

电站控制采用DCS控制系统，提高控制水平和运行稳定性。

根据目前国内余热发电技术及装备现状，结合水泥窑生产线余热资源状况，采用低温低压余热发电技术。

根据目前的余热发电的技术水平，对锅炉出口主蒸汽压力为1.60MPa参数下，需：

AQC锅炉： 22.5t/h-1.6MPa(a)-440℃过热蒸汽

7.45t/h-0.30MPa(a)-170℃过热蒸汽

SP锅炉： 20.5t/h-1.6MPa(a)-285℃过热蒸汽

汽机进汽参数：1.5MPa(a)－360℃；0.20MPa(a)－160℃。

基于汽轮机排汽压力为0.007MPa(a)，经计算蒸汽共具有约11275kW的发电能力。考虑到汽轮机的稳定工作范围为额定功率的40％～110％，配备一台额定发电功率为9000KW的汽轮机和一台9000KW的发电机及1台窑尾余热锅炉+1台窑头余热锅炉。

2.4热力系统

根据上述装机方案，为满足生产运行需要并达到节能、回收余热的目的，结合水泥生产工艺条件，热力系统方案确定如下：

1)SP余热锅炉：

在窑尾设置SP余热锅炉，余热锅炉设置蒸汽段和省煤器段：蒸汽段生产1.6MPa(a)-285℃的过热蒸汽，锅炉省煤器给水来自AQC余热锅炉热水段。

2) AQC余热锅炉

AQC余热锅炉设置主汽过热段，主蒸汽段，低压蒸汽段及热水段。冷却机中部抽取一级高温废气进入AQC余热锅炉主汽过热段，生产1.6MPa(a)-440℃的过热蒸汽；冷却机中部抽取的二级中温废气进入AQC余热锅炉主蒸汽段，生产主汽饱和蒸汽；低压蒸汽段生产的0.3MPa(a)-170℃的过热蒸汽用于汽轮机补汽；AQC炉热水段生产的130℃热水作为SP、AQC余热锅炉各级蒸汽段的给水，AQC锅炉废气经原有的窑头收尘系统收尘后排入大气。

热力系统构成：

汽轮机凝结水经凝结水泵送入真空除氧器，真空除氧器的出水经锅炉给水泵为窑头AQC余热锅炉热水段供水，AQC余热锅炉热水段的出水做为AQC、SP余热锅炉各级蒸汽段的给水。AQC和SP余热锅炉主蒸汽段生产的过热蒸汽在汽轮发电机房合并后进入汽轮机的主进汽口。AQC低压蒸汽段生产的0.3MPa(a)-170℃过热蒸汽做为汽轮机的补汽；汽轮机做功后的乏汽通过空气冷凝器冷凝成水，经凝结水泵送入真空除氧器，从而形成完整的热力循环系统。

窑头熟料冷却机余热锅炉采用多段受热面，最大限度地利用了窑头熟料冷却机废气余热。

为了保证电站事故不影响水泥窑生产，余热锅炉设有旁通废气管道，一旦余热锅炉或电站发生事故时，可以将余热锅炉从水泥生产系统中解列，不影响水泥生产的正常运行。

窑头、窑尾余热锅炉均采用立式结构，并采取相应措施解决锅炉的漏风、磨损、堵灰等问题，同时这种结构可减少占地面积。

除氧器采用真空除氧方式，有效的保证了除氧效果。

窑头降尘装置与窑头余热锅炉固化于一体，减少了窑头废气输送过程中的温度损失。

为保证窑尾锅炉下灰顺畅，在SP锅炉内部设置了振打除灰装置，保障清灰效果。

电站的控制采用DCS集中控制，保证了电站的稳定运行和与水泥生产线的合理衔接。

以上各项措施已经在众多工程中得到应用，并取得了较好的效果，因此该技术是成熟、可靠的。

2.5冷却水系统

1）设备冷却用水量

根据窑头、窑尾余热锅炉产生的蒸汽品质及蒸汽量、汽轮发电机的汽耗和冷却倍率计算确定本电站工程冷却水量如下：

凝汽器冷却水量：3850 m3/h

冷油器冷却水量：100 m3/h

空气冷却器冷却水量120 m3/h

其他设备冷却水量：30 m3/h

循环冷却水总量：4100 m3/h

2）设备冷却水系统方案

设备冷却用水拟采用循环系统。循环冷却水系统包括循环冷却水泵、冷却构筑物、循环水池及循环水管网。该系统运行时，循环冷却水泵自循环水池抽水送至各生产车间供生产设备冷却用水，冷却过设备的水（循环回水）利用循环水泵的余压送至冷却构筑物，冷却后的水流至循环水池，供循环水泵继续循环使用。为确保该系统良好、稳定的运行，系统中设置了加药和旁滤设备。

