300 kt/a炭素廠煅燒爐煙氣余熱發(fā)電系統(tǒng)主蒸汽參數(shù)的分析與選擇

(中材節(jié)能股份有限公司，天津 300400)

0 引 言

近年來電解鋁工業(yè)的高速發(fā)展，直接帶動了預(yù)焙陽極的消費(fèi)量飛速提升。2016年下半年預(yù)焙陽極的價格出現(xiàn)明顯上漲，特別是國內(nèi)的2017年以來，全國的預(yù)焙陽極價格也急劇上漲[1]，近幾年炭素廠產(chǎn)能的增量和新建的規(guī)模明顯呈上升趨勢。

目前我國加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的力度日益增加，炭素企業(yè)面臨著巨大的環(huán)保壓力[2]，各省市陸續(xù)出臺針對炭素行業(yè)錯峰生產(chǎn)以及更嚴(yán)格的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，炭素企業(yè)需要配備完備的煙氣凈化系統(tǒng)來滿足排放指標(biāo)的要求。

結(jié)合炭素罐式煅燒爐實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，出口煙氣溫度基本在700～800 ℃以上，如果不經(jīng)過煙氣凈化無法滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，一方面，主流的煙氣脫硫系統(tǒng)處理的煙氣溫度在200 ℃以下，煅燒煙氣凈化系統(tǒng)有煙氣冷卻的需求；另一方面高溫?zé)煔獾睦鋮s系統(tǒng)做成余熱利用系統(tǒng)(對外供應(yīng)蒸汽或者發(fā)電)能夠帶來豐厚的收益，所以新建的炭素廠為了降低生產(chǎn)成本，提高競爭力，均須配備煅燒爐煙氣余熱利用系統(tǒng)。

余熱利用系統(tǒng)如果為對外供應(yīng)蒸汽，蒸汽的參數(shù)主要由用戶單位決定；余熱利用系統(tǒng)如果為余熱發(fā)電系統(tǒng)，主蒸汽參數(shù)的選擇能夠較大程度上的影響余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量及項(xiàng)目的裝機(jī)規(guī)模。文中以某30萬噸的新建炭素廠的參數(shù)為例，介紹在同樣的煙氣參數(shù)的情況下，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，探討不同主蒸汽參數(shù)對余熱發(fā)電系統(tǒng)的影響。

1 項(xiàng)目余熱條件及熱力系統(tǒng)

1.1 項(xiàng)目余熱條件

文中分析的30萬t炭素生產(chǎn)線采用4臺76罐的罐式煅燒爐，生產(chǎn)過程中排出大量高溫?zé)煔?，罐式煅燒爐煙氣參數(shù)如下：

煙氣總量：150 000 Nm3/h

排煙溫度：t=850 ℃～900 ℃

廢氣成分：

CO2H2OO2N2NOxSO2粉塵7.37%12.86%10%69.58%200mg/Nm34285mg/Nm3300mg/Nm3

為充分利用煙氣余熱，節(jié)約能源，在煅燒車間的高溫母煙道后設(shè)置導(dǎo)熱油爐，滿足炭素工藝用熱媒油作為加熱介質(zhì)的生產(chǎn)要求，導(dǎo)熱油爐需要高溫?zé)煔饬考s為46 000 Nm3/h。

根據(jù)煙氣中含有的SO2含量，考慮到實(shí)際的煙氣中SO2含量可能波動，以求穩(wěn)妥，按照5 000 mg/Nm3設(shè)計(jì)，露點(diǎn)溫度約150 ℃，在保證鍋爐出口煙氣溫度高于露點(diǎn)溫度基礎(chǔ)上，考慮一定的安全裕量，因此確定排煙溫度為不低于185 ℃。

針對上述產(chǎn)生的煙氣量減去導(dǎo)熱油爐需要的熱量，以及排煙溫度，余熱發(fā)電可利用余熱資源如下：

第一部分：總風(fēng)量為104,000 Nm3/h(標(biāo)況),溫度為850～185 ℃；

第二部分：總風(fēng)量為46,000 Nm3/h(標(biāo)況),溫度為400～185 ℃。

1.2 項(xiàng)目熱力系統(tǒng)

依據(jù)煅燒爐可用廢氣余熱，在滿足生產(chǎn)生活熱負(fù)荷的同時，生產(chǎn)蒸汽進(jìn)行發(fā)電。結(jié)合山東某150 kt/a、甘肅某300、340 kt/a煅燒爐配套余熱發(fā)電系統(tǒng)的成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[3-4]，共考慮設(shè)置2臺余熱鍋爐(以下簡稱為1#與2#余熱鍋爐)，2臺余熱鍋爐配套一臺汽輪發(fā)電機(jī)組。

