主办单位：中国水泥协会企业文化分会

刊头题字：阎嘉望—中国书法家协会会员

水泥窑余热发电系统优化改造探讨王亮呼志刚（内蒙古蒙西水泥股份有限公司）

内蒙古这样一个产煤量全国第二（年产量为10.63亿吨，占全国四分之一），发电量全国第一（年亿度）的省份也在限电及试行分时电价政策，对于水泥这样一个两高行业来说，抓好余热发电量，实现内部造血，显得尤为重要。在当前电价、煤价居高的情况下，余热发电的补充不仅能够满足国家的降碳、节能、减排要求，也是水泥企业降低成本的有效途径，所以我们水泥行业有责任用好这一“工具”，把它发挥到合理水平。

水泥熟料煅烧过程中,由窑尾预热器、窑头熟料冷却机等排掉的℃以下低温废气余热,其热量约占水泥熟料烧成总耗热量30%以上,造成严重的的能源浪。水泥生产,一方面消耗大量的热能(熟料消耗标煤耗～kg/t),另一方面还同时消耗大量的电能(水泥电耗90～kWh/t)。故目前内蒙古的水泥企业全部配套了余热发电生产线。

但由于大部分水泥企业存在余热发电后期配套建设的问题，不可避免地会对原有工艺流程、设备布置、风机参数带来影响；另一方面篦冷机、原料磨、煤磨的形式、预热器的级数和增湿塔的位置等，也影响到发电量。

1概述

朗肯循环是指以水蒸气作为工质的一种理想循环过程，主要包括等熵压缩、等压加热、等熵膨胀、以及一个等压冷凝过程。用于蒸汽装置动力循环。

水泥窑余热发电就是利用朗肯循环，主机设备包括窑头(AQC)和窑尾(SP)的余热锅炉各一套，汽轮机、发电机、水处理设备、循环冷却设备和DCS控制设备各一套。利用窑头窑尾的废气温度，进行纯低温余热发电，烟气自上而下通过过热器、蒸发器、省煤器、省煤器出口，分别供给AQC锅炉蒸发器和SP锅炉蒸发器。水在锅炉中被加热成蒸汽，经过过热器进一步加热后变成过热蒸汽，过热蒸汽通过主蒸汽管道进入汽轮机，过热蒸汽在汽轮机中不断膨胀加速，高速流动的蒸汽冲击汽轮机动叶片,使汽轮机后的蒸汽排入凝汽器并被冷却水（空冷岛）冷却成凝结水。凝结水通过凝结水泵打入除氧器中与脱氧后的补充水一起由给水泵打入锅炉。这样就完成了一个周期循环。

余热发电主要参数：主蒸汽额定蒸汽压力、主蒸汽额定蒸汽温度、进汽压力、进汽温度等。t/d熟料生产线窑头熟料冷却机中部取风余热-m3/h（标况）,温度：℃～98℃，有约×kJ/h的热量（排出的废气考虑再次入篦冷机用于发电）；窑尾预热器废气余热量为34-30m3/h（标况）,温度：℃～℃（排出的废气考虑用于生料烘干），具有×kJ/h的热量。

1.1余热锅炉组成部分

余热锅炉部分是由锅炉本体、过热器、省煤器、汽包等组成，它们的作用如下：

（1）锅炉本体：吸收炉膛中的热量，产生饱和蒸汽。

（2）过热器：将饱和蒸汽进一步加热，提高蒸汽温度为过热蒸汽。

（3）省煤器：利用烟气的余热提高给水温度，降低排烟温度，提高锅炉热效率。

（4）汽包：汽包是锅炉蒸发设备中的主要部件，是汇集炉水和饱和蒸汽的圆筒形容器。是加热、蒸发、过热三个过程的分界点。

常用的有单压、双压和闪蒸循环系统见图1、图2、图3。

图1单压系统

单压系统汽水循环比较简单：凝汽器出口31.2℃的过冷水经过升压泵升压至1.91MPa、31.4℃，经AQC锅炉省煤器加热后以℃分别进入SP锅炉和AQC锅炉，经蒸发器和过热器加热后生成℃过热蒸汽,进入汽轮机做功。此时只有一个升压泵,SP锅炉和AQC锅炉各有一个汽包,SP锅炉给水由AQC锅炉省煤器提供,这是由于SP锅炉排出废气温度限制在℃,如果SP锅炉单独安装省煤器,则换热温差过大,做功量减小,单压时不加省煤器的效果比较好，这是因为加装高压省煤器后,进入SP锅炉的水温降低,SP锅炉流量减小;同时由于蒸汽压力的提高,使得AQC锅炉汽包进口水温升高,其蒸汽流量也有所降低,导致整体做功量减小。