3）循环冷却水系统设备选型

机组运行期间，循环水量因室外气象条件的变化而变化，根据机组所在地区的气象条件和本工程的冷却用水量、建设场地的特点，循环冷却水泵拟采用2台单级单吸卧式离心泵，冷却塔拟采用玻璃钢机械通风冷却塔，冷却塔的进出水温差按8℃计算。

4）系统损失水量与补充水量

根据余热电站建设所在地区气象条件和本工程的冷却用水量，以及系统所采用的冷却构筑物型式，计算得出：

蒸发风吹渗漏水量：59 m3/h

系统排水量：9 m3/h

损失水量：68 m3/h

间接循环利用率为98.2%左右，循环水系统需补充新鲜水量68m3/h。

2.6化学水处理系统

水泥余热电站中的余热锅炉属于低压蒸汽锅炉。为满足锅炉及机组的正常运行，锅炉给水指标应满足《工业锅炉水质》（GB1576-2001）低压锅炉水质标准要求。

1）水量的确定

给水在锅炉内不断蒸发浓缩，超过规定标准时蒸汽的品质就会恶化，影响锅炉的安全运行，因此要不断地把浓缩的炉水从汽锅中含盐浓度较高地段的水面引出，同时要不断地给锅炉补水，以满足锅炉稳定、正常的运行。

电站正常运行时，汽水系统补水量为1.5m3/h，最大为83/h（不包括启动调试期）。电站水处理设备的出力，按全部正常汽水损失与机组启动或事故增加的汽水损失之和确定，同时考虑化学水车间自身设备的耗水量。因此，水处理系统生产能力按10 m3/h进行设计。

2）化学水处理系统方案

为了满足余热电站锅炉给水水质标准，处理方式采用“过滤＋二级反渗透”系统。处理流程为：自厂区生产给水管网送来的水进入原水箱，经原水泵提升后进入多介质过滤器和活性炭过滤器，再经保安过滤器后，经一级高压泵升压送入一级反渗透装置，出水进入缓冲水箱，由二级高压泵再升压送至二级反渗透装置，产水出水达标后进入至除盐水箱，经除盐水泵送至汽轮发电机房供机组使用。

锅炉给水质量标准（GB/T12145-2008）

项目参数

工作压力3.8～5.8MPa(a)

硬度≤2.0 μmol/L

铁≤50 μg/L

铜≤10 μg/L

二氧化硅应保证蒸汽二氧化硅≤20 μg/kg

为控制锅炉给水的含氧量，减少溶解氧对热力系统设备的腐蚀，采用真空除氧的方式。汽轮发电机房设有真空除氧器，软化水经除氧后：含氧量≤0.05mg/L。

锅炉汽包水质的调整，是采用药液直接投放的方式，由加药装置中的加药泵向余热锅炉汽包投加Na3PO4溶液来实现的。

2.7给排水系统

水源取水设施、输水管线、原水预处理由水泥线统一考虑，循环水补水水质要求的水送至电站循环水池附近；余热锅炉取样冷却器、化学水和杂用水由水泥生产线现有生产用水管网接入；消防用水由水泥生产线现有消防管网接入。循环水补水需满足如下要求：

分析项目允许值

总悬浮物≤6 mg/L

Ca2+硬度+总碱度 （以碳酸钙计）≤367mg/L

PH (25℃) PH值 6.8~9.5

含油量 ≤3mg/L

温度 15~30 ℃

游离氯<0.5mg/L

Fe 铁≤0.16 mg/L

Cu 铜≤0.033 mg/L

Cl-≤100 mg/L

SO42-＋Cl-≤800 mg/L

SiO2≤20 mg/L

Mg2+×SiO2≤16000 mg/L

NH3-N≤3.3 mg/L

COD5 (以Mn计)≤3mg/L

1）电站给水系统

本余热电站工程耗水量如下：

循环系统补水量：68 m3/h

化学水用水量：4.3 m3/h

杂用水及辅助生产用水量：0.5m3/h

锅炉取样冷却器用水量：1 m3/h

消防用水量：180 m3/次

本工程总用水量为：73.8 m3/h

根据电站汽轮发电机房火灾危险分类为丁类，耐火等级为二级；化水车间和冷却塔火灾危险分类为戊类，耐火等级为三级。电站按同一时间内发生一次火灾、灭火历时两小时计，电站消防流量要求达到25L/s，即180m3/次。

