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中国水泥窑余热发电技术-【新闻】

发布时间:2021-05-24 06:44:50 阅读: 来源:甲醛生产家厂家

中国水泥窑余热发电技术

一、中国发展水泥窑余热发电技术的目的

1.1降低能耗、保护环境

水泥熟料锻烧过程中,由窑尾预热器、窑头熟料冷却机等排掉的400℃以下低温废气余热,其热量约占水泥熟料烧成总耗热量30%以上,造成的能源浪费非常严重。水泥生产,一方面消耗大量的热能(每吨水泥熟料消耗燃料折标准煤为100~115kg),另一方面还同时消耗大量的电能(每吨水泥约消耗90~115kwh)。如果将排掉的400℃以下低温废气余热转换为电能并回用于水泥生产,可使水泥熟料生产综合电耗降低60%或水泥生产综合电耗降低30%以上,对于水泥生产企业:可以大幅减少向社会发电厂的购电量或大幅减少水泥生产企业燃烧燃料的自备电厂的发电量以大大降低水泥生产能耗;可避免水泥窑废气余热直接排入大气造成的热岛现象,同时由于减少了社会发电厂或水泥生产企业燃烧燃料的自备电厂的燃料消耗,可减少CO2等燃烧废物的排放而有利于保护环境。

1.2为“建设节约型社会、推进资源综合利用”政策的推行提供技术支持

能源、原材料、水、土地等自然资源是人类赖以生存和发展的基础,是经济社会可持续发展的重要的物质保证。而随着经济的发展,资源约束的矛盾日益凸显。为此中国政府在为贯彻实施《节能中长期专项规划》而编制的《中国节能技术政策大纲》(2005年修订稿)中明确支持“大中型新型干法水泥窑余热发电技术”的研究、开发、推广工作。

1.3符合清洁发展机制(CDM)项目的要求

清洁发展机制是《京都议定书》第十二条确定的一个基于市场的灵活机制,其核心内容是允许附件一缔约方(即发达国家)与非附件一国家(即发展中国家)合作,在发展中国家实施温室气体减排项目。 清洁发展机制的设立具有双重目的:促进发展中国家的可持续发展和为实现公约的最终目标做出贡献;协助发达国家缔约方实现其在《京都议定书》第三条之下量化的温室气体减限排承诺。通过参与清洁发展机制项目,发达国家的政府可以获得项目产生的全部或者部分经核证的减排量,并用于履行其在《京都议定书》下的温室气体减限排义务。对于发达国家的企业而言,获得的CERs可以用于履行其在国内的温室气体减限排义务,也可以在相关的市场上出售获得经济收益。由于获得CERs的成本远低于其在国内采取减排措施的成本,发达国家政府和企业通过参加清洁发展机制项目可以大幅度降低其实现减排义务的经济成本。

对于发展中国家而言,通过参加清洁发展机制项目合作可以获得额外的资金和(或)先进的环境保护技术,从而可以促进本国的可持续发展。因此,清洁发展机制是一种“双赢”的机制。清洁发展机制合作也可以降低全球实现温室气体减排的总体经济成本。

1.4对于水泥生产企业

水泥生产企业建设余热电站,投资小,见效快,可以大幅降低水泥生产能耗既成本,相应地可以大幅提高企业经济效益。

1.5国家技术进步方面

支持并促进“水泥窑余热发电技术”的研究、开发、推广工作,可以使中国水泥窑余热发电的总体技术水平达到或接近当前国外先进工业国家已经达到的技术水平。

二、中国水泥窑余热发电技术研究、开发、推广工作的简要过程

1984年,根据当时水泥生产能力严重不足、供电能力十分紧张、新型干法水泥生产技术处于起步阶段、煤电比价很低的实际情况,中国政府安排了救活十四个老水泥厂的工作。结合这项工作,国内开展了中空余热发电窑的高温余热发电技术及装备的研究、开发、推广、应用工作。至1995年,利用高温余热发电技术及装备,在国内建设投产了约290条带有高温余热发电系统的中空余热发电窑。形成了以主蒸汽参数、余热锅炉形式、余热发电能力分别为2.45MPa—400℃—吨熟料余热发电量90~110KW—卧式余热锅炉、3.82MPa—450℃—吨熟料余热发电量130~150KW—卧式余热锅炉、3.82MPa—450℃—吨熟料余热发电量170~180KW—立式余热锅炉的三代水泥窑高温余热发电技术,为我国开展水泥窑低温余热发电技术及装备的研究开发奠定了基础。

