余热发电可行性报告.docx
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余热发电可行性报告
商洛尧柏龙桥水泥有限公司
4000t/d新型干法水泥生产线低温余热发电工程
可行性报告
二〇一二年二月
前言
10纯低温余热发电效益测算……………………………………………………………………32
10.1经济效益……………………………………………………………………………………32
10.2CDM效益……………………………………………………………………………………32
10.3环境效益……………………………………………………………………………………32
10.4经济评价……………………………………………………………………………………33
前言
随着世界经济快速发展、新型节能技术的推广应用，充分利用有限的资源和发展水泥窑余热发电项目已经成为水泥业发展的一种趋势，也完全符合国家产业政策。
新型干法水泥熟料生产企业中由窑头熟料冷却机和窑尾预热器排出的350℃左右废气，其热能大约为水泥熟料烧成系统热耗量的35%，低温余热发电技术的应用，可将排放到大气中占熟料烧成系统热耗35%的废气余热进行回收，使水泥企业能源利用率提高到95%以上。
项目的经济效益十分可观。
水泥纯低温余热发电技术是指在新型干法水泥熟料生产线生产过程中，通过余热回收装置——余热锅炉将水泥窑窑头、窑尾排出大量的低品位废气余热进行热交换回收，产生过热蒸汽推动汽轮机实现热能向机械能的转换，从而带动发电机发出电能，所发电能供水泥生产过程中使用。
一条日产5000吨水泥熟料生产线每天可利用余热发电21-24万度，可解决约60%的熟料生产自用电，产品综合能耗可下降约18%，每年节约标准煤约2.5万吨，减排二氧化碳约2.5万吨。
1.概述
1.1项目概况
商洛尧柏龙桥水泥有限公司现有一条2500t/d水泥熟料生产线，为满足商洛地区水泥市场需求，扩大产能规模，提高社会经济效益，把企业做大做强，公司于二〇一一年二月开工新建一条日产4000t/d的新型干法水泥回转窑生产线（该生产线由天津水泥工业设计研究院有限公司设计），并配套建设纯低温余热发电工程项目。
公司委托中材节能股份有限公司，承担纯低温余热发电工程（4.5MW）的设计及相关的技术服务工作。
建设规模：
为综合利用一条4000t/d水泥熟料生产线窑头、窑尾产生的废气，拟采用1台AQC锅炉+1台SP锅炉+1套4500kW汽轮机组+1套4500kW发电机组形成两炉一机的4.5MW余热发电系统，建设一座纯低温余热电站。
项目建成后，年可发量2380.3万度，每年相当于节约标准煤达1.32万吨，同时可达到年减排CO2约1万吨、减排粉尘30吨，并可直接创造经济效益约1300万元。
1.2项目设计范围
电站总平面布置；汽轮发电机房；窑头余热锅炉；窑尾余热锅炉；化学水处理；循环水冷却塔及泵房；室外汽水管线；电站内的供配电、控制、通讯、照明等；电站内的给排水、消防系统等。
1.3设计界限
窑头废气：
篦冷机出风口到锅炉的管道（含阀门）到发电系统（含开口及筑炉）；
窑头回灰：
窑头余热锅炉回灰送至窑头除尘器回灰系统；
窑尾废气：
预热器C1出口到SP锅炉的管道（含阀门）到发电系统（含开口）；
窑尾回灰：
SP锅炉回灰送至水泥生产线生料系统；
电站系统：
余热锅炉系统；汽轮发电机系统；给水系统；除氧系统；凝结水系统；疏水系统；补给水系统；抽真空系统；锅炉排污系统；循环水系统；工业水系统；电气系统；化学水处理系统；热工控制系统（含DCS系统）；电站范围内电气保护装置（接入系统除外）、电控设备、电缆、防雷接地、通讯等；
并网：
总降联络柜开关的下端口为电气分界线；
水源：
由业主负责供至电站用水点，包括电站各车间工业及消防用水；
