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創新型余熱發電技術

【河北水泥網】  【時間:2011-03-24】  【關閉本頁】  【打印本頁[字體:字體顏色]

  一、企業簡介

  北京市琉璃河水泥有限公司是全國建材一類大型企業,始建于1939年,是北京金隅集團有限責任公司控股的北京金隅股份有限公司的核心子公司,注冊資本3.3億元,職工總數980人(其中工程技術人員300余人),年利潤近1億元。公司位于北京西南40公里處,西鄰龍的故鄉—周口店北京猿人遺址,與京廣鐵路、京石高速公路、107國道緊鄰,交通四通八達,運輸暢捷迅速,廠區環境優美。公司在行業內率先通過ISO9001質量體系認證、ISO10012計量檢測體系認證、OHSMS18001職業健康安全體系認證、ISO14001環境管理體系認證。公司生產的“金隅”(原“長城”)牌水泥被國家質量監督檢驗檢疫總局授予“國家免檢產品”,并獲得了北京市首批“綠色建材產品”稱號,“長城”牌商標還連續多次被評為“北京市著名商標”、“北京名牌商品”等稱號。

  北京市琉璃河水泥有限公司擁有一條2500t/d新型干法水泥生產線和一條2000t/d新型干法水泥生產線,鐵路專用線13條合計20公里,主要產品有P.O42.5、P.Ⅰ42.5水泥,年生產供貨能力達220萬噸以上,日出廠水泥最大量12000噸以上。公司以創新求發展,依靠科技進步,不斷提高產品服務質量,堅持“塑卓越品質,鑄百年偉業”的質量方針,真誠服務用戶,履行企業社會職責,按照“綠色北京”的要求,成為“生態友好型”企業。實現了經濟效益、社會效益和生態效益的協調統一。

  北京市琉璃河水泥有限公司大力發展循環經濟,走理性、健康、可持續發展的道路。2006年公司在2500t/d新型干法水泥生產線配套開發的創新型低溫余熱發電示范項目,每小時平均發電能力在5800kwh以上,成為具有國際領先水平的示范工程。該項目被國家發改委列為2006年國家十大重點節能工程示范項目,被北京市發改委列為“清潔能源示范工程”,創新型低溫余熱發電技術已獲得國家實用新型專利和國家發明專利。在2000t/d新型干法水泥生產線配套建設的6兆瓦創新型低溫余熱發電生產線已于2009年6月并網發電,公司2009年被列為北京市首批循環經濟試點單位。

  近年來,隨著我國經濟建設的蓬勃發展以及國家對基礎設施建設投入不斷加大,水泥工業的建設規模和技術水平有了長足的進步,為水泥窯純低溫余熱發電技術及裝備的推廣應用創造了市場條件。伴隨建設規模及水泥生產線產能的提高,水泥燃料熱耗逐漸降低。但即使如此,目前國內先進的水泥生產工藝仍然有大量的350℃以下的低溫余熱不能被充分利用,其浪費的熱量約占總輸入熱量的1/3左右?紤]目前國內陸續投產的大型水泥窯技術及裝備的變化并結合國內火力發電設備設計制造現狀,對水泥工業純低溫余熱發電所采用的熱力循環系統、循環參數及廢氣取熱方式進行深入的研究分析,從而進一步提高我國純低溫余熱發電技術及裝備水平、充分合理利用余熱進而提高余熱發電能力是非常必要的。

  二、北京市琉璃河水泥有限公司發電技術歷史情況簡介

  1、北京市琉璃河水泥有限公司在1939年建立之初,就設有兩套余熱發電機組;2、國家“八五”攻關項目中,公司

  1993年2000t/d的新型干法生產線投產時已建有一套12MW資源綜合利用的余熱發電系統;3、2000年建設2500t/d的新型干法生產線時已預留了余熱發電接口與場地。

  三、創新型余熱發電技術研發

  (一)創新基礎與核心

  1、創新基礎

  在保證水泥窯產、質量不降低,在熟料熱耗不增加的基礎上,充分利用水泥窯頭、窯尾可利用余熱資源,實現高效率的能量轉換。

  2、創新核心

  (1)與電力設計制造部門合作開發新型干法水泥生產線的有自主知識產權的鍋爐與汽輪發電機的創新型純低溫余熱發電系統(專業化分工、強強聯合);(2)創造性地應用“功能分開”和“能級重組、梯度利用”的設計理論;(3)采用國際先進技術,創新設計、解決SP、AQC爐存在的漏風、氣流分布不均、傳熱器積灰以及傳熱效率低等問題。

  3、技術特點

  此項技術特點是在三次風風管的管路上設一帶有旁路風管的三次風余熱鍋爐,該三次風余熱鍋爐的工質入口端通過管路分別與AQC和SP爐連接,通過三次風再次加熱AQC和SP爐的汽包,提升飽和蒸汽的品質,提高熱能利用率。在三次風管取熱風是最受爭議的一點技術革新,通過理論計算和實踐證明,按北京地區大型火電廠發電煤耗355克標煤/千瓦時計算,每小時我們借用的三次風的熱量相當于發電量為1000千瓦時,也就是說,我們這種技術每小時所得到的發電成果是:純低溫發電量4800千瓦時(發電成本0.12元/kwh)和用發電煤耗為355克標煤/千瓦時發的1000千瓦時電量(發電成本0.24元/kwh),可見經濟效益是非常明顯的。從AQC廢氣排放溫度低于90℃等等技術指標上可以充分體現這一技術“功能分開”和“能級重組、梯度利用”的設計理論。此外,三次風管取風客觀上減少了三次風溫上下波動的范圍,在一定程度上起到了穩定分解爐和回轉窯工況的作用。