中国政府根据新型干法水泥生产技术的发展,在1990年安排了国家重大科技攻关项目《水泥厂低温余热发电工艺及装备技术的研究开发》工作。其课题之一是:《带补燃锅炉的中、低温余热发电技术及装备的研究开发》,目的是在当时中国国内尚不能解决中低品位余热—动力转换机械的条件下,采用中国国产标准系列汽轮发电机组回收400℃以下废气余热进行发电。该课题在1996年完成了攻关工作并形成了《带补燃锅炉的水泥窑低温余热发电技术》。截止2005年底,利用这项技术,在中国国内的23个水泥厂36条1000~4000t/d预分解窑生产线上建设投产了28台、总装机为45.36万Kw的以煤矸石、石煤为补燃锅炉燃料的综合利用电站,各水泥厂取得了可观的经济效益。这项技术的研究、开发、推广、应用,为我国开发水泥窑纯低温余热发电技术及装备工作积累了丰富的经验。

根据研究、开发、推广《带补燃锅炉的水泥窑低温余热发电技术》的经验,结合日本KHI公司1995年为中国一条4000t/d水泥窑提供的6480Kw纯低温余热电站的建设,国内分别于1997年、2001年在一条2000t/d水泥线、一条1500t/d水泥线上利用中国国产的设备和技术建设投产了装机容量各为3000Kw、2500Kw的纯低温余热电站。2001年至2005年,中国水泥行业利用中国国产的设备和技术在十数条1200t/d级、2500t/d级、5000t/d级新型干法窑上配套建设了装机容量分别为2.0MW、3.0MW、6.0MW的纯低温余热电站,形成了中国第一代水泥窑纯低温余热发电技术,综合技术指标可以达到吨熟料余热发电量为3140KJ/kg-28~33kwh/t。

通过对十数条1200t/d级、2500t/d级、5000t/d级新型干法窑2.0MW、3.0MW、6.0MW纯低温余热电站建设、运行经验的总结,自2003年起,中国研究、开发出了第二代水泥窑纯低温余热发电技术。至2007年2月,利用第二代水泥窑纯低温余热发电技术在中国国内的1条1500t/d、1条1800t/d及1条2000t/d、1条3200t/d、4条2500t/d、 6条5000t/d共14条新型干法水泥生产线上设计、建设、投产了11台装机容量分别为1台3MW、1台3.3MW 、2台7.5MW、3台4.5MW 2台9MW、2台18MW的纯低温余热电站,其吨熟料余热发电量均为3140KJ/kg-38~42kwh/t。

中国水泥窑余热发电技术研究、开发、推广工作的整个过程均是以大连易世达能源工程有限公司的主要技术力量为核心并因此获得了若干项有关水泥窑余热发电技术的中国国家专利。

三、中国第二代水泥窑纯低温余热发电技术与发达国家先进技术的比较

目前发达国家从事水泥窑纯低温余热发电技术及装备研究、开发、推广应用工作的国家主要有日本、荷兰、以色列、德国等先进工业国家,其中尤以日本钢管(JFE)、日本川崎重工(KHI)的技术及装备在国际上推广应用所占的比重最大。中国第二代水泥窑纯低温余热发电技术与发达国家先进技术相比如下:

项目

KHI或JFE

中国

利用的废气余热

窑尾350~200℃,熟料冷却机400~90℃

窑尾350~200℃,熟料冷却机400~90℃

主蒸汽参数

0.69~2.4MPa—280~340℃

0.98~2.45MPa—310~390℃

低压补汽参数

0.13~0.25MPa—饱和蒸汽

0.15~0.25MPa—饱和至160℃

主要设备

SP锅炉、AQC锅炉、补汽式汽轮机、发电机

SP锅炉、AQC锅炉、ASH过热器、补汽式汽轮机、发电机

汽轮机内效率

83~90%

80~87%

吨熟料发电量

3140kJ/kg—36~45kwh/t

3140kJ/kg—38~42kwh/t

年运转率

比水泥窑低5%

比水泥窑低5%

每kw装机投资

9000~12000元人民币

5500~6500元人民币

发电成本(含折旧)

