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摘要：随着水泥窑余热发电的广泛推广和应用，不同工程项目投产后的实际效果也有所不同。本文作者结合多年的工程实践经验，从工程设计角度，提出以水泥窑余热利用最充分、余热发电系统效率最大和余热发电厂用电最低为设计优化原则，总结水泥窑余热发电工程设计的优化措施，供水泥窑余热发电工程设计借鉴。
关键词：余热发电；水泥窑；工程设计；优化措施
水泥行业是耗能大户，同时也是浪费大户，即使最先进的干法工艺仍有约占系统能耗35%的低温余热被白白排放，有效利用余热意义重大。水泥窑余热发电符合国家节能减排能政策，近年来，国内很多水泥厂纷纷配套建设了余热发电工程，随着水泥窑余热发电市场的迅速发展，余热发电技术也得到了快速提高。从运行效果来看，有些取得了不错的发电效果，还有一些则发电量较低，没有达到预期目标。造成此现象的原因是多方面的，有设计因素、安装因素和运行操作因素等，本文主要从设计角度探讨水泥窑余热发电工程的优化措施。由于我国的水泥窑余热发电技术起步较晚，一些设计单位对我国的水泥窑余热特点认识不充分，大多依据小型火力发电站的设计要求与经验、引进的国外水泥窑余热发电技术进行水泥窑余热发电设计，并没有针对我国水泥窑余热特点进行优化设计。
本文作者根据多年余热发电工程设计和总承包经验，针对我国水泥窑余热特点，总结出以水泥窑余热利用最充分、余热发电系统效率最大和余热发电厂用电最低的设计优化原则，对水泥窑余热发电工程设计应采用的关键技术措施进行了分析和总结，供水泥窑余热发电工程设计同行借鉴。
1水泥窑余热发电优化设计原则
（1）余热发电系统依附于水泥窑主线，余热发电任何情况下决不能影响主线生产。
（2）不能以增加热耗来提高发电量，因此通过增加水泥窑煤耗或抽取三次风提高烟气温度等方式用于提高余热发电量是不可取的。
（3）应遵循以热定电的原则，提供多少余热相应发多少电。
（4）在不影响主线生产前提下，尽可能把余热调送到余热电站系统用来发电。
（5）提高余热电站相对窑的运转率，使水泥窑排放的余热同步转化为电能。
水泥窑余热发电优化设计应在遵循以上设计原则的基础上，通过先进技术手段，从充分利用水泥窑余热、提高余热发电系统效率、降低余热发电运行成本等三个方面着手，实现水泥窑余热发最优化设计。此外，还应充分考虑施工是否可行、投资回收是否有利等因素。
2水泥窑余热发电优化措施
本文以不影响水泥线运行、安装施工可行和投资回报有利为前提，以充分利用水泥窑余热、提高余热发电系统效率、降低余热发电系统厂用电等三方面为技术突破口，提出了一系列实现水泥窑余热发电优化设计工艺和技术手段。
2.1充分利用水泥窑余热措施
（1）双压技术
中信重工首创了水泥窑余热发电双压技术，其原理是利用较高温度的烟气产生高压蒸汽，利用低温度的烟气产生低压蒸汽，从而实现烟气余热的梯级利用的目的。实践证明，当窑头锅炉采用双压技术后，余热发电系统的发电量相对单压系统可提高8%~10%，对大型水泥窑余热发电尤其有利。目前，随着水泥工艺的改进和水泥技术的发展，通过加强高温风机出口至增湿塔段管道的保温、增湿塔旁路改造或采用管道增湿等技术手段，当窑尾锅炉排烟温度在170℃~190℃以上时即可满足烘干原料的需要，这时窑尾锅炉也可采用双压技术，利用较低温度的烟气热量产生低压蒸汽，作为补汽进入汽轮机做功发电，从而可大幅提高余热发电量。
（2）优化煤磨取风工艺