排水：
电站各车间排水就近排入工厂现有排水管网（系统）。
1.4设计原则和保证技术指标
1.4.1设计原则
a.遵循以热定电，节约能源，改善环境的技术原则，以运行可靠为前提，采用经实践证明可靠的生产工艺和装备，以保证顺利达产和达标。
同时尽可能采用先进的生产工艺和技术方案，以降低运行成本。
b.选用国内可靠、先进的技术和装备，重视节能技术和节能产品的应用，采用节能工艺过程和国家推荐的节能机电设备。
c.重视环境保护工作，对噪声控制、废气、污水的排放要达到国家环保标准。
d.贯彻执行国家和地区对环保、劳动安全、工业卫生、计量、消防等方面的有关现行规定和标准，做到“三同时”。
1.4.2设计指标
a.在水泥窑正常运转且废气参数达到设计参数时,机组平均发电能力不低于3575kW。
b.设计指标将随水泥窑提供的热量变化和环境变化进行修正。
1.4.3考核指标
a.在水泥窑正常运转且废气参数达到设计参数时,考核指标不低于设计能力的97%，即3468kW。
b.考核指标将随实际废气参数的变化进行变化。
2.热力系统及装机方案
2.1余热条件的确定
2.1.1废气资源及分析
本技术方案是针对在建4000t/d熟料生产线并结合国内其他已运行的同规模生产线标定数据编制而成。
根据水泥生产线工艺流程，水泥熟料生产线的废气余热主要来源于窑头熟料冷却机和窑尾预热器两个部分，根据业主提供的烧成系统参数，窑尾预热器出口废气量为1.481Nm3/kg-cl，窑头熟料冷却机出口废气量为1.15Nm3/kg-cl，熟料产量以3500t/d计算，生产线工艺废气资源如下：
窑尾预热器出口：
215979Nm3/h－325℃；
窑头冷却机出口：
167708Nm3/h－250℃；
参考国内其他已运行的同规模生产线标定数据，窑尾预热器出口配风比约为1.5Nm3/kg-cl，温度为320~330℃；而窑头熟料冷却机出口配风比约为1.2Nm3/kg-cl，温度为300~350℃，因此，本方案中将废气参数修正如下：
窑尾预热器出口：
218750Nm3/h－325℃；
窑头冷却机出口：
175000Nm3/h－350℃；
同时，窑头冷却机出口废气将有一部分用于矿渣磨的烘干，其所需废气参数为：
矿渣磨烘干用风：
180000Nm3/h－200℃
根据以上数据，鉴于窑头冷却机出口废气温度为350℃，并考虑矿渣磨的烘干要求，窑头余热锅炉取风分为直接利用冷却机尾排废气或采用从冷却机中部取出更高温度的烟气等两种方式，由于取风方式的选择还与窑尾预热器出口废气参数有关，为充分利用废气余热，本方案将分别对这两种取风方式进行比较，从而选择最优的废气资源配置方式，以达到废气余热的充分利用。
2.1.2余热锅炉设计参数的确定
SP余热锅炉
窑尾SP余热锅炉布置于高温风机正上方，锅炉进风取自窑尾预热器出风管道，尽管所有管道外部均做了保温处理，烟气在管道中传输仍存在一定的温度损失，考虑到取风口（预热器出口）到SP锅炉进口距离较短，本方案中以5℃计算。
根据业主要求SP锅炉排烟温度设定为不小于195℃，在实际运行中如果生料磨烘干所需温度较高而SP锅炉排烟温度较低时，可通过调节旁通阀开度的方法以满足生料磨烘干要求。
另外，为了保证电站发生事故时不影响水泥线生产，在原有废气管道上装设旁通阀，其作用为当电站发生事故时可将SP锅炉解列，但即使此阀完全关闭仍有1%~2%的漏风，在本方案中考虑为1.5%。
综上，SP余热锅炉废气设计参数确定如下：
SP余热锅炉进口废气量：
215470Nm3/h
SP余热锅炉进口废气温度：
320℃；
AQC余热锅炉
对于AQC余热锅炉，由于窑头废气粉尘粒度较大，一般需在余热锅炉废气入口前设置废气分离器，使废气中较大颗粒沉降下来，以减轻熟料颗粒对窑头余热锅炉的冲刷磨损，但因为冷却机取风口到锅炉进口的距离相对较远，为减少中间环节（主要是废气分离器）漏风及温度损失（通常在20~40℃），本方案将分离器与AQC余热锅炉固化为一体，在锅炉入口处设置降尘室，以达到预除尘的目的。