0.16~0.2元/kwh

0.1~0.14元/kwh

投资回收期

4~8年

2~4年

四、大连易世达能源工程有限公司概况

大连易世达能源工程有限公司,主要从事新型干法水泥生产线纯低温余热电站工程设计、技术咨询、工程总承包、设备成套、安装、调试、生产运行管理等业务。目前拥有热能、工艺、机械、电气、土建等各专业工程技术人员60多名,集中了原余热发电“八五”国家攻关组主要技术力量,具有强大的开发、设计、工程管理和生产运营能力,是集开发、设计、工程建设、运营服务于一体的技术密集型企业。目前具有余热发电三项实用新型及两项发明专利,其专利技术涉及目前主蒸汽参数为1.57MPa-3.43 MPa—3400C-4350C的水泥窑纯余热发电热力系统。至2006年,在技术开发及工程建设方面取得了如下主要业绩:

技术开发方面(带*的为:大连易世达能源工程有限公司主要技术力量在天津水泥工业设计研究院时参与或主持的开发项目):

*(1)完成了水泥窑余热发电“八五”国家重点科技攻关项目“带补燃锅炉的低温余热发电技术及装备的研究开发”工作,开发成果《带补燃锅炉的低温余热发电技术及装备》获国家“八五”科技攻关重大科技成果奖,技术核心人员荣获“八五”国家重点科研攻关全国先进个人,受到了江泽民等党和国家领导人的接见。

*(2)完成了日本NEDO赠送宁国水泥厂纯低温余热电站设备的技术谈判、工程立项、日方资料转化、工程设计工作。

*(3)完成了水泥窑余热发电“八五”国家重点科技攻关项目成果《带补燃锅炉的低温余热发电技术及装备》的技术升级工作(补燃锅炉燃料由煤粉升级为:煤矸石、石煤等劣质燃料及生活垃圾),此项技术已投产应用于近40个工程:浙江红火集团、福建龙麟集团、牡丹江水泥集团、葛洲坝水泥厂、杭州钱潮集团仓前水泥厂等。

(4)完成中空余热发电窑高温二级余热发电技术及装备的研究开发工作,开发成果至2003年4月已工业实验性应用于二个实际工程,每吨熟料余热发电量提高到1500×4.1868kJ/kg——190~200kWh/t。

*(5)完成水泥窑余热发电“八五”国家重点科技公关延续性项目——水泥窑纯低温余热发电——低参数混压进汽式(补汽式)汽轮机的研究开发工作,其实际应用工程及补汽式汽轮机组已通过部级鉴定,该套机组已应用于九个实际工程。

(6)完成了水泥窑窑头熟料冷却机余热锅炉与补燃锅炉一体化的研究开发工作,其开发成果目前已完成中间实验运行考核阶段。

(7)完成了中空余热发电窑熟料提产降耗的技改研究、开发、工程设计工作,使中空余热发电窑熟料产量提高200%~400%。

(8)完成了带有二级预热器、分解炉配套纯中低温二级余热电站的新型干法水泥熟料生产线的技术开发工作。

*(9)完成了国内第一代水泥窑纯中低温余热发电技术的研究开发工作,其标志为:主蒸汽参数为0.69~1.27MPa-280~340℃,实现了理论上采用这种主蒸汽参数时的最大发电量750kcal/kg-28~33kwh/t。

(10)完成了提高型(也称为第二代)水泥窑纯中低温余热发电技术的研究开发工作(其标志为:主蒸汽参数为1.57~3.43MPa-340~435℃,实现了理论上采用这种主蒸汽参数时的最大发电量750kcal/kg-38~42kwh/t),确定了提高水泥窑纯低温余热发电能力的技术途径,相应地发明了若干具体技术措施(三项实用新型专利、两项发明专利),使水泥窑纯低温余热发电能力比目前推广应用的第一代水泥窑纯低温余热发电技术提高14.5~31.25%。

(11)历年来先后完成15种余热发电系统技术、32种余热发电装备技术的开发工作,完成了46个水泥厂的余热发电工程设计工作、9条水泥生产线技改或新建设计工作、15个水泥厂的水泥生产线及余热发电工程启动调试工作。

