水泥窯余熱發(fā)電鍋爐技術(shù)分析

王勇

摘要：本文針對(duì)目前企業(yè)在各類項(xiàng)目中承包水泥窯余熱發(fā)電鍋爐工程的迫切需要，從我國目前的水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)入手，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)中涉及到的各類大型工程、總體性實(shí)驗(yàn)、施工驗(yàn)收等多方面的標(biāo)準(zhǔn)化程序，對(duì)我國目前水泥窯余熱發(fā)電鍋爐進(jìn)行技術(shù)分析，從而提高相關(guān)方面的技術(shù)積累。

關(guān)鍵詞：水泥窯，余熱發(fā)電，鍋爐，技術(shù)分析

引言

水泥生產(chǎn)相關(guān)工業(yè)是我國重工業(yè)領(lǐng)域單位產(chǎn)品能耗較高的一類產(chǎn)業(yè)，具備極高的節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展條件。在我國目前日益重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)的前提下，水泥產(chǎn)業(yè)在政府的引導(dǎo)下不斷進(jìn)行節(jié)能減排技術(shù)革新[1]。在這個(gè)過程中，誕生了水泥窯余熱發(fā)電鍋爐技術(shù)，其環(huán)境效益主要體現(xiàn)在對(duì)大氣污染的減少以及對(duì)發(fā)電燃料的節(jié)省。本文基于此提出在項(xiàng)目建設(shè)過程中需要注意的基本問題。

一、重視配套電氣設(shè)備的合理設(shè)計(jì)

目前，各類余熱發(fā)電項(xiàng)目的裝機(jī)量可以達(dá)到幾十mW。根據(jù)所采用的不同技術(shù)方案，余熱發(fā)電技術(shù)可以分為單壓、雙壓、閃蒸等多種成熟的技術(shù)方案。在各類水泥窯余熱發(fā)電項(xiàng)目中，采用蒸汽作為介質(zhì)的郎肯循環(huán)汽輪機(jī)是目前主要的應(yīng)用方案。由于水泥窯余熱發(fā)電鍋爐設(shè)備的運(yùn)行工況較為惡劣，環(huán)境封閉導(dǎo)致空氣散熱能力不強(qiáng)，這對(duì)配套電氣設(shè)備的隔熱、散熱、安全距離等多種方面產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。這就要求設(shè)計(jì)方根據(jù)不同企業(yè)的不同氣候特點(diǎn)和生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行因地制宜的考慮。[2]

例如，在超高海拔地區(qū)的余熱發(fā)電項(xiàng)目，由于其氣壓較低、空氣密度小，設(shè)備依靠空氣散熱的能力進(jìn)一步被削弱，這就要對(duì)變壓器的散熱算式進(jìn)行修整，根據(jù)海拔的升高而引入散熱器的修正系數(shù)。對(duì)于自冷型變壓器，相關(guān)修正算式為k=1+（β-1000），其中β為項(xiàng)目地點(diǎn)的海拔高度。同時(shí)還要考慮電機(jī)實(shí)際的功率衰退。如果電機(jī)因?yàn)闇囟然蚬r等因素產(chǎn)生性能的衰退，那么其發(fā)熱量將會(huì)明顯增加，從而造成一定的危險(xiǎn)。這就要求設(shè)計(jì)方在選擇電機(jī)的過程中，根據(jù)實(shí)際地區(qū)的海拔以及環(huán)境特點(diǎn)，選擇合適的電機(jī)，充分考慮電機(jī)的功率衰退以及絕緣溫度。同時(shí)，變頻器、電纜的選擇也要做到因地制宜。在超高海拔地區(qū)存在降容效應(yīng)，這就要求在選擇變頻器的時(shí)候?qū)⑵浣等菹禂?shù)納入考慮范圍。同時(shí)軟導(dǎo)線以及母線的設(shè)計(jì)過程中也需要進(jìn)行截面增大。對(duì)于電纜的施工，建議在環(huán)境惡劣的地區(qū)采用特殊電力電纜和冷縮接頭，并采用沿管溝敷設(shè)的方式以提高系統(tǒng)在電力設(shè)備方面的可靠性。