图2双压系统

双压系统的SP锅炉有一个汽包，AQC锅炉有高、低两个汽包，对于高压汽包也可以考虑增加省煤器，同时在AQC锅炉中可以考虑将高压省煤器与低压过热器互换，AQC锅炉中废气先经过高压省煤器时，SP锅炉省煤器温升79.4℃，AQC锅炉高压省煤器温升78.9℃，都远远大于20℃。从优化结果可见,锅炉各点废气一蒸汽温差也都大于10℃，在合理范围内。节点温差接近于5℃。增加高压省煤器可以增加系统做功能力，对只在SP锅炉或者AQC锅炉高压部分加装省煤器的情况进行了优化的结果表明，两个锅炉都加省煤器时效果最好。而且烟气先经过低压过热器时的做功量比先经过高压省煤器要高kW左右，这是因为烟气先经过低压过热器时，低压蒸汽的温度有所提高，而且由于低压流量不大，对高压省煤器的换热温差影响不大。与单压相比，主蒸汽流量减小，但不加省煤器时系统做功量增加不明显。

图3闪蒸循环系统

闪蒸是指水的一种相变过程，即在一定压力和温度下未饱和水，当压力下降至某温度下的饱和压力时，就会进入饱和区而开始汽化，并随着压力的下降，其汽化程度不断提高。

闪蒸系统中，AQC省煤器中被加热的水有一部分是送至闪蒸器中产生蒸汽，由于闪蒸流量可以在不影响主蒸汽流量的情况下尽量增加，使得AQC排气温度可以降到很低，但实际过程中排气温度不能太低，取排气温度下限为85℃，此时闪蒸器在闪蒸出二次蒸汽的同时其出水回流与系统给水混合，将给水由31.4℃加热至80.5℃，起到加热器的作用。省煤器出口水温℃，此处废气温度℃，换热温差为15℃。闪蒸器蒸汽流量约为进入水流量的10％，为了增加闪蒸流量，应尽量保证较小的主蒸汽接近点温差。与单压系统相比，闪蒸系统AQC锅炉汽包流量和SP锅炉汽包流量基本不变,但废气排放温度下降32.8℃，做功量增加了约kW。增加高压省煤器的双压系统输出功最大，这是由于该系统可以和闪蒸系统一样有效降低废气排放温度，同时由于采用双压系统,实现能量的梯级利用,各换热器的换热温差较单压和闪蒸更为合理，能保证较大的总蒸汽流量。但是与单压相比，增加了高压省煤器，使得系统较为复杂，增加初始投资。

闪蒸系统的主蒸汽压力、流量等与单压系统基本相等，输出功比带高压省煤器的双压系统略小。实际应用中可以通过升压给水泵和流量调节阀来调节闪蒸流量，以控制AQC锅炉废气排放温度，且此时可以不影响SP锅炉和AQC锅炉汽包的换热情况，必要时甚至可以切除闪蒸器，此时系统以单压方式运行，是单压循环的最优值。闪蒸产生的低压蒸汽为饱和蒸汽，易使汽轮机排气湿度增加，汽轮机效率降低，同时在补汽口，两股蒸汽混合时温差较大，?损失增大，并导致材料受热不均。在机组设计时可适当降低闪蒸压力，但降低闪蒸压力会使AQC锅炉废气排放温度进一步降低，不能保证系统在最佳工况下工作，双压循环具有最大输出功，闪蒸系统输出功略小，但系统较为简单等优点。双压循环与闪蒸循环将是水泥窑低温余热利用的主要发展方向。