尽管如此，从冷却机取风点至AQC锅炉入口仍有大约10℃的温度损失。
另外，对于窑头冷却机废气资源的利用，本方案将采取中部取风方式，以达到废气余热的充分利用。
AQC余热锅炉采用冷却机中部取风，即将冷却机排出的废气（V，t）分为两部分，中部取出较高温度的烟气（V1，t1）分别进入矿渣磨和AQC余热锅炉，其余较低温度的废气（V2，t2）从原冷却机废气出口排出，同时在此处连接管道至矿渣磨，即矿渣磨用风是冷却机中部和尾部的混合气，同时混合20℃的环境空气以达到180000Nm3/h-205℃。
其中t1和t2由加入AQC锅炉前冷却机出口废气温度t决定，t值越高，t1和t2取值越高，t值越低，t1和t2取值越低，但t2值一般不低于160℃。
由此，窑头冷却机废气分配情况如下图所示：
加入AQC锅炉后（V3,t3）至矿渣磨，V1,t1至AQC余热锅炉
加入AQC锅炉前（V’,t’）至矿渣磨，V’=0.985V,t’=t（1.5%阀门泄漏）
因此，在保证原有废气参数不变的前提下，加入AQC余热锅炉后：
V=V1+V2+V3（风量平衡）
V×C×t=V1×C1×t1+V2×C2×t2+V3×C3×t3（热量平衡）
VK×CK×tK=V3×C3×t3+V4×C4×t4（矿渣磨用风，V4,t4为混合环境空气参数）
其中C,C1,C2,C3,C4分别为温度t,t1,t2t3,t4对应的废气比热值，可通过空气的物性参数表查得。
就本项目而言，未加入AQC锅炉前：
冷却机废气参数为V=175000Nm3/h，T=350℃，C=1.3235kJ/（Nm3·℃）
中部取风温度设定为t1=400℃，C1=1.33kJ/（Nm3·℃）
取风后冷却机出口废气温度设定为t2=180℃，C2=1.3074kJ/（Nm3·℃）
矿渣磨用风温度tk=205℃，Ck=1.3094kJ/（Nm3·℃）
环境空气温度取t4=20℃，C4=1.297kJ/（Nm3·℃）
将数值代入上述平衡方程式，求得
（V1,t1）=64400Nm3/h－400℃
（V2,t2）=610Nm3/h－180℃
（V3,t3）=149990Nm3/h－320℃
（V4,t4）=70010Nm3/h－20℃
即AQC余热锅炉中部取风参数为：
64400Nm3/h－400℃。
考虑10℃的温度损失，AQC余热锅炉的进气参数为：
64400Nm3/h－390℃
烟风系统具体方案详见附图“F01-水泥窑系统工艺流程及余热分布图”。
2.2热力系统循环参数及热力系统确定
2.2.1热力系统循环参数的确定
蒸汽压力和蒸汽温度是表征蒸汽品质的两个主要参数，蒸汽压力越高则蒸汽的做功能力越强，但是产生蒸汽的能力（量）越弱。
因此，选择什么样的压力参数，需要根据具体的废气参数来确定。
单压热力系统时，同样考虑1MW的采暖热负荷及锅炉的最大产汽能力，在几种常用的主蒸汽压力下分别进行计算，锅炉与汽轮发电机组的主要参数如下：
表1：
设备
项目
单位
参数值
主蒸汽压力
MPa
1.1
1.35
1.6
AQC
余热锅炉
进口烟气风量
Nm3/h
64400
进口烟气温度
℃
390
主蒸汽温度
℃
370
370
370
主蒸汽流量
t/h
6.31
6.35
6.16
公共热水段出水量
t/h
22.5
21.5
20.5
公共热水段出水温度
℃
135
135
135
公共热水段进水温度
℃
40
40
40
排烟温度
℃
82
90
102
SP
余热锅炉
进口烟气风量
Nm3/h
215470
进口烟气温度
℃
320
主蒸汽温度
℃
300
300
300