  (二)創新型低溫余熱發電技術的理論基礎

  目前,所有的熱能—動力轉換技術理論基礎均基于朗肯循環理論,不同電站僅僅是由于熱能種類、所采用的工質參數及實際循環方式不同,鍋爐產生蒸汽時,壓力變化一般都不大,所以蒸汽的產生過程接近于一個定壓加熱過程。一般來講有如下三個過程:

  第一個過程,水被逐步加熱至某一溫度,在此溫度下水開始逐漸產生蒸汽,形成飽和水,其蒸汽溫度與水溫相同;第二個過程,飽和水繼續被加熱時開始汽化,這個定壓汽化過程水溫將不再變化,蒸汽將不斷增加至水全部變為飽和蒸汽;第三個過程,蒸汽后繼續定壓加熱,則蒸氣的溫度將不斷升高,便得到過熱蒸汽。

  在水及水蒸氣被熱源加熱過程中,熱源與水及水蒸氣間必將存在換熱溫差,并且熱源溫度必須高于水及水蒸氣溫度,同時在此換熱過程中的某一位置存在最小溫差點,此點稱為換熱溫差窄點。

  一般通過熱平衡的方法,即通過熱量的收入與支出來分析評價某一熱工過程,進而確定熱效率。但是熱平衡評價方法是基于熱力學第一定律,即能量收入與支出之和必須是零。它僅表示能源在量方面的利用情況,并不涉及能質。能質的表現方式是考察能源對環境而言所能作的最大有用功,它是基于熱力學第二定律:熱量只能從高溫熱源傳遞給低溫熱源,因此,并不是所有的熱量都能作功,溫度愈高,作功能力愈大,環境溫度下的熱量不能作功。通過對余熱發電熱力循環過程進行能質分析和評價,可以對余熱發電熱力循環系統進行更深入的分析從而找出構成合理、高效的余熱發電熱力循環系統的方法。

  朗肯循環是最簡單的蒸汽動力循環,由給水泵、鍋爐、汽輪機和冷凝器四個主要裝置組成。在對實際的循環進行簡化和理想化的前提下,我們認為汽水循環過程如下:

  1、在給水泵中水被壓縮升壓,這個過程中流經水泵的流量較大,水泵向周圍的散熱量可以忽略,這個過程可簡化為可逆絕熱壓縮過程,即定熵壓縮過程。2、水在鍋爐中被加熱的過程本來是在外部熱源與工質之間有較大溫差的條件下進行的,而且不可避免地工質會有壓力損失,是一個不可逆加熱過程。我們把它理想化為不存在工質壓力變化,并將過程想象為無數個與工質溫度相同的熱源與工質可逆傳熱,也就是把傳熱不可逆因素放在系統之外,只著眼于工質一側。這樣,將加熱過程理想化為定壓可逆吸熱過程。3、蒸汽在汽輪機中膨脹過程中因其流量大、散熱量相對較小,當不考慮摩擦等不可逆因素時,簡化為可逆絕熱膨脹過程,即定熵膨脹過程。4、蒸汽在冷凝器中被冷卻水,同樣將不可逆溫差傳熱因素放于系統之外來考慮,簡化為可逆定壓冷卻過程。

  通過對上述分析,提高其循環熱效率的措施有如下三點結論:1、提高汽輪機進汽溫度、壓力等初參數可提高循環熱效率;2、降低汽輪機排汽溫度、壓力等終參數可提高循環熱效率。3、提高鍋爐對余熱分能級利用的水平,充分發揮中高溫煙氣熱效率的同時,盡可能多回收低溫煙氣熱量。

  上述結論是指導余熱發電熱力系統及設備設計的基礎,是確定余熱發電熱力系統的理論基礎。但在實際工程中,由于材料、水及水蒸氣特性的限制以及余熱熱源溫度的限制,進汽輪機的蒸汽壓力、溫度不可能無限制提高,因此相應的制約了循環熱效率的提高;同樣,由于汽輪機排汽受循環冷卻水溫度的限制也不可能過低,也制約了熱效率的提高。

  (三)創新型低溫余熱發電系統優化

  以北京市琉璃河水泥有限公司現有日產2500t水泥熟料生產線純低溫余熱發電工程為例:項目根據水泥廠余熱的分布與能級特點,利用經優化的汽水循環系統、合理的工質參數及核心發電設備,主要建設一臺6MW純凝汽式汽輪機和一臺6MW發電機,三臺分別設置于窯頭、窯尾和三次風管主路的余熱鍋爐,合理、充分地利用水泥生產過程的工藝余熱,產生蒸汽推動汽輪發電機組發電。