1.2汽轮机部分

汽轮机是由汽轮机本体、调速系统、危急保安器及油系统组成，它们的作用如下：

（1）汽轮机本体：由锅炉输出的高温高压蒸汽吹动叶轮转动，将热能变换为机械能。

（2）调速系统：使汽轮机在负荷变化时，自动增大和减小蒸汽的进汽量，保持汽轮机在额定转速（r/min)下稳定运行。

（3）危急保安器：当汽轮机调速系统失灵，转速超过r/min，危急保安器动作，将主汽门关闭，防止汽轮机损坏。

（4）油系统：它是供给汽轮机和发电机各处轴承的润滑油和调速系统用油。

1.3电气部分

电气部分由发电机、变压器、高低压配电装置、输电线路及厂用电和综合自动化系统系统组成，它们的作用如下：

（1）发电机：将机械能转换为电能。

（2）变压器：将发电机输送出的电能的电压升高或降低（余热发电不需要），厂用变压器供辅助设备用电。

（3）高低压配电装置：它是按主接线的要求，由开关设备、保护测量电器、母线和必要的辅助建筑构成的总体，其作用是在正常时用来接受和分配电能，在系统故障时迅速切断故障部分,恢复正常运行。

（4）输电线路：向用户输送电能与系统联络，以保证供电的可靠性。

（5）厂用电系统：供给发余热发电生产用电、照明、机修等自用电。

（6）综合自动化系统:由DCS自动化控制系统、二次仪表、综合保护装置、电气测量系统、电气计量系统、余热发电自动统计报表系统等组成。完成遥控、遥测、遥信、遥脉、综合保护功能。

2余热发电系统优化改造技术实践简析

2.1取风口改造技术

结合第二代水泥技术的更新迭代，尤其是篦冷机改造后，会出现这样那样的问题，废气温度越低，中部取风应适当靠前，反之靠后，取风口风速控制在5m/s，管道内风速控制在14m/s，不应超过18m/s。

表1不同规模熟料线余热发电窑头取风量

余热发电的两个基本条件是温度和风量，二者缺一都会较大影响发电量。温度是受窑况、篦冷机操作、煤磨用风限制；风量则受窑内通风大小及篦冷机废气排出量的影响。生产上经常出现的问题是有时窑温较高,二次风温及窑头余热锅炉温度都高,但由于废气量不足，发电量也不高，而窑头排风机拉大风后，因为低温段热风用量少，所以窑头负压就高，窑头负压偏高，窑内二次风量减少，又会影响火焰形状，造成烧成带温度下降。

煤立磨烘干煤粉所用热源来自两个途径：一是利用窑尾废气，因窑尾废气中含浓度较高的CO，易发生爆炸，且含尘浓度较高,后期设计院设计时取消；二是利用窑头废气，也就是在篦冷机处取风,绝大部分企业采用此项技术。随着低温余热发电技术在水泥行业的普及应用，存在煤磨用热风与窑头锅炉用热风争风现象，特别是冬季，受外界气温低的影响，煤磨用热风不能满足需求。结合各家企业窑系统工况的不同，下面给大家介绍几种取风口改造的方式，提高余热发电量。

2.1.1煤磨主取风点从旁路风管取风方式结合生产实际，为了增加入窑头锅炉的热气量，又能保证煤磨热风的供给，稳定破碎机处的负压值，在窑头旁路阀门的下方的热风管路上增加一个管路，与入煤磨的热风管道连接。此管可以从篦冷机的低温段拉取一部分温度较低的热风,再配合一部分温度较高的二段热风，可减少煤磨对二段高温热风的抽取量。改造后，相当于窑头篦冷机的热风，除了作为二、三次风供窑系统外，全部进入窑头AQC锅炉用于发电。窑头旁路阀门可全关，最终废气作为煤磨系统烘干热源。废气热量不足时，打开部分原热风阀门20%~30%进行补充。这样实现了充分利用窑头废气热量的目的，避免了与余热发电系统抢风的现象，提高了窑头AQC锅炉入口风温、风量，提高了窑头锅炉的热气量，提高了发电量，降低了窑头布袋收尘器入口温度。同时窑头冷风阀门、煤磨冷风阀门全关，降低了排风机负荷，降低了电耗。这一改造主要

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