主蒸汽流量
t/h
15.25
14.18
13.21
排烟温度
℃
196
205
213
汽轮机
进汽流量
t/h
21.56
20.53
19.37
进汽压力
MPa
1.0
1.25
1.5
进汽温度
℃
310
310
310
发电机
发电功率
kW
3575
3545
3420
以上计算结果基于如下条件计算得出：
1SP锅炉排烟温度不小于195℃；
2汽轮机额定排汽压力0.008MPa；
3汽轮机相对有效效率为76.44%（其中汽轮机内效率78%，机械传动效率98%）；
4发电机效率95.5%；
5蒸汽自锅炉出口至汽轮机进口压力损失0.1MPa，温度损失10℃。
6锅炉以非采暖季节最大产汽量计算
当采暖季节时，为满足1MW采暖要求，考虑1MW采暖热负荷，AQC余热锅炉公共热水段增大，以采暖系统进水温度130℃，回水温度70℃计算，并考虑5℃的温度损失，经计算，1MW采暖需15t/h-135℃的热水，此时锅炉产汽量及发电功率为：
表2：
设备
项目
单位
参数值
主蒸汽压力
MPa
1.1
1.35
1.6
AQC
余热锅炉
进口烟气风量
Nm3/h
64400
进口烟气温度
℃
390
主蒸汽温度
℃
370
370
370
主蒸汽流量
t/h
4.69
4.84
4.95
公共热水段出水量
t/h
35.5
34.5
34
公共热水段出水温度
℃
135
135
135
公共热水段进水温度
℃
54
54
54
排烟温度
℃
94
94
94
SP
余热锅炉
进口烟气风量
Nm3/h
215470
进口烟气温度
℃
320
主蒸汽温度
℃
300
300
300
主蒸汽流量
t/h
15.25
14.18
13.21
排烟温度
℃
196
205
213
汽轮机
进汽流量
t/h
19.94
19.02
18.16
进汽压力
MPa
1.0
1.25
1.5
进汽温度
℃
305
307
308
发电机
发电功率
kW
3290
3250
3195
此时，按照采暖季节4个月，非采暖季节8个月计算，全年理论发电量为：
表3
主汽压力（MPa）
1.1
1.35
1.60
全年理论发电功率（kW）
3480
3447
3345
通过以上表中的计算对比可以看出，蒸汽压力为1.1MPa时，全年理论发电量最大。
因此本项目推荐选择单压系统，蒸汽压力为1.1MPa。
2.2.2装机方案的确定
针对窑系统的废气参数，并综合以上分析，本技术方案选用单压系统，设计锅炉出口主蒸汽参数为1.1MPa－300℃~370℃，汽轮机主进汽口主蒸汽参数为1.0MPa－310℃（按照沿程压力损失0.1MPa，温度损失10℃考虑），以采暖季节为例，热力系统参数具体如下：
a.SP余热锅炉
根据废气参数计算，窑尾余热锅炉产汽量如下：
15.25t/h－1.1MPa－300℃过热蒸汽；
b.AQC余热锅炉
根据废气参数计算，窑头采用两段受热面，其中主蒸汽段过热器产汽如下：
4.69t/h－1.1MPa－370℃过热蒸汽；公共热水段产生35.5t/h－135℃热水，一部分提供给AQC锅炉蒸汽段，一部分为SP锅炉提供给水，另一部分15t/h为采暖用热水。
在非采暖季节，可通过增大AQC锅炉主汽段给水的方法增加主蒸汽产量，从而提高发电功率。
同理，在采暖季节，可通过减少蒸发段给水量，以满足采暖要求，与此同时，余热系统发电功率也将有所降低。
c.汽轮发电机组
两台余热锅炉产生的过热蒸汽在汽轮发电机房混合，除去管线的压力、温度损失等后的参数为19.94t/h－1.0MPa－310℃作为汽轮机进汽，推动汽轮机做功，从而驱动发电机产生电能。
经计算余热锅炉所产生的蒸汽共具有约3290kW的发电能力，考虑到水泥生产线废气参数的波动性，以及汽轮机能够正常稳定工作的范围为其额定功率的40%～110%，为保证能充分利用水泥线所产生的废气余热，本方案选择一套额定发电功率为4500kW的汽轮发电机组。