1#余熱鍋爐進(jìn)口總風(fēng)量為104,000 Nm3/h(標(biāo)況),溫度為850 ℃；

2#余熱鍋爐進(jìn)口總風(fēng)量為46,000 Nm3/h(標(biāo)況),溫度為400 ℃；

其中1#余熱鍋爐產(chǎn)生較高參數(shù)的主蒸汽，主要用來余熱發(fā)電；2#余熱鍋爐由于煙氣參數(shù)較低，考慮產(chǎn)生較低參數(shù)的蒸汽部分供應(yīng)全廠生活用熱(食堂、澡堂、供暖等)及熱力除氧用熱。

1#余熱鍋爐的煙氣來自生產(chǎn)線的主煙道，2#余熱鍋爐的煙氣來自導(dǎo)熱油爐出口，2臺鍋爐出口廢氣排至脫硫系統(tǒng)。煙風(fēng)系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 煙風(fēng)系統(tǒng)流程

1#余熱鍋爐產(chǎn)生的中溫中壓蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)并推動汽輪機(jī)做功，做功后的乏汽經(jīng)凝汽器后凝結(jié)成水，再經(jīng)凝結(jié)水泵送至除氧器，除氧后的水由鍋爐給水泵送至2臺余熱鍋爐。2#余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓飽和蒸汽和汽輪機(jī)抽汽共同用于換熱站、熱力除氧及廠區(qū)食堂和浴室的用汽需求。熱力系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 熱力系統(tǒng)流程

如果廠區(qū)周邊有熱用戶，項(xiàng)目可以外供蒸汽，如果用汽量較大，炭素廠所產(chǎn)蒸汽均能外供的情況時，余熱鍋爐主蒸汽參數(shù)可以依據(jù)外供蒸汽壓力要求并加上具體的沿程阻力而定。如果外供蒸汽不足以消耗余熱鍋爐所產(chǎn)的蒸汽，或者用戶對蒸汽需求不連續(xù)，可以考慮設(shè)置抽汽凝汽式汽輪機(jī)。2#余熱鍋爐的蒸汽參數(shù)可以設(shè)置為與根據(jù)外供蒸汽的需求壓力來定，并從汽輪機(jī)抽汽與2#余熱鍋爐所產(chǎn)蒸汽混合后對外供汽；另外可設(shè)置一套減溫減壓裝置作為備用，從主蒸汽減壓至外供蒸汽所需壓力，以保證對外供汽的可靠性。

2 不同蒸汽參數(shù)對余熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)的影響

2.1 鍋爐主蒸汽參數(shù)的選擇

煅燒爐出口廢氣溫度可達(dá)850 ℃，從傳熱學(xué)的角度可以設(shè)計(jì)成高參數(shù)的余熱鍋爐。但是結(jié)合項(xiàng)目的煙氣量，綜合考慮鍋爐規(guī)模和蒸汽鍋爐的參數(shù)序列以及我國鍋爐現(xiàn)有產(chǎn)品型號情況[5]，1#余熱鍋爐可以有次中壓(2.45 MPa～400 ℃)、中壓(3.82～450 ℃)、次高壓(5.3 MPa～490 ℃)、高壓(9.8 MPa～540 ℃)幾個選擇。

按照第一節(jié)介紹到的1#余熱鍋爐的進(jìn)口煙風(fēng)量及煙氣溫度(104,000 Nm3/h～850 ℃)和排煙溫度(185 ℃)，給水溫度為150 ℃的情況下，根據(jù)能量平衡方程，計(jì)算方程式如下：

V(C進(jìn)t進(jìn)-C出t出)ηSP= (Qgqhgq+

Qpwhpw)-Qgshgs

(1)

式中，V為余熱鍋爐進(jìn)口煙氣量(Nm3/h)；C進(jìn)、C出為余熱鍋爐進(jìn)口、出口煙氣比熱(kJ/Nm3℃)；t進(jìn)、t出為余熱鍋爐進(jìn)口、出口煙氣溫度(℃)；η為鍋爐效率(保熱系數(shù))；Qgs、Qpw、Qgq為鍋爐給水、鍋爐排污、主蒸汽質(zhì)量流量(kg/h),計(jì)算按照排污率為3%考慮；Hgs、hpw、hgq為鍋爐給水、鍋爐排污、主蒸汽質(zhì)量焓(kJ/kg)。