煤磨运行时需要一定的高温热风用于烘干原料，在一些水泥窑余热发电系统中煤磨用风直接从进入窑头锅炉的烟气中抽取，由于进入窑头锅炉的烟气温度远高于煤磨用风所需温度，这时则采用掺入冷空气的方法降低进入煤磨的烟气温度，满足煤磨正常工作时的用风要求，这就造成了高温烟气的浪费。实际上，可从篦冷机尾部排烟管道中抽取一部分低温烟气，然后再掺入很少的进入窑头锅炉的高温烟气就可满足煤磨正常用风要求，这样可大大降低煤磨运行时所用的高温烟气量，从而更多的高温烟气进入窑头锅炉，提高了系统发电量。
（3）窑头锅炉排烟循环再利用
窑头锅炉排烟温度一般在100℃左右，现有余热发电系统中窑头锅炉排烟一般经除尘装置后由窑头排风机排入大气，被白白浪费。实际上这部分热量是可以被有效利用的，通过循环风管道将窑头排风机的排烟接到篦冷机下冷却风机入口，则可以提高进入窑头锅炉的烟气温度约20℃~50℃，从而可大幅提高余热发电量。在窑头锅炉循环风利用系统中，为了不影响水泥熟料质量，循环风管道只接入篦冷机二段和三段前部的冷却风机入口。窑头排烟循环风再利用的不利因素是提高了冷却风机功耗，但循环风利用后余热发电系统发电量的增加远大于冷却风机功耗的增加，而且循环风管道安装方便、投资成本较低，所以循环风利用是提高余热发电系统发电能力的一个重要措施，在高寒地区效果尤其明显。
（4）窑筒体辐射热利用
水泥回转窑筒体表面温度在300℃~400℃左右，时刻向周围环境辐射热量，因此可在窑筒体周围设置辐射换热面回收该部分热量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于辐射换热能力与温度的四次方成正比，而窑筒体表面温度不是太高，仅靠窑筒体辐射不足以加热给水产生高温蒸汽，因此很难将此部分热量用于余热发电。目前广泛采用的利用措施是采用一套独立的水循环系统，利用窑筒体辐射产生热水，用于采暖或对外供热水，取得了很好的经济效益。
（5）其它措施
在水泥窑余热发电系统的设计中还有一些其它的充分利用水泥窑余热措施，如对窑尾增湿塔旁路改造、采用新型热力除氧和加强烟气、蒸汽管道保温等，都可以将水泥窑余热进一步利用，提高余热发电能力。
2.2提高余热发电系统效率措施
（1）优化篦冷机取风工艺
水泥线中原有篦冷机尾部排烟管道中烟气量大，但烟气温度较低而且很不稳定。若将篦冷机尾部排烟直接用于余热发电不仅效率较低，而且锅炉时刻处于变负荷运行，给操作带来很大的不便。因此，在余热发电设计过程中，需将进窑头锅炉的烟气取风口设在篦冷机中部，此时烟气温度一般在360℃以上且较为稳定。尾部排烟管道作为一个旁路，当窑头锅炉运行不正常时，烟气从篦冷机尾部烟道中排出。采用优化后的篦冷机取风工艺可提高锅炉产汽温度，从而可提高余热发电系统热效率。
（2）公共过热器
对于水泥窑余热发电系统，蒸汽温度和压力越高，系统的发电效率越高，因此可以通过提高蒸汽温度来提高余热发电系统效率。一些水泥熟料生产线，窑尾锅炉进口烟温在310℃以下，受此制约窑尾锅炉出口蒸汽温度在290℃左右；而窑头锅炉循环风利用后进余热锅炉烟温可达380℃以上，因此可以将窑尾锅炉温度较低的蒸汽引入窑头锅炉过热，提高蒸汽温度，从而可提高发电系统热效率。
（3）提高凝汽器真空度
凝汽器真空度决定了汽轮机蒸汽排汽焓，蒸汽排汽焓越低则转化为电能的蒸汽焓差越大，系统发电量也就越大，反之亦然。在设计中为提高凝汽器真空度可采取的措施主要有： ①增加射水抽气器抽干空气量，降低凝汽器中不凝气体的含量，从而提高凝汽器真空度； ②采用胶球清洗装置增强凝汽器换热效果，减少换热端差，降低凝汽温度；③设计中选用合理的循环冷却水倍率，增加循环冷却水流量。
（4）合理布局工艺流程