2）排水系统

余热电站排水包括循环水系统排水、余热锅炉排污、化学水处理车间等生产废水、雨水等。

循环系统排水：9m3/h

窑头窑尾取样冷却器排污：1 m3/h

热力系统排污：2m3/h

化学水排污：1.3m3/h

辅助生产排水：0.2 m3/h

本工程总排水量为：13.5 m3/h

本方案生产过程中产生的污、废水不含有毒物质。循环水系统和辅助生产排水约13.3m3/h，除水温和浊度升高外，不含其他污染物就近排入厂区现有排（雨）水沟即可。杂用水排水约0.2 m3/h，经化粪池后直接排入厂区现有排水系统，由原有系统统一处理。雨水采用道路边沟排放，汇入水泥线现有雨水沟。

3）排水系统

余热电站排水包括循环水系统排水、余热锅炉排污、化学水处理车间等生产废水、雨水等。

循环系统排水：7.5m3/h

窑头窑尾取样冷却器排污：1 m3/h

热力系统排污：1.5 m3/h

化学水排污：1 m3/h

辅助生产排水：0.2 m3/h

本工程总排水量为：11.2 m3/h

生产过程中产生的污、废水不含有毒物质。循环水系统和辅助生产排水约11m3/h，除水温和浊度升高外，不含其他污染物就近排入厂区现有排（雨）水沟即可。杂用水排水约0.2 m3/h，经化粪池后直接排入厂区现有排水系统，由原有系统统一处理。雨水采用道路边沟排放，汇入水泥线现有雨水沟。

3、余热发电系统参数功率。使用三种系统:单压、双重压力、瞬间蒸发来获取对特定热能输出产生更详细影响的主要因素。基本参数已经被研究过，并且已经得到了系统主要参数对输出功率的影响的模式。在单压力系统中，涡轮机的输出功率随着主蒸汽压力的增加而增加，在一定的其他参数下。但是主蒸汽压力不能无限增加的高压主蒸汽温度降低,差异之间的传热和热气体在锅炉炉尾,需要增加热量交换之间的热交换面积,但此外,降低干燥排气蒸汽压力的提高而导致主蒸汽汽轮机和流失水分损失。当主蒸汽压力增加时，瞬间蒸发汽轮机的输出功率会增加，类似于单个系统。同样，瞬间蒸发系统中的主蒸汽压力，但是瞬间蒸发的消耗不能无限期地增加，瞬间蒸发消耗越多，蒸汽消耗越多，水通过锅炉的总流量越大，蒸汽消耗越多，烟雾气体冷却的成本就越大。因此，在允许的烟雾温度范围内，适当的瞬时蒸汽通量增加可能会增加汽轮机的功率。

4、 建议。中国水泥协会工业设计规划,许多长期追踪研究报告,每月定期公布经济活动,推广节能技术产业不同,水泥具有广泛的国际交流,与同事只传播技术生产低温余热进行两次在外地经验分享会。协会有能力为政府部门提供全面的服务，以支持产生剩余的热量。建议政府部门委托协会对电力生产的整体性能进行全面评估，使用纯低温残余热能改造，以测试政府对电力生产技术的支持，利用水泥工业中完全低温残余热能，并准备进一步支持的基本数据。在电力项目中，使用极其低温的剩余热量，企业在连接网络时通常会遇到一些问题。事实上，这是行业利益之间的矛盾。为了更好地支持低温度水泥行业的节能项目，国家发展和改革委员会和财政部应与电网一道，进一步明确支持在水泥工业中引入纯低温发电技术。对于能够产生剩余热能的新干水泥生产线，以及在未来几年修建新生产线的新生产线，水泥工业的剩余热产至少将持续六年。因此，必须继续支持水泥工业中完全低温残留的电力生产政策。

结束语：在工业生产中，大量的余热以各种形式排入大气，造成了严重的能源浪费和环境污染。特别是中低温350℃以下的余热，虽然其品位较低，但数量很大。因此，余热回收利用具有重要的现实意义，已成为节能领域的一个重要研究课题。为了提高系统的整体性能，首先要对余热锅炉进行改造，使余热锅炉在换热过程中的不可逆损失降到最低。所产生的高温过热蒸汽进入汽轮机发电，发电机的出力可为水泥厂自身供水。在污泥生产线和厂区生活用电量方面，积极实施节能减排措施。

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