可計(jì)算出在選用不同蒸汽參數(shù)下的蒸汽產(chǎn)量(Qgq)如圖3所示。

圖3 不同主蒸汽參數(shù)對應(yīng)1#余熱鍋爐的蒸汽產(chǎn)量

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著主蒸汽的參數(shù)的升高，主蒸汽的產(chǎn)汽量單調(diào)減少，主蒸汽產(chǎn)量依次為38.43、37.09、36.04、35.04 t/h。

2.2 不同蒸汽參數(shù)發(fā)電量對比

根據(jù)余熱鍋爐的產(chǎn)汽量，余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量的可按下式計(jì)算：

P=Qzq(hzq-hpq)F1F3F4/1000-

Qcq(hcq-hpq)F2F3F4/1000

(2)

式中，P為余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率(kW)；Qzq、Qcq為汽輪機(jī)主進(jìn)汽量(kg/h)；hzq、hpq為汽輪機(jī)主進(jìn)汽、排汽焓值(kJ/kg)；F1為汽輪機(jī)主進(jìn)汽效率；F2為汽輪機(jī)抽汽參數(shù)對應(yīng)的汽輪機(jī)效率；F3為發(fā)電機(jī)效率；F4為散熱損失等其他損失效率。

由于實(shí)際每個工廠的對外供汽參數(shù)不一致，發(fā)電量不具有對比性。此處僅計(jì)算以余熱發(fā)電為主要運(yùn)行工況時，即汽輪機(jī)純凝工況時的發(fā)電量，可得到幾種蒸汽壓力對應(yīng)的發(fā)電量如圖4所示。

圖4 不同主蒸汽參數(shù)對應(yīng)余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量

根據(jù)發(fā)電量對比可以得出，隨著主蒸汽參數(shù)的提高，系統(tǒng)的發(fā)電能力越強(qiáng)，發(fā)電量依次為7 376、8 057、8 520及9 236 kW。

3 不同蒸汽參數(shù)對余熱發(fā)電系統(tǒng)主要設(shè)備選型的影響

3.1 主蒸汽管道的選型

依據(jù)4種可供選擇蒸汽參數(shù)參數(shù)對應(yīng)的蒸汽產(chǎn)生量，依據(jù)《火力發(fā)電廠汽水管道零件及部件典型設(shè)計(jì)(2000)版》，選取主蒸汽管道見表1。

表1 不同主蒸汽參數(shù)對應(yīng)主蒸汽管道選擇

通過上表可以看出，主蒸汽參數(shù)越高，蒸汽的比容就越小，主蒸汽的管徑也就越小，但是材質(zhì)要越好，壁厚也要增加。

上述列出的幾種管道規(guī)格，隨著蒸汽壓力等級的提高，管道的公稱直徑選擇依次為DN200、DN175、DN150A、DN100A；管道的材質(zhì)依次為20#鋼、15CrMoG 、15CrMoG 、12Cr1MoVG；管道的單重依次為34.1、32.3 、22.6、35.8 kg/m。對比材質(zhì)和管道重量結(jié)合市場價格可以得出，管道的材料成本投入從高到低為9.8、3.82、2.45、5.3 MPa。也就說選擇5.3 MPa的主蒸汽 參數(shù)的主蒸汽管道的鋼材料投入成本最低。

3.2 給水泵選型

鍋爐主蒸汽壓力越高，需要的給水泵的揚(yáng)程就越大，給水泵耗電量就越多，給水泵電機(jī)的裝機(jī)功率就越大，系統(tǒng)的自耗電量就增加。

依據(jù)4種可供選擇蒸汽參數(shù)參數(shù)以及對應(yīng)的蒸汽產(chǎn)生量，可得出給水的流量和揚(yáng)程，給水泵電機(jī)功率可按下式計(jì)算：

N= 2.725*Qgs*H*B/η1/η2/η3/1000

(3)

式中，N為給水泵電動機(jī)功率；Qgs為給水質(zhì)量流量(t/h)；H為給水揚(yáng)程(m)；B為電動機(jī)功率備用系數(shù)；η1為給水泵效率；η2為機(jī)械傳動效率；η3為電動機(jī)效率。

