冀东水泥丰润公司补燃发电系统改造成纯余热发电

作者：郭欠军

一、项目的背景

冀东水泥本部目前有两条日产4800吨的熟料生产线，1993年，为缓解当时的电力供应紧张局势，冀东水泥丰润公司与哈尔滨锅炉厂共同开发研制成国产第一台窑尾余热锅炉，并于1994年在水泥生产线上配套建成两台HG-56/3.82/M型56t/h煤粉补燃锅炉（分别命名为1#、2#锅炉），两台SP热水锅炉（命名为1#、2#SP锅炉），配套两台12MW汽轮机发电机组。该系统余热锅炉产生的不是可利用的过热蒸汽，而是含汽率在60%的两项流，该过饱和水不能直接进入汽轮机所以将其产生的工质引入56t/h煤粉锅炉的汽包，继续加热成3.82Mpa、450度的过热蒸汽进入汽轮机参与做功发电。由SP锅炉产生的工质经煤粉锅炉加热而成的过热蒸汽为14t/h，补燃电站余热所占比例为仅为25%，尽管如此但在当时是一个重大的技术创新，开创了国内补燃余热发电的先河。在2003年冀东水泥为了提高余热利用率在两条4800吨熟料生产线窑头篦冷机安装了两台AQC余热锅炉，虽然有一定效果但只达到了原设计处力的一半，没有达到预期效果。 二、水泥窑补燃发电所面临的问题：

（1）唐山冀东水泥股份有限公司水泥窑补燃电站全年发电量为1.74亿kWh，年消耗燃煤94351吨，折标煤61344吨（2007年冀东水泥统计数据）。因受当时技术和装备水平的制约，煤粉补燃锅炉无脱硫装置，在煤粉补燃过程中将产生大量二氧化碳、二氧化硫排入大气，对大气环境造成严重污染。按原煤煤平均含硫量1.2%计算，每年可产生SO2酸性气体2264吨。并且随着国内能源紧缺国家重视环保，冀东水泥补燃余热发电失去了节能降耗的目的，冀东水泥为积极响应国家能源产业政策进行纯余热改造。

（2）补燃发电消耗大量高热值原煤，排放温室气体与国家环保政策相违背，将补燃改为纯余热发电是国家环保政策所要求的。

（3）现有窑尾SP锅炉技术落后，能源利用率低下，设备陈旧替换成技术先进的PH锅炉符合能源产业政策。

（4）窑头AQC锅炉热利用率低下，大量的窑头余热热量没有被利用所以出力很低继续技术改进。

（5）原煤在每吨500元时的成本供电成本0.35元/kWh，目前冀东水泥原煤价格已达到800元/吨供电成本已超过了0.4元/kwh。而冀东水泥平均购电价格为0.4元/kwh所以得不偿失。 三、改造前的热力系统介绍

上图中热源由两台煤粉锅炉、两台SP锅炉、一台循环流化、两台AQC锅炉组成电厂热源，供两台N12-35型汽轮机和一台N12-25型汽轮机做功发电。其中1#、2#锅炉、循环流化床锅炉为中压锅炉；AQC锅炉为次中压锅炉，1#、2#汽轮机蒸汽来源于中压锅炉进汽参数为压力3.43Mpa、温度435℃、流量56T/H。三号机蒸汽来源一部分为循环流化床降压另一部分来源于两台AQC余热锅炉。 四、项目改造后的方案

上图是改造后的热力平衡图，补燃余热发电总体改造方案为拆除煤粉补燃锅炉在窑尾重新上两台窑尾PH余热锅炉，对AQC锅炉进行重新改造，循环流化床锅炉降压运行但保留中压运行能力，1#、2#汽轮机降压运行，三号汽轮机依据循环流化锅炉运行情况随时调整进行中压和次中压工况运行方式。 五、项目改造需要解决的技术问题 1、整体热力系统压力选型问题

补燃发电改造成纯余热发电，其关键点是热力系统的压力等级，它直接关系到热力系统的安全问题、需要改造的设备多少问题、改造后余热电站发电量的问题。

确定主蒸汽压力等级要综合考虑，现有余热热风温度、保证汽轮机安全的压力温度、中压N12-35型汽轮机降压经济性考虑。窑尾热风温度390℃，窑头取风温度380℃，端差按20度考虑窑尾产生的主蒸汽温度为370度，窑头锅炉产生的主蒸汽温度为360℃，其中窑尾余热锅炉汽量：窑头余热锅炉汽量=2：1，所以混合后的主蒸汽温度大约为365℃左右考虑5℃的管道热损失到汽轮机入口大约为360度。考虑到汽轮机入口主蒸汽过热度为130度，那么汽轮机主蒸汽压力不能高于220度所对应的饱和压力，而230度对应饱和压力为2.35Mpa。

N12-35型汽轮机调速汽门最大通流面积为0.043795m2,从降低改造成本、减少对生产的影响考虑决定利用现有汽轮机部队汽轮机进行改造，那么根据Q=V.S/r公式（公式中V是蒸汽流速取38m/s，S是通流部分截面积=0.043795 m2,r