合理布局余热发电系统工艺流程降低蒸汽沿程的温度、压力损失，则可提高进入汽轮机蒸汽的品质，从而提高发电量。在设计过程中应合理利用水泥厂现有场地，将汽机房布置在窑头锅炉附近，缩短锅炉和汽机房间距。
（5）其它措施
加强窑尾锅炉清灰效果和窑头沉降室沉降效果，可提高锅炉效率，从而提高了余热发电系统效率。另外，采用新型热力除氧提高给水品质，防止锅炉管道中的结垢，也可提高锅炉效率。
2.3降低余热发电厂用电措施
（1）双曲线自然通风冷却塔
自然通风冷却塔运行和检修成本低，但占地面积大、初投资成本高。对于装机容量较小的余热发电系统采用机力通风冷却塔更具优势，而当余热发电系统所需循环水量很大，如万吨线水泥窑余热发电或两条5 000t/d水泥窑余热发电系统共用一套循环冷却设备时，采用双曲线自然通风冷却塔比机力通风冷却塔更具优势。
（2）水轮机冷却塔
对于产量较低水泥窑余热发电站，若选用自然通风冷却塔时则存在投资回收期较长或厂区占地条件限制，这时可选用水轮机冷却塔代替传统机力通风冷却塔以降低厂用电。其原理是将水轮机与冷却塔顶风机连接，利用循环冷却水回水余压带动水轮机转动，进而推动冷却塔顶风机转动，形成空气-水强制循环，将循环水冷却。水轮机冷却塔废除了传统机力通风冷却塔中用电机驱动风机的方式，节省了风机电耗。其不利因素是一定程度上提高了循环水泵扬程，在循环水泵选型中需选用扬程稍大的循环水泵，造成水泵电耗有所增加，但循环水泵电耗的增加量比风机电耗小，另外水轮机冷却塔还具有震动、噪音较小，检修方便等优点，因此采用水轮机冷却塔具有显著的综合效益。
（3）采用变频电机
余热发电系统中泵与风机的选型一般按额定工况条件加上一定的安全余量进行选择，但在实际工作过程中余热发电工况条件不断变化，泵与风机所选的额定流量、扬程较大，实际所需较小，需通过阀门节流调节至合适的流量与扬程，而阀门节流存在较大的节流损失，导致电机消耗的电量大于实际所需电量，厂用电率较高。当使用变频电机时，当系统所需流量较小时可通过调节泵与风机转速而调节流量，因此不存在阀门节流损失，功耗较小。根据水泥窑余热发电运行中经验，当凝结水泵、给水泵、循环水泵和冷却塔风机均采用变频时，厂用电率可降低至6%左右，大大降低运行成本。
（4）采用新型热力除氧
采用新型热力除氧方式，将除氧器布置在窑头锅炉平台上。汽轮机来的凝结水加压后进入窑头锅炉尾部受热面加热到一定温度（如110℃）后，进入窑头锅炉上的热力除氧器，除氧器采用大气式热力除氧，进入除氧器的给水可自身降压后沸腾，满足系统除氧要求。采用新型热力除氧方式可充分利用窑头锅炉尾部烟气低温余热，一般不需占用锅炉产生的蒸汽，所以不影响系统发电量。而且热力除氧效果更好，并可省去化学除氧中的药物和电力消耗，运行成本更低。
3结论
随着水泥窑余热发电技术的大力推广，工程设计中对水泥线余热参数和余热发电热力系统的认识更加清晰，余热发电技术也得到了进一步的提高。在水泥窑余热发电设计过程中，根据不同的水泥线余热情况，合理布局余热发电工艺、应用先进技术措施，可进一步提高水泥窑余热发电能力、降低运行成本。
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论文作者:管晓东
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第9期
论文发表时间:2017/8/18
标签：余热论文; 水泥论文; 锅炉论文; 烟气论文; 系统论文; 温度论文; 冷却塔论文; 《建筑学研究前沿》2017年第9期论文;