二、選擇恰當(dāng)?shù)睦鋮s設(shè)施安裝高度

水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)的水泵功能主要是向鍋爐供水、凝結(jié)水泵送以及循環(huán)冷卻水泵送。這些水泵大多屬于自灌式離心水泵，需要根據(jù)大氣壓和環(huán)境特點(diǎn)合理選擇其安裝高度。水泵的離心吸水性能主要通過真空高度H來衡量。H越大，則吸水性能越好。但是真空高度H的測量條件過于理想，這個(gè)H是水泵在水溫為20℃的國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)狀況下進(jìn)行的測試。而在真正的實(shí)際應(yīng)用中，則需要考慮大氣壓、液體溫度等對(duì)水泵的影響，因此可以對(duì)水泵真空高度H進(jìn)行一定的修正：

h=H-（10.25-P）-（F-0.24）

其中，

h為修正后的真空高度（m）;

H為標(biāo)準(zhǔn)真空高度（m）;

P為項(xiàng)目地點(diǎn)的大氣壓（mPa）

F為實(shí)際條件下的飽和蒸汽壓力（mPA）。[3]

例如，考慮到部分地區(qū)的工作狀況惡劣或空氣不夠流通，導(dǎo)致流經(jīng)電機(jī)散熱器的空氣流量不足，從而大幅降低電機(jī)的散熱性能，導(dǎo)致電機(jī)溫度過高，影響整個(gè)系統(tǒng)的工作效率，嚴(yán)重時(shí)還可能造成火災(zāi)等嚴(yán)重惡性事故，因此在水泵電機(jī)的選擇過程中，通常參照國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的普通功率進(jìn)行一定范圍的提檔。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，還需要考慮機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的高度。通風(fēng)冷卻塔的功能是通過空氣和循環(huán)水的直接接觸來對(duì)循環(huán)水進(jìn)行冷卻，其熱交換方式主要有接觸傳熱和蒸發(fā)傳熱兩種。而這兩種換熱方式的占比在不同地域是不同的，與海拔高度、大氣壓強(qiáng)、空氣濕度等都有密切的關(guān)系。在大部分地區(qū)，蒸發(fā)散熱是主要的換熱方式。因此，這就要求項(xiàng)目設(shè)計(jì)者對(duì)冷卻塔的高度進(jìn)行測算和反復(fù)驗(yàn)證，保證在項(xiàng)目地的氣候條件下，能夠具備良好的散熱條件。

對(duì)于循環(huán)水池的設(shè)計(jì)，由于南北方的項(xiàng)目氣候條件不同，也需要進(jìn)行特別的考慮。例如，北方地區(qū)的凍土層較厚，要對(duì)循環(huán)水池外壁設(shè)置保溫層。需要注意的是，此類保溫層的設(shè)計(jì)和施工并不需要選擇成本較高的材料，只需要在距離外壁一定距離處砌墻，并在在夾縫處填充細(xì)沙或者渣土，即可達(dá)到要求的保溫效果，并且在一定程度上減少了施工成本。