是蒸汽比容）

主蒸汽压力主蒸汽温度主蒸汽比容汽轮机最大进汽轮机发电量(Mpa) 2.35 1.60 1.15 0.689 (℃) 360 360 360 360 0.117141 0.174585 0.244965 0.41 51.14 34.3 24.45 14.61 9600 5800 3670 1589 (m3/kg) 汽量(t/h) kw 所以从上表中可以看出N12-35型汽轮机压力降到2.35Mpa时进汽量最大，同时发电量也最大。

另一方面由试验得知循环流化床锅炉在降压到2.45Mpa时，锅炉产生的主蒸汽温度为390度，能够满足系统要求。

所以改造后的热力系统压力等级确定为2.45Mpa。 2、窑尾锅炉的技术方案

原窑尾SP锅炉实质上是一组热交换器产生的是汽水混合物，锅炉入口烟气温度390度出口为320度，换热差热效率低，对窑尾锅炉进行更新换代时非常必要的。经过对国内余热锅炉设备进行详细比较确定PH窑尾卧室余热锅炉，这种锅炉卧式布置、清灰振打设备设计巧妙，对窑尾粘性粉尘清灰效果非常好，锅炉换热效率可达到97%，一般窑尾预热器出口风量为1.6NM3,那么日产4800吨熟料的生产线窑尾预热器出口风量约为（4800/24）×1.6=320000 NM3更换余热锅炉后能够产生2.45Mpa、370℃的过热蒸汽34t/h。而原sp锅炉产生的汽水混合物进入补燃锅炉再次加热后也只能产生14吨蒸汽。两者相比较新型余热锅炉效果显著。 3、汽轮机的降压运行问题

经过深入研究发电中压汽轮机在不进行内部大规模的改造的前提下，汽轮发电机组汽轮机在360度的主气温度下只有从中压降至次中压运行即2.35Mpa，机组的相对内效率下降最少、发电量最大，在降压至次中压后汽轮机内效率只下降了1.3%，汽轮机主蒸汽参数由3.43MPa、435℃变为2.35MPa、360℃，此时汽轮机监视段压力从1.47MPa下降到1.2MPa；最大进汽量也从64t/h变为52t/h，由于汽轮机发电机组轴向推力与进汽量叶片前后压差成正比，所以降压后机组轴向推力大为减少，由于过热度得到有效保证机组末级叶片干度在0.9以上，将压运

行后机组的安全性较中压运行工况大为提高。 4、熟料线原料磨需用热风问题

窑尾C1出口废烟气除了用于余热发电之外好要满足原料磨、煤磨烘干具体烘干需用温度为多少需要根据物料的含湿率计算求得

计算条件及依据 立磨配置 系统生产能力G： 窑尾单位熟料废气量： 窑尾总废气量： 磨机产量 磨机功率 入磨物料综合水分 入磨废气温度 出磨物料水分 系统漏风率 废气中粉尘含量 环境温度 磨内喷水量 60 35 4 g/Nm ℃ % 3数值 单位 计算项目 计算公式 系数 结果 235 t/h Nm/kg-cl 3 入磨废气带入热 喂入物料带入热 漏风带入热 研磨产生热 粉尘带入热 Q1= C1 *T*V1 Q2= M*C2*T环+M*（0.08-0.005）*C水*T环 Q3= C3 *T环*V*α漏 C1=0.341 C2=0.2 38824896 1.53 552799.9 C3=0.312 374400 480000 Nm/h 3Q4= 860KN0 K=0.7 1565200 235 2600 4.0234 207.6 110 0.5 25 t/h KW % ℃ ℃ % % Q5= M灰*C5*T Q收= Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 Q7= M水*（C水*（100-T环）+539） Q8= M*C8*T2 Q9= M灰*C9*T2 Q10= C10 *T2*V1 C5=0.21 1434585.6 14714313.51 5764550 633600 17529600 4118400 1379109.081 40899572.59 蒸发水分热耗 生料带出热 粉尘带出热 废气带出热 漏风带出热 壳体散热 支出热 C8=0.223 C9=0.2 C10=0.332 Q11= C11 *T2*V1*α漏 C11=0.312 Q12= 0.08*(Q7+Q8) Q出= Q7+Q8+Q9+Q10+Q11+Q12 Q收=Q出 根据热平衡 系统热平衡分析： （1）、该计算按C1出口为350000Nm3/h风量，其中煤磨使用50000Nm3/h，原料磨使用300000Nm3/h考虑

（2）、根据理论计算结果，当入磨物料水分达到8%时，则PH锅炉出口温度需大于316℃，才能满足该水分的烘干要求； （3）、当PH锅炉出口温度在200℃时，则原料磨入磨最大允许水分为3% 。

六、改造后的效果

1、两条熟料线均稳定在4800T/H熟料时，一线PH锅炉产汽量为30-32T/H;二线PH锅炉产汽量为34T/H。一线AQC锅炉产汽量18T/H-20T/H;二线AQC锅炉产汽量同样为18-20T/H。总体蒸汽量合计100 T/H左右，两台机发电量为18MW左右。