综上所述，该机组采用两炉一机方案。
装机方案为：
1台4.5MW凝汽式汽轮机+1台4.5MW发电机+1台窑头余热锅炉+1台窑尾余热锅炉
2.3热力系统方案
根据上述装机方案，为满足生产运行需要并达到节能、回收余热的目的，结合水泥生产工艺条件，热力系统方案确定如下：
汽轮机采用凝汽式汽轮机，容量为4.5MW。
发电机采用空冷式发电机，容量为4.5MW。
在生产线窑尾预热器废气出口与高温风机之间的废气管道上设窑尾SP余热锅炉。
锅炉进口废气温度为320℃，出口废气温度为196℃。
SP锅炉设旁通废气管道，当SP锅炉或电站故障时，水泥生产可以继续正常运转。
在生产线窑头冷却机与冷却机收尘器之间的管道上设窑头AQC余热锅炉。
该炉采取冷却机中部取风方式，进口废气温度为390℃，出口温度约为94℃。
窑头余热锅炉设置两段，以最大限度地利用废气余热。
窑头余热锅炉I段生产参数为1.1MPa－370±10℃的过热蒸汽；同时窑头余热锅炉II段为公共热水段，其生产的135℃左右的热水分为三部分，其中一部分热水提供给窑头余热锅炉I段，一部分热水作为窑尾余热锅炉给水，另有15t/h为采暖用热水。
窑尾余热锅炉生产1.1MPa－300±10℃过热蒸汽。
窑头、窑尾锅炉产生的过热蒸汽汇入设在汽轮发电机房的主汽母管，进而进入汽轮机的主进汽口，从而推动汽轮机做功，做功后的乏汽通过冷凝器冷凝成水,凝结水经凝结水泵送入真空除氧器除氧，同时温度约为70℃的采暖回水也回至除氧器与凝结水混合，除氧后的水再经给水泵为窑头余热锅炉热水段提供给水，从而形成完整的热力循环系统。
上述方案的特点为：
Ø窑头熟料冷却机余热锅炉采用三段受热面，最大限度地利用了窑头熟料冷却机废气余热。
Ø为了保证电站事故不影响水泥窑生产，余热锅炉设有旁通废气管道，一旦余热锅炉或电站发生事故时，可以将余热锅炉从水泥生产系统中解列，不影响水泥生产的正常运行。
Ø窑头、窑尾余热锅炉均采用立式结构，并采取相应措施解决锅炉的漏风、磨损、堵灰等问题，同时这种结构可减少占地面积。
Ø除氧器采用真空除氧方式，有效的保证了除氧效果。
Ø窑头降尘装置与窑头余热锅炉固化于一体，减少了窑头废气输送过程中的温度损失。
Ø为保证窑尾锅炉下灰顺畅，在SP锅炉内部设置了振打除灰装置，保障清灰效果。
2.4设备选型及特点
2.4.1主要设备列表
序号
设备名称
数量
主要技术参数、性能、指标
1
4.5MW凝汽式汽轮机
1
型号：
N4.5-1.25
额定功率：
4.5MW
额定转速：
3000r/min
主进汽压力：
1.1MPa
主进汽温度：
310℃
排汽压力：
0.008MPa
凝汽器面积：
~560m2
2
4.5MW发电机
1
型号：
QF-J4.5-2
额定功率：
4.5MW
额定转速：
3000r/min
额定电压：
10.5kV
3
AQC余热锅炉
1
废气量：
64400Nm3/h
入口废气含尘浓度：
<30g/Nm3
入口废气温度：
390℃
出口废气温度：
非采暖季节：
82℃
采暖季节：
94℃
蒸汽段参数：
非采暖季节：
6.31t/h-1.1MPa-370℃
采暖季节：
4.69t/h-1.1MPa-370℃
公共热水段参数：
非采暖期出水：
22.5t/h-135℃
非采暖期给水：
40℃
采暖期出水：
35.5t/h-135℃
采暖期给水：
54℃
废气阻力：
≤700Pa
漏风率：
≤2%
布置方式：
立式、露天
4
SP窑尾余热锅炉
1
废气量：
215470Nm3/h
入口废气含尘浓度：
~90g/Nm3
入口废气温度：
320℃
出口废气温度：
195℃
主汽参数：
15.25t/h-1.1MPa-300℃
