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炭素煅烧窑余热发电系统设计与常规火电厂有哪些不同?


生产铝用阳极炭块的原料石油焦在煅烧窑内煅烧后,煅烧窑会排出大量高温烟气,由于烟气温度高达1000℃,无法直接外排。传统做法是通过在煅烧窑尾部设置余热锅炉来降低烟气温度以便通过烟囱外排。因为电解铝厂生产工艺基本不需蒸汽,余热锅炉产生的大量蒸汽难以消耗,最终只有排空,造成能源浪费,排汽产生的巨大噪声也不符合环保要求。随着国家节能减排政策的施行,现在的炭素厂设计时均考虑在余热锅炉后设置余热发电机组以充分利用余热能源,并可提供炭素厂日常生产用电。本文就炭素余热发电系统设计时应考虑的与常规火电厂的不同之处提出一些建议。



一、机组的选型


炭素余热发电机组与常规火电机组的选型方式差别较大。常规火电厂是先确定机组发电容量,再据此计算相应的锅炉容量,设计时首先考虑如何提高电厂效率;而余热发电机组是先根据煅烧窑排出的烟气成分来确定烟气焓值,再结合烟气量来计算锅炉的输入热量,而后再根据设定的锅炉热效率来确定锅炉容量,最后根据锅炉的参数选择相匹配的汽轮机。在炭素余热发电系统设计中机组效率不是作为第一考虑要素,煅烧窑运行的安全性与连续性才是余热发电机组设计时首要考虑的因素。


考虑到余热发电系统的能量利用率和造价的经济性,余热锅炉一般选择中压参数450℃/3.43MPa即可。因煅烧窑有时会根据生产需要超额定负荷运行,相应余热锅炉的容量选择也应考虑一定的超负荷能力;锅炉结构应考虑受热面不易积灰、积灰后易于清理;根据场地大小可选择立式或者卧式布置;在北方锅炉房可采用紧身封闭型式以节约投资,在南方则可采用露天布置型式。


汽机选择应考虑负荷适应范围广,具备抽汽功能,因为煅烧窑运行的特点,受产量影响,余热负荷会经常变化,汽轮机需要能够很好的适应负荷变化,应能在30%~110%负荷范围之间安全的变动。采用抽凝式机组的运行方式比较灵活,可根据需要采取以热定电的运行方式。



二、原则性热力系统


1、主蒸汽系统


主要指从锅炉出口至汽轮机进口的主蒸汽管道系统。若只有一台煅烧窑,则选择单元制系统;若有2台或以上数量的煅烧窑则选择单母管系统或切换母管系统较好。汽轮机与锅炉的配置上尽量按照几炉配几机型式,以便灵活调节运行方式,锅炉与汽机可以随意组合,最大程度保证煅烧窑的正常运行。主蒸汽管道材质可选用低合金钢。


2、旁路系统


因为煅烧窑启停一次成本较大,尤其急剧停窑对窑内衬损害极大,会降低窑寿命,因此煅烧窑一旦投入运行后,非窑体故障不能停窑,故建议设置汽机旁路系统。旁路系统就是将高参数的蒸汽减温减压后绕过汽轮机,直接排至凝汽器,可以实现停机不停炉。这对于在汽轮机故障时保证煅烧窑的正常运行有极其重要作用,汽机故障时通过投入旁路可维持锅炉在低负荷运行,从而保证煅烧窑不必停窑,以维持低负荷生产。在两台汽机配置时可考虑两机共用一个旁路。目前国内小汽轮机凝汽器可配置保证30%锅炉最大容量的旁路。


3、给水系统


给水系统是从除氧器给水箱下降管入口到锅炉省煤器进口之间的管道、阀门和附件的总称,以给水泵为界分为低压系统和高压系统。给水系统是发电厂热力系统的重要组成部分,对整个发电系统的安全运行至关重要。由于炭素余热发电系统的特殊性,锅炉故障时煅烧窑热负荷不能迅速降低,故给水系统的安全可靠性显得尤为重要,在两台及以上锅炉时建议选用单母管制或切换母管制给水系统。给水泵配置可以按照火电厂设计规程的要求执行,母管制系统可以考虑多台机组共用备用泵,单元制时考虑全容量的给水泵备用量。另外要考虑停电时蒸汽动力给水泵以确保锅炉运行安全。


4、回热系统


回热系统主要目的是提高发电厂的经济性。作为工业余热发电系统,由于机组容量较小、系统简单,设计采用一高一低一除氧系统即可。但回热系统涉及到加热器的抽汽、疏水、抽空气系统、主凝结水、给水除氧和主给水等系统,所以系统必须考虑足够的可靠性、安全性和灵活性。


三、循环水及化学水系统


1、循环水系统


因机组容量小,凝汽器目前均采用水冷方式,循环水量较小,循环水的冷却采用机力塔即可,不必采用双曲线自然通风冷却塔。


2、化学水系统


因中压机组对水质要求不高,化学水处理一般采用一级除盐加混床工艺就可以满足要求。为降低工程造价,化水系统控制配置不必太高,采用远程监测加人工控制方式即可。因余热发电汽轮机一般都具有抽汽功能,为节约除盐水,抽出的蒸汽一定要回收。若要利用热水供暖或其他生活使用则一定要选用汽/水换热器,不要采用混合式加热器;对于生产工艺或生活必须采用蒸汽的,一定要采取凝结水回收措施。



四、机组控制系统


根据现代火电机组的成熟经验,结合煅烧窑余热发电系统的实际情况,设计上应尽量避免同时设置锅炉控制室、汽机控制室以及发电主控楼的做法,因余热锅炉本体需操作的部位较少,可以借鉴常规火电厂做法,采用DCS控制方式即可将上述三个控制室合而为一。这样在控制方面的投资增加较少,由于控制室的减少大大降低了土建工程造价,而且相应减少了操作人员,降低了运行成本。


五、烟气系统及脱硫


炭素煅烧窑的烟气系统是负压运行,主要烟气流程是煅烧窑至尾部燃烧室或沉降室至余热锅炉再至除尘脱硫装置最后通过引风机排至烟囱(也有除尘脱硫装置在引风机出口的布置方式),引风机压头必须克服全程阻力并要能够满足煅烧窑的负压要求。引风机的正常与否对煅烧窑的正常生产和窑体安全至关重要,所以设计引风机控制系统时应首先考虑和煅烧窑控制系统连锁并有信号通讯到余热发电系统DCS。


因煅烧窑煅烧的石油焦中含有一定硫分,随着环保标准的不断提高,必须对烟气进行脱硫达标后才能排放。根据目前脱硫技术和煅烧窑烟气成分的实际情况,采用湿法脱硫是比较成熟的做法,脱硫副产品石膏可考虑外销;应在脱硫塔前设烟气旁路,在脱硫系统故障或检修时可通过旁路外排烟气,保证煅烧窑的正常生产;因余热发电系统烟气量相对较小,脱硫后的烟气可直接从脱硫塔上部排出;脱硫系统阻力可通过适当增大引风机压头克服,不必再单独设置增压风机。脱硫岛部分建议由专业脱硫工程公司总包较,业主单位要做好锅炉设计与脱硫岛设计间的协调工作。


六、总结


余热发电厂在炭素生产尤其是电解铝生产中只是处于次要地位,其主要目的是为充分利用烟气余热,故在设计上应考虑在保证正常生产的前提下尽量减少投资,装备水平及自动化水平定位不必太高,满足系统正常运行即可。

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