三、深入學(xué)習(xí)與靈活運(yùn)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

在設(shè)計(jì)原則方面，中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB50295-2008《水泥工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了水泥廠的廢氣余熱利用的前提是保證水泥生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)指標(biāo)不變，而國際標(biāo)準(zhǔn)ISO26382-2010中并無如此嚴(yán)格的要求，只是要求相關(guān)的余熱回收率、輔助熱源、熱利用設(shè)備效率等重要指標(biāo)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)要求了需要規(guī)劃空調(diào)系統(tǒng)、出水蒸汽口、熱水或冷卻水供應(yīng)流量池，并且要求熱利用設(shè)備模式回收余熱的利用順序，確認(rèn)達(dá)到系統(tǒng)的熱平衡。水泥窯余熱發(fā)電項(xiàng)目具備良好的環(huán)境效益，按照10000t/d生產(chǎn)線進(jìn)行計(jì)算，余熱發(fā)電具備1351t/a標(biāo)煤的節(jié)煤潛力，能夠減少200.6t/a的二氧化硫排放。但是由于水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)具有極高的復(fù)雜性，目前具備良好的發(fā)展前景。而采用我國的國家標(biāo)準(zhǔn)與采用歐美標(biāo)準(zhǔn)能夠產(chǎn)生較大的差價(jià)。

例如，一臺(tái)配套12MW的余熱發(fā)電站鍋爐，使用中國國家標(biāo)準(zhǔn)采購的設(shè)備大約在600人民幣左右，而如果采用國外的ASME標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)此鍋爐，整體造價(jià)大概需要翻一倍。不同標(biāo)準(zhǔn)不僅提高了設(shè)備的價(jià)格，還影響了設(shè)計(jì)、安裝、土建等全過程的費(fèi)用。因此我們需要合理把控國家標(biāo)準(zhǔn)的選擇，從而在保證技術(shù)要求的條件下盡可能的控制項(xiàng)目造價(jià)。中國標(biāo)準(zhǔn)GB50588-2010《水泥工廠余熱發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定窯頭廢氣管道的風(fēng)速不應(yīng)大于12m/s，窯尾廢氣管道風(fēng)速不應(yīng)大于18m/s，并且管道傾角在不符合設(shè)計(jì)要求時(shí)應(yīng)加裝防積灰裝置。而美國ARMY標(biāo)準(zhǔn)在《Heat Recovery Boilers》中規(guī)定每臺(tái)鍋爐都應(yīng)由薄鋼板制成煙氣連接件連接到煙道，任何部分與可燃物之間的距離都不應(yīng)小于NFPA 211中的有關(guān)規(guī)定。同時(shí)要對(duì)煙氣連接件設(shè)計(jì)相應(yīng)的清洗口，在不拆卸煙道的情況下就可以做到煙道的清洗。

可以看到兩種國家標(biāo)準(zhǔn)在對(duì)余熱鍋爐與水泥生產(chǎn)線連接件的規(guī)定中，側(cè)重點(diǎn)顯著不同，國家標(biāo)準(zhǔn)更傾向于對(duì)流速以及防積灰裝置進(jìn)行要求，而美國的ARMY標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于清潔的便利性。我國的工程標(biāo)準(zhǔn)更多的類似前蘇聯(lián)的模式，與較為先進(jìn)的國際標(biāo)準(zhǔn)具有較大的差別，對(duì)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試驗(yàn)收過程的要求較少。因此，我們在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中要對(duì)各類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)與靈活運(yùn)用，從而最大限度降低項(xiàng)目成本。

四、總結(jié)

目前我國水泥窯余熱發(fā)電設(shè)備的項(xiàng)目前景廣闊，具備良好的環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益。在對(duì)不同環(huán)境、不同海拔的地區(qū)進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件進(jìn)行充分的調(diào)研，在深入學(xué)習(xí)各類標(biāo)準(zhǔn)文件的基礎(chǔ)上，因地制宜的進(jìn)行合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考慮環(huán)境變化對(duì)電氣設(shè)備、冷卻設(shè)備的影響，參照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行一定的修正，或者留下適當(dāng)?shù)挠嗔浚瑥亩M可能的做好水泥窯余熱發(fā)電鍋爐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與安裝工作。

參考文獻(xiàn)：

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[3]蒼國超，劉木堂.水泥窯余熱發(fā)電的工質(zhì)及循環(huán)系統(tǒng)的性能分析[J].電站輔機(jī)，2019，40（02）：39-43.