  純余熱電站不燒煤,不增加新的煙氣排放點,但是純低溫余熱發電受到了余熱品位和余熱量的制約。所以要研究余熱發電,首先就必需了解水泥窯排放煙氣的廢氣參數,從而進一步研究熱量利用方案。廢氣量、廢氣溫度、廢氣成分等參數決定了余熱鍋爐的產汽量和發電系統的發電量。為了合理配置余熱鍋爐和發電系統,使鍋爐和發電系統處于高效率的運行工況,我們對水泥生產線長期穩定工況下的廢氣參數進行篩選驗證,對影響余熱參數的窯系統各點的確定進行了多方論證研討,確保電站開工前的所有設計工作準確無誤、與水泥生產系統配合得當,并在電站建設完成后還要進行跟蹤檢測,與建設前參數進行比較(見圖一:工藝流程)。

  圖一:余熱發電工藝流程

  本項目利用窯頭鍋爐與窯尾鍋爐蒸發受熱面來回收進入鍋爐的中高溫煙氣產生飽和蒸汽,飽和蒸汽壓力達到2.0MPa以上,溫度可提高到210℃左右,這樣就使在230℃以上的煙氣全部用來生產飽和蒸汽。由于煙氣溫度較高和流量很大,窯頭鍋爐能生產10.6t/h飽和蒸汽,窯尾鍋爐能產汽20.6t/h;為實現對低溫段煙氣的合理利用,經與蒸發受熱面換熱后形成的低溫煙氣由省煤器來回收,用下級省煤器來加熱凝結水,上級省煤器繼續加熱來自除氧器的給水,減少了從汽輪機抽汽作為除氧熱源的環節,有利于提高了汽輪機的效能;飽和蒸汽送入三次風鍋爐,利用少量850℃左右的高溫三次風來加熱飽和蒸汽以及少量的減溫水產生過熱蒸汽,使過熱蒸汽溫度達到400℃,壓力達到1.9 MPa左右,過熱蒸汽流量為32.4t/h。

  利用根據余熱高低品位分能級利用的原則,窯頭鍋爐、窯尾鍋爐生產飽和蒸汽,三次風鍋爐生產過熱蒸汽,從而提高了過熱蒸汽的品質(過熱度、壓力)與產量,這些思路和實踐是水泥工業與水泥窯余熱發電工業的一大創新。

  鍋爐系統工質具體的循環過程是來自三次風余熱鍋爐的過熱蒸汽在汽輪機中膨脹做功后,乏汽排入冷凝器凝結成水,凝結水從冷凝器出來,通過凝結水泵分別進入AQC余熱鍋爐低溫省煤器和SP余熱鍋爐低溫省煤器中,從AQC余熱鍋爐和SP余熱鍋爐低溫省煤器出來的低壓給水送入除氧器,經除氧器除氧并經電動給水泵升壓后分別進入AQC余熱鍋爐和SP余熱鍋爐高溫省煤器。從高溫省煤器出來的水分別送入該余熱鍋爐的蒸汽受熱面生成飽和蒸汽;AQC余熱鍋爐和SP余熱鍋爐產生的飽和蒸汽經汽包再分別通過管路送至三次風過熱器,經三次風過熱器的低溫過熱器、高溫過熱器加熱產生過熱蒸汽,汽水循環的工質壓力可以提高至次中壓,過熱蒸汽經主蒸汽管送入汽輪機推動發電機發電。

  四、北京市琉璃河水泥有限公司2500t/d新型干法水泥生產線配套6MW創新型余熱發電運行效果

  1、自2007年7月投運以來,運行狀況良好,各項指標均達到了設計標準。2009年上半年發電2489.4萬kwh,發電設備運轉率達98%,隨窯運轉率達100%,發電功率平均值達到5800kw以上,電站自用電率達到6%,供電能力高。余熱電站與水泥窯系統有機的結合,不但未對窯煅燒帶來任何影響,而且起到了穩定窯熱工制度的作用,熟料產質量穩定提升。2、北京市琉璃河水泥有限公司創新型余熱發電系統已于2009年1月14日獲得國家發明專利(專利號:ZL200610171599.0)。

  五、結束語

  樹立科學發展觀,創建節約型社會,是我國當今發展的主題。大力發展循環經濟,是實現節約型社會的重要途徑之一,是國家倡導的產業發展方向。伴隨水泥行業的生產工藝進一步發展,水泥生產的熱耗進一步降低,水泥生產線的窯頭及窯尾所排出的廢氣溫度將進一步降低時,所配置的余熱鍋爐(以水為介質時)只能制成熱水鍋爐或采暖,另一方面余熱鍋爐的介質采用低沸點的(有機或無機)液體時,使鍋爐排出溫度低于90℃或更小,使余熱利用率進一步提高。這一技術和領域的開發與涉足,符合國家長期科技開發規劃,符合建立和諧社會的需要,是再生能源、循環經濟、提高能源利用效率和企業經濟效益的重要途徑,北京市琉璃河水泥有限公司愿與社會各界攜手,為我國水泥窯余熱發電的發展貢獻自己的力量。

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