可以得出4種參數(shù)下給水泵電機(jī)功率如下：

通過計(jì)算結(jié)果的上表可以得出，4種參數(shù)從低到高的給水泵裝機(jī)功率依次增加，分別為90、132、160、280 kW。

3.3 汽輪機(jī)選型

結(jié)合1.1節(jié)中的余熱條件，余熱發(fā)電系統(tǒng)在4種不同參數(shù)下的發(fā)電功率及汽輪機(jī)組選型見表2。

表2 不同主蒸汽參數(shù)對應(yīng)系統(tǒng)發(fā)電量及發(fā)電機(jī)選擇

余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量不同，汽輪機(jī)組的選型及裝機(jī)功率也有所不同，汽輪機(jī)組的造價受蒸汽參數(shù)及裝機(jī)功率影響較大。結(jié)合本項(xiàng)目對比的幾臺汽輪機(jī)的參數(shù)，N10-8.83造價最高，且不太符合汽輪機(jī)的序列，廠家出廠的同參數(shù)的機(jī)組也比較少。N9-4.9和N9-3.43兩臺機(jī)組的裝機(jī)功率均為9 MW，造價基本相同。N7.5-2.35機(jī)組的裝機(jī)功率7.5 MW，造價成本比9 MW機(jī)組略低。

3.4 化學(xué)水系統(tǒng)選型

不同主蒸汽參數(shù)，鍋爐給水的水質(zhì)要求也不太一樣，根據(jù)《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》(GB/T12145-2016)的要求，次高溫次高壓鍋爐給水與中溫中壓對給水的要求一致,高溫高壓的鍋爐給水要比次高溫次高壓給水要求更嚴(yán)格。具體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 不同主蒸汽參數(shù)對應(yīng)鍋爐給水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

4 不同蒸汽參數(shù)系統(tǒng)凈發(fā)電量及穩(wěn)定性對比

4.1 不同蒸汽參數(shù)對余熱電站自用電的影響

余熱電站的主要用電設(shè)備為余熱鍋爐引風(fēng)機(jī)、鍋爐給水泵、凝結(jié)水泵、循環(huán)冷卻水風(fēng)扇、循環(huán)冷卻水泵、化學(xué)水制備系統(tǒng)。

其中，主蒸汽參數(shù)對余熱鍋爐引風(fēng)機(jī)耗電量的影響最小，基本可以忽略不計(jì)，由于余熱鍋爐煙氣側(cè)阻力基本一致；主蒸汽參數(shù)對化學(xué)水制備系統(tǒng)的影響較大，高溫高壓的主蒸汽參數(shù)對系統(tǒng)化學(xué)水質(zhì)要求更高，化學(xué)水制備系統(tǒng)會復(fù)雜一些；主蒸汽參數(shù)對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的影響雖有但是較小，由于不同主蒸汽參數(shù)下的系統(tǒng)凝結(jié)水量差值在10%以內(nèi)； 主蒸汽參數(shù)對給水泵的耗電量影響最大，具體件見上述的給水泵選型分析。不同主蒸汽參數(shù)的電站自用電量估算合計(jì)見表4。

表4 不同主蒸汽參數(shù)對應(yīng)系統(tǒng)自用電量

對上表進(jìn)行分析可得，隨著所選主蒸汽的參數(shù)提高，系統(tǒng)的自用電量也逐漸升高。

4.2 不同蒸汽參數(shù)下的凈發(fā)電量對比

綜合分析不同主蒸汽參數(shù)對應(yīng)的發(fā)電量及耗電量，余熱發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電量見表5。

表5 不同主蒸汽參數(shù)對應(yīng)系統(tǒng)凈發(fā)電量

通過上述不同壓力參數(shù)下系統(tǒng)凈發(fā)電量的對比，可以發(fā)現(xiàn)：選擇3.82 MPa的主蒸汽參數(shù)的系統(tǒng)凈發(fā)電量為7 280 kW，比選擇2.45 MPa的主蒸汽參數(shù)的系統(tǒng)(6 660 kW)凈發(fā)電量多了620 kW，凈發(fā)電量增加9.3%；選擇5.3 MPa的主蒸汽參數(shù)的系統(tǒng)凈發(fā)電量為7 720 kW，比選擇3.82 MPa的主蒸汽參數(shù)的系統(tǒng)(7 280 kW)凈發(fā)電量多了440 kW，凈發(fā)電量增加接近6%；選擇9.8 MPa的主蒸汽參數(shù)的系統(tǒng)凈發(fā)電量為8 270 kW，比選擇5.3 MPa的主蒸汽參數(shù)的系統(tǒng)(7 720 kW)凈發(fā)電量多了550 kW，凈發(fā)電量增加接近了7%；隨著蒸汽參數(shù)的升高，雖然蒸汽產(chǎn)量有略微的下降，但是系統(tǒng)的發(fā)電能力逐漸增強(qiáng)。