在纯低温余热发电工程实例上,大连易世达能源工程有限公司利用第二代水泥窑纯低温余热发电技术,至2007年2月在国内水泥行业的1条1500t/d、1条1800t/d、1条2000t/d、1条3200t/d、4条2500t/d、6条5000t/d等共计13条新型干法水泥生产线投产、建设、设计了1台3MW、1台3.3MW、3台4.5MW、2台7.5MW、2台9MW、2台18MW共计11台总装机为89MW的纯余热电站,吨熟料余热发电量均为750kcal/kg-38~42kwh/t。

高温及补燃余热电站工程设计方面,见下表(带*的为:大连易世达能源工程有限公司主要技术力量在天津水泥工业设计研究院时参与或主持的开发项目):

厂 名

窑 型

熟料产量及装机容量

*通化第二水泥厂

余热发电窑

2×500t/d—2×3000kw

*大连水泥厂

余热发电窑

500~700 t/d —12000kw+6000kw

*工源水泥厂

余热发电窑

500~700 t/d —12000kw+2×6000kw

*石家庄水泥厂

余热发电窑

500 t/d —3000kw

*金华水泥厂

余热发电窑

2×500 t/d —2×3000kw

*河北望都水泥厂

余热发电窑

500 t/d —3000kw

*苏州南新水泥有限公司

余热发电窑

700 t/d —6000kw

*苏州第三水泥厂

余热发电窑

2×500 t/d —2×3000kw

*河南偃师水泥厂

余热发电窑

2×500 t/d —2×3000kw

*呼和浩特水泥厂

余热发电窑+分解炉

600t/d—6000kw

*鲁南水泥厂

预分解窑

2×2000 t/d —12000kw

*琉璃河水泥厂

预分解窑

2×2000 t/d —12000kw抽汽供热

*广西横县白水泥厂

白水泥窑

100 t/d —750kw

*杭州钱潮建材股份公司

预热器窑改分解窑

1000t/d—4500kw二级补汽

湖北葛洲坝水泥厂

预分解窑

700、2000、2500 t/d —2×12000kw

*河南七里岗水泥厂

预分解窑

700、1000 t/d —7500kw

*黑龙江牡丹江水泥厂

预分解窑

2×2000 t/d —12000kw抽汽供热

*西卓子山水泥厂

立波尔窑

3×800 t/d —3×6000kw抽汽供热

*河南偃师水泥厂

立窑改余热发电窑

500t/d—4500kw二级补汽

*吉林双阳水泥厂

预分解窑

3×2000 t/d —2×12000kw抽汽供热

*新疆屯河水泥股份公司

预分解窑

1000 t/d —6000kw

*宁夏石嘴山水泥厂

余热发电窑

500 t/d —3000kw

*河南渑池县水泥厂

预热器窑

2×600 t/d —7500kw二级补汽

河南新乡李固水泥厂

立窑改两级预热器分解窑

800t/d—4500kw二级补汽

河南偃师水泥二厂

立窑改两级预热器分解窑

800t/d—4500kw二级补汽

洛阳中合祥水泥公司

余热发电窑改分解窑

800t/d—3000kw

杭州钱潮水泥有限公司

预分解窑

1000t/d+余热锅炉

福建福龙水泥厂(一期)

预分解窑

1000t/d—6000kw

河南七里岗水泥厂

增设2#窑窑头补燃余热炉

3000kw

广东梅州水泥厂

预分解窑(无烟煤)

1200t/d

浙江红火集团(一期)

预分解窑

2000t/d—12000kw

浙江江山何家山水泥厂

预分解窑

2000t/d—15000kw

福建华瑞化工有限公司

40000吨/年硫酸生产线

1500kw+3000kw

浙江虎山集团

预分解窑

1000t/d+2500t/h—15000kw

浙江湖州雀立水泥公司

预分解窑

700t/d+1200t/d—6000kw

浙江兰溪立马水泥公司

预分解窑

1200t/d—6000kw

福建龙鳞水泥厂(一期)

预分解窑

1×1000t/d—1×6MW

苏州金猫水泥有限公司

预分解窑

1×2750t/d—1×15MW

华新金猫水泥(苏州)

有限公司

预分解窑

1×3500t/d—1×15MW

纯低温余热电站工程设计方面,见下表(带*的为:大连易世达能源工程有限公司主要技术力量在天津水泥工业设计研究院时参与或主持的开发项目):

