水泥窑余热发电锅炉技术分析

王勇

摘要：本文针对目前企业在各类项目中承包水泥窑余热发电锅炉工程的迫切需要，从我国目前的水泥窑余热发电技术标准入手，结合国家标准中涉及到的各类大型工程、总体性实验、施工验收等多方面的标准化程序，对我国目前水泥窑余热发电锅炉进行技术分析，从而提高相关方面的技术积累。

关键词：水泥窑，余热发电，锅炉，技术分析

引言

水泥生产相关工业是我国重工业领域单位产品能耗较高的一类产业，具备极高的节能减排技术发展条件。在我国目前日益重视生态环境保护的前提下，水泥产业在政府的引导下不断进行节能减排技术革新[1]。在这个过程中，诞生了水泥窑余热发电锅炉技术，其环境效益主要体现在对大气污染的减少以及对发电燃料的节省。本文基于此提出在项目建设过程中需要注意的基本问题。

一、重视配套电气设备的合理设计

目前，各类余热发电项目的装机量可以达到几十mW。根据所采用的不同技术方案，余热发电技术可以分为单压、双压、闪蒸等多种成熟的技术方案。在各类水泥窑余热发电项目中，采用蒸汽作为介质的郎肯循环汽轮机是目前主要的应用方案。由于水泥窑余热发电锅炉设备的运行工况较为恶劣，环境封闭导致空气散热能力不强，这对配套电气设备的隔热、散热、安全距离等多种方面产生了严重的影响。这就要求设计方根据不同企业的不同气候特点和生产环境进行因地制宜的考虑。[2]

例如，在超高海拔地区的余热发电项目，由于其气压较低、空气密度小，设备依靠空气散热的能力进一步被削弱，这就要对变压器的散热算式进行修整，根据海拔的升高而引入散热器的修正系数。对于自冷型变压器，相关修正算式为k=1+（β-1000），其中β为项目地点的海拔高度。同时还要考虑电机实际的功率衰退。如果电机因为温度或工况等因素产生性能的衰退，那么其发热量将会明显增加，从而造成一定的危险。这就要求设计方在选择电机的过程中，根据实际地区的海拔以及环境特点，选择合适的电机，充分考虑电机的功率衰退以及绝缘温度。同时，变频器、电缆的选择也要做到因地制宜。在超高海拔地区存在降容效应，这就要求在选择变频器的时候将其降容系数纳入考虑范围。同时软导线以及母线的设计过程中也需要进行截面增大。对于电缆的施工，建议在环境恶劣的地区采用特殊电力电缆和冷缩接头，并采用沿管沟敷设的方式以提高系统在电力设备方面的可靠性。

二、选择恰当的冷却设施安装高度

水泥窑余热发电系统的水泵功能主要是向锅炉供水、凝结水泵送以及循环冷却水泵送。这些水泵大多属于自灌式离心水泵，需要根据大氣压和环境特点合理选择其安装高度。水泵的离心吸水性能主要通过真空高度H来衡量。H越大，则吸水性能越好。但是真空高度H的测量条件过于理想，这个H是水泵在水温为20℃的国家规定标准状况下进行的测试。而在真正的实际应用中，则需要考虑大气压、液体温度等对水泵的影响，因此可以对水泵真空高度H进行一定的修正：

h=H-（10.25-P）-（F-0.24）

其中，

h为修正后的真空高度（m）;

H为标准真空高度（m）;

P为项目地点的大气压（mPa）

F为实际条件下的饱和蒸汽压力（mPA）。[3]

例如，考虑到部分地区的工作状况恶劣或空气不够流通，导致流经电机散热器的空气流量不足，从而大幅降低电机的散热性能，导致电机温度过高，影响整个系统的工作效率，严重时还可能造成火灾等严重恶性事故，因此在水泵电机的选择过程中，通常参照国际标准规定的普通功率进行一定范围的提档。