4.3 不同蒸汽參數(shù)對炭素煅燒系統(tǒng)穩(wěn)定性的對比

上節(jié)中的發(fā)電量對比僅為1.1節(jié)中提到的煅燒煙氣參數(shù)在設(shè)計(jì)工況下的對比，結(jié)合煅燒爐實(shí)際生產(chǎn)情況，存在一定的波動，其產(chǎn)生的煙氣溫度會大幅度波動，具體可以分為以下兩種情況：

(1)如果實(shí)際煙氣溫度高于設(shè)計(jì)溫度，主蒸汽可能會超溫，需要增加噴水減溫；

(2)煙氣實(shí)際煙氣溫度低于設(shè)計(jì)溫度，進(jìn)入到鍋爐的熱量減少，蒸發(fā)量降低； 如果溫度降低較多，主蒸汽參數(shù)越高，就越難保證額定主蒸汽參數(shù)，可能會有損汽輪機(jī)效率甚至安全。

不同主蒸汽參數(shù)，汽輪機(jī)允許的進(jìn)汽壓力和溫度波動范圍也不太一樣，根據(jù)《發(fā)電用汽輪機(jī)參數(shù)系列》(GBT 754-2007)的要求，文中對比的幾個參數(shù)具體允許的波動范圍見表6-7。

表6 汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力允許波動范圍

表7 汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度允許波動范圍

根據(jù)上述壓力和溫度的允許波動值來看，主蒸汽參數(shù)壓力越低，汽輪機(jī)可接受的允許溫度波動值越大，說明余熱系統(tǒng)對煅燒煅燒煙氣參數(shù)變化的適應(yīng)性就越強(qiáng)。對比次中溫次中壓、中溫中壓、次高溫次高壓三個主蒸汽參數(shù)，次中溫次中壓的穩(wěn)定性最強(qiáng)，次高溫次高壓參數(shù)較差，但是次高溫次高壓主蒸汽溫度與煙氣溫度仍保證相當(dāng)大的換熱端差，且汽輪機(jī)允許較為寬松的溫度波動值(-15 ℃～+10 ℃)，次高溫次高壓參數(shù)余熱系統(tǒng)也能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行，所以這三種參數(shù)對比，在充分考慮系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的情況下，最好能夠選擇次高溫次高壓參數(shù)。

對比次高壓和高壓參數(shù)，允許的壓力波動值相同，次高壓的額定溫度為470 ℃，允許波動范圍為-15 ℃～+10 ℃，但是對高壓參數(shù)，額定溫度535 ℃，溫度允許波動值更為嚴(yán)苛，僅為-10 ℃～+5 ℃；結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，若煙氣溫度可能波動到750 ℃，由于過熱器段的換熱端差降低，額定主蒸汽溫度越高，實(shí)際主蒸汽溫度就會較大的低于主蒸汽額定參數(shù)，可能會造成汽輪機(jī)末級葉片濕度增大，容易造成末級葉片水蝕，進(jìn)而造成機(jī)組振動和脹差增大，影響穩(wěn)定性。所以高溫高壓參數(shù)的的主蒸汽系統(tǒng)對煅燒系統(tǒng)適應(yīng)性和自身的穩(wěn)定性要低于次高壓參數(shù)。

5 結(jié)束語

(1)炭素余熱發(fā)電系統(tǒng)主蒸汽參數(shù)越高，雖然給水泵的出力要求也隨之提高，但系統(tǒng)的理論計(jì)算發(fā)電量越高，總體而言凈發(fā)電仍有所上升。

(2)主蒸汽參數(shù)越高，系統(tǒng)的裝機(jī)規(guī)模和凈發(fā)電量略有提高，但是對系統(tǒng)設(shè)備材料要求特別是汽水壓力元件的要求也越高，系統(tǒng)的總造價會有所上升。

(3)針對300 kt/a規(guī)模的炭素廠的余熱發(fā)電系統(tǒng)，優(yōu)先推薦選擇次高溫次高壓的主蒸汽參數(shù)，中溫中壓參數(shù)及次中溫次中壓參數(shù)也可采用，但是熱經(jīng)濟(jì)性較差。高溫高壓的主蒸汽參數(shù)，雖然熱效率最高，但是系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性較差，須慎重選擇。