用户名称

窑型

熟料产量及装机容量

备注

技术/参数

*安徽宁国水泥厂

预分解窑

4000t/d—6480kw纯低温

设计

日本KHI

*上海万安企业

预分解窑

1500t/d—2500kw纯低温

设计

第一代

低温低压

*广西鱼峰水泥

预分解窑

3200t/d— 6000kw纯低温

设计

日本KHI

*浙江青龙山水泥

预分解窑

1×2500t/d—3.0MW纯低温

技术咨询

第一代

低温低压

浙江兴宝龙公司

预分解窑

1600t/d—3000kw纯低温

(旧机组)

07年1月投产

专利技术

低温低压

平阴水泥公司

预分解窑

2×5000t/d—1×18MW纯低温

(补汽式)

07年6月投产

专利技术

中温中压

浙江杜山集团

预分解窑

2500t/d—4.5MW纯低温

(补汽式)

07年2月投产

专利技术

中温中压

淄博水泥公司

预分解窑

2×5000t/d—18.0MW纯低温

(补汽式)

07年5月投产

专利技术

中温中压

昌乐水泥公司

预分解窑

2500t/d—3.3MW纯低温

(1980年旧机组)

已投产

专利技术

中温中压

安丘水泥公司

预分解窑

1×5000t/d—1×9MW纯低温

(补汽式)

07年6月投产

专利技术

中温中压

沂水水泥公司

预分解窑

1×5000t/d—1×9MW纯低温

(补汽式)

07年6月投产

专利技术

中温中压

创新水泥公司

预分解窑

1×2500t/d—4.5MW纯低温

(补汽式)

07年2月投产

专利技术

中温中压

潍坊水泥公司

预分解窑

1×2500t/d—4.5MW纯低温

(补汽式)

07年1月投产

专利技术

中温中压

山水水泥公司

预分解窑

1800t/d+2000t/d—7.5MW纯低温

(补汽式)

07年3月投产

专利技术

中温中压

洛阳中合祥水泥公司

预分解窑

1×1500t/d—4.5MW纯低温

(补汽式)

07年8月投产

专利技术

中温中压

福建龙麟二期

预分解窑

1×3200t/d—9.0MW纯低温

(补汽式)

在设计

专利技术(第三代技术)

中温中压

安丘水泥公司二期

预分解窑

1×5000t/d—1×9MW纯低温

(补汽式)

在设计

专利技术

中温中压

巴基斯坦

Dhabeji, Karachi

燃气蒸汽

3X11250kw+3X4830kw

在设计及采购

专利技术

中温中压

巴基斯坦

Dhabeji, Karachi

燃气蒸汽

2X11250kw+2X4830kw

在设计及采购

专利技术

中温中压

工程总承包方面:

河南七里岗水泥厂2#窑(1200t/d)AQC补燃及余热锅炉一体化工程;华新金猫水泥(苏州)有限公司1#窑(3500t/d)SP余热锅炉工程;

山水昌乐水泥公司2500t/d水泥窑3MW纯低温余热电站工程;

福建福龙水泥厂6000kw电站AQC余热锅炉工程;

浙江龙游杜山水泥2500t/d窑4.5MW纯低温余热电站工程。

山水潍坊水泥公司2500t/d水泥窑4..5MW纯低温余热电站工程;

山水创新水泥公司2500t/d水泥窑4..5MW纯低温余热电站工程;

山水水泥公司1800t/d+2000t/d水泥窑7..5MW纯低温余热电站工程;

浙江兴宝龙水泥公司1500t/d水泥窑3MW纯低温余热电站工程;

福建福龙水泥厂3200t/d水泥窑9.0MW纯低温余热电站工程;

五、水泥窑纯低温余热发电技术及相关问题

5.1第一代纯低温余热发电技术

技术要点:利用水泥窑窑尾预热器排出的350℃以下废气设置一台窑尾预热器余热锅炉(简称SP锅炉)、利用水泥窑窑头熟料冷却机排出的400℃以下废气设置一台熟料冷却机废气余热锅炉(简称AQC炉)、两台锅炉设置一台蒸汽轮机、发电系统主蒸汽参数为0.69~1.27MPa—280~340℃、余热发电能力为3140kJ/kg熟料——28~32kwh/t熟料。

热力系统构成有如下三种模式:

其一:单压不补汽式纯余热发电技术,见图1。

其二:复合闪蒸补汽纯余热发电技术,见图2。

其三:多压补汽式纯余热发电技术,见图3

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第一代余热发电技术的特点:上述三种技术没有本质的区别,共同的特点:都是利用在窑头熟料冷却机中部增设抽废气口或直接利用冷却机尾部废气出口的400℃以下废气及窑尾预热器排出的300~350℃的废气余热;最重要的特点是采用0.69~1.27MPa-280~340℃低压低温主蒸汽。区别仅在于:窑头熟料冷却机在生产0.69~1.27MPa-280~340℃低压低温蒸汽的同时或同时再生产0.1~0.5MPa-饱和~160℃低压低温蒸汽、或同时再生产85~200℃的热水;汽轮机采用补汽式或不补汽式汽轮机;复合闪蒸补汽式适用于汽轮机房与冷却机距离较远的情况而多压补汽式适用于汽轮机房与冷却机距离较近的情况。

第一代余热发电技术存在的问题及实际发电能力:

第一代余热发电技术填补了我国水泥行业的空白,为我国发展这项技术奠定了基础并积累了宝贵的经验。但由于技术条件的限制,其技术水平类比新型干法窑,相当于上世纪九十年代初的水平,无论投资、发电能力、运行的稳定性、设备寿命、运行可调整性都存在一定的问题:

(1)没有很好利用熟料冷却机的废气温度,系统只生产低温低压蒸汽,余热没有按其温度分布进行梯级利用,使发电热力循环系统效率太低,余热达不到应该达到的发电量,比如:对于带有5级预热器的水泥窑其余热发电能力在保证满足生料烘干所需废气温度为210℃、煤磨烘干所需废气参数、不影响水泥生产、不增加水泥熟料烧成热耗及电耗、不改变水泥生产用原燃料的烘干热源、不改变水泥生产的工艺流程及设备的条件下,每吨熟料余热发电量实际上不可能超过750kcal/kg-33kwh(实际熟料产量为5500t/d,热耗为小于750kcal/kg或者预热器出口废气温度小于330℃,生料烘干温度大于210℃时的发电功率不会大于7800Kw)。

目前,一些设计单位采用第一代余热发电技术宣传已有很高的发电量,如:2500t/d窑发电装机已达6000KW或发电功率已达到4000KW, 5500t/d窑发电已达9300KW。对于第一代余热发电技术,在理论上这是不可能的。经实际调查,有如下几种情况,在宣传上促成了发电功率的提高,但这些情况都是背离余热发电应遵循的基本原则的,有的甚至是弄虚作假。

第一种情况:熟料热耗远高于750Kcal/Kg。一般来讲,对于新型干法水泥煅烧工艺形成的低温废气余热,以熟料热耗750Kcal/Kg为基数,当熟料热耗每增加7~8Kcal/Kg时,吨熟料余热发电量应增加1 kwh以上。以750Kcal/Kg的熟料热耗,对于2500t/d窑:当采用第一代余热发电技术时,实际吨熟料余热发电能力应为28~32kwh,电站实际发电功率应为2900~3350KW(如果采用第二代余热发电技术, 实际吨熟料余热发电能力应为38~42kwh,电站发电功率应为3900~4380KW);以850Kcal/Kg的熟料热耗,对于2500t/d窑:当采用第一代余热发电技术时,实际吨熟料余热发电能力应为40~44kwh,电站实际发电功率应为4160~4580KW(如果采用第二代余热发电技术, 实际吨熟料余热发电能力应为50~54kwh,电站发电功率应为5200~5600KW)。以750Kcal/Kg的熟料热耗,对于5000t/d窑:当采用第一代余热发电技术时,电站发电功率应为6200~7500KW(如果采用第二代余热发电技术, 电站发电功率应为7900~8750KW)。

第二种情况:在发电机功率表上做手脚,乘上大于一的系数,这是典型的做假行为。

第三种情况:为了提高发电量,利用三次风或其它水泥生产用的高温气体来发电,这无疑需要大大增加熟料热耗,而由于余热发电蒸汽参数较低,热力系统循环热效率低,这种方式是对能源的浪费。

第四种情况:熟料实际产量远远高于其宣传的产量,给大家造成余热发电量很高的假象。

(2)由于采用0.69~1.27MPa-280~340℃低压低温蒸汽,对适应水泥窑生产的波动性较差。如:采用1.27MPa-340℃蒸汽参数时,保证汽轮机寿命和效率的蒸汽参数变化范围为0.97~1.47MPa-325~350℃,但由于水泥窑生产的波动性,保证蒸汽参数变化范围为0