废气阻力：
≤800Pa
漏风率：
≤3%
布置方式：
立式、露天
5
除氧器
1
出力：
40t/h
容积：
15m3
工作压力：
0.008MPa
工作温度：
42℃
6
锅炉给水泵（变频调节）
3
型号：
DG25-50×6
流量：
15~30m3/h
扬程：
309~288m
转速：
2980r/min
电机功率：
45kW
7
凝结水泵（变频调节）
2
型号：
100NB-45
流量：
14.4~31m3/h
扬程：
54~42m
转速：
2980r/min
电机功率：
7.5kW
8
射水抽气装置
1
射水抽气器：
CS1-12-3
抽气量：
12kg/h
2
射水泵：
IS125-400-30
流量：
120m3/h
扬程：
48.5m
转速：
1480r/min
电机功率：
30kW
2.4.2主机设备特点
2.4.2.1汽轮机
本项目采用凝汽式汽轮机，额定功率为4.5MW，额定主进汽压力1.1MPa，额定主进汽温度310℃，排汽压力0.008MPa，汽轮机综合效率为76.44%，转速3000r/min，汽轮机具有10%以上的功率储备能力，并且在此负荷下能够长期稳定运行。
调节系统采用DEH电液调节系统，实践证明，这种调节方式自动化程度高，具有实现汽轮机的自动升速、远程控制、前压调节、在线组态等功能，运行稳定可靠。
凝汽系统：
凝汽器为双通道双流程，圆筒形结构，配有热井、液位指示器及排汽安全阀，水室可以单侧运行，另一侧可同时进行清洗。
凝汽器与汽轮机之间有膨胀节连接。
状态监测：
配备完整的汽轮机实时监测系统，对主轴振动、轴承瓦温、转速、油箱液位等参数进行监测、分析，针对不同的运行状态输出报警或停机信号。
该机组以余热利用最大化为出发点，以完善的通流设计及先进的调节控制技术为基础，保障了机组高效、稳定、安全的运行。
2.4.2.2发电机
发电机为空气冷却式，单端支撑，额定功率4.5MW，转速3000r/min，效率95.5%，出线电压10.5kV，可控硅静止励磁，设有定子、转子、轴承温度、进出风温度等报警，并与电站控制系统连锁。
2.4.2.3窑头余热锅炉
窑头余热锅炉废气流程采用侧进上出自然循环方式，废气在锅炉内流速控制在5～6m/s，废气阻力小于700Pa。
窑头锅炉受热面采用螺旋翅片管来达到扩展换热面积的方式，有效的提高了锅炉的换热效率。
窑头锅炉分两段设置，其中I段为主蒸汽段，生产过热蒸汽；II段为公共热水段，为窑头锅炉蒸汽段和窑尾锅炉提供给水，同时可满足1MW采暖热负荷。
AQC锅炉充分利用了窑头的废气余热，使窑头锅炉的出口温度尽可能的降低。
窑头锅炉采用管箱式结构，可将锅炉漏风降至最低，减少锅炉漏风热损失,提高锅炉效率，减少现场安装的工作量。
防磨措施方面，在锅炉迎风面增设了数排非受热面管束，有效的防止磨损，延长了锅炉的使用寿命。
清灰方式上，由于窑头余热锅炉废气含尘浓度较低，并且粉尘性质为水泥熟料颗粒，对受热面的吸附性差，因此不设清灰装置。
2.4.2.4窑尾余热锅炉
窑尾余热锅炉采用上进侧出自然循环方式、露天立式布置，结构紧凑、占地小。
废气流速控制在6～7m/s，废气阻力小于800Pa。
针对窑尾余热烟气中含有大量的粉尘，且附着力较强的特点，特设置了清灰振打装置，通过固定频次的敲击振打，使得附着在管壁上的粉尘均匀的落下，避免了瞬时落灰量太大造成的堵灰现象的发生。
2.4.3主要辅机设备特点
2.4.3.1烟风阀门
为了保障水泥生产线的正常运行，余热锅炉进、出口烟道调节阀和旁通烟道调节阀的控制均在水泥线中控室操作，余热电站控制室只是对以上烟道阀的阀位进行监视。
由于水泥窑波动频繁，有时冷却机出口瞬时温度可能达到
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