在项目设计过程中，还需要考虑机械通风冷却塔的高度。通风冷却塔的功能是通过空气和循环水的直接接触来对循环水进行冷却，其热交换方式主要有接触传热和蒸发传热两种。而这两种换热方式的占比在不同地域是不同的，与海拔高度、大气压强、空气湿度等都有密切的关系。在大部分地区，蒸发散热是主要的换热方式。因此，这就要求项目设计者对冷却塔的高度进行测算和反复验证，保证在项目地的气候条件下，能够具备良好的散热条件。

对于循环水池的设计，由于南北方的项目气候条件不同，也需要进行特别的考虑。例如，北方地区的冻土层较厚，要对循环水池外壁设置保温层。需要注意的是，此类保温层的设计和施工并不需要选择成本较高的材料，只需要在距离外壁一定距离处砌墙，并在在夹缝处填充细沙或者渣土，即可达到要求的保温效果，并且在一定程度上减少了施工成本。

三、深入学习与灵活运用技术标准

在设计原则方面，中国国家标准GB50295-2008《水泥工厂设计规范》中规定了水泥厂的废气余热利用的前提是保证水泥生产线的设计指标不变，而国际标准ISO26382-2010中并无如此严格的要求，只是要求相关的余热回收率、辅助热源、热利用设备效率等重要指标参数符合设计要求，同时要求了需要规划空调系统、出水蒸汽口、热水或冷却水供应流量池，并且要求热利用设备模式回收余热的利用顺序，确认达到系统的热平衡。水泥窑余热发电项目具备良好的环境效益，按照10000t/d生产线进行计算，余热发电具备1351t/a标煤的节煤潜力，能够减少200.6t/a的二氧化硫排放。但是由于水泥窑余热发电系统具有极高的复杂性，目前具备良好的发展前景。而采用我国的国家标准与采用欧美标准能够产生较大的差价。

例如，一台配套12MW的余热发电站锅炉，使用中国国家标准采购的设备大约在600人民币左右，而如果采用国外的ASME标准生产此锅炉，整体造价大概需要翻一倍。不同标准不仅提高了设备的价格，还影响了设计、安装、土建等全过程的费用。因此我们需要合理把控国家标准的选择，从而在保证技术要求的条件下尽可能的控制项目造价。中国标准GB50588-2010《水泥工厂余热发电设备设计规范》中规定窑头废气管道的风速不应大于12m/s，窑尾废气管道风速不应大于18m/s，并且管道倾角在不符合设计要求时应加装防积灰装置。而美国ARMY标准在《Heat Recovery Boilers》中规定每台锅炉都应由薄钢板制成烟气连接件连接到烟道，任何部分与可燃物之间的距离都不应小于NFPA 211中的有关规定。同时要对烟气连接件设计相应的清洗口，在不拆卸烟道的情况下就可以做到烟道的清洗。

可以看到两种国家标准在对余热锅炉与水泥生产线连接件的规定中，侧重点显著不同，国家标准更倾向于对流速以及防积灰装置进行要求，而美国的ARMY标准侧重于清洁的便利性。我国的工程标准更多的类似前苏联的模式，与较为先进的国际标准具有较大的差别，对设计、安装、调试验收过程的要求较少。因此，我们在进行设计的过程中要对各类标准进行深入学习与灵活运用，从而最大限度降低项目成本。

四、总结

目前我国水泥窑余热发电设备的项目前景广阔，具备良好的环境效益与经济效益。在对不同环境、不同海拔的地区进行项目设计的过程中，应对当地的气候条件进行充分的调研，在深入学习各类标准文件的基础上，因地制宜的进行合理的系统设计，重点考虑环境变化对电气设备、冷却设备的影响，参照相关国家标准对相关系数进行一定的修正，或者留下适当的余量，从而尽可能的做好水泥窑余热发电锅炉项目的设计与安装工作。

参考文献：

[1]董伟强.优化控制系统在水泥窑余热电站上的应用[J].水泥技术，2021（04）：97-101.

[2]管晓东.超高海拔地区水泥窑余热发电项目设计要点[J].水泥工程，2021（01）：31-32.

[3]苍国超，刘木堂.水泥窑余热发电的工质及循环系统的性能分析[J].电站辅机，2019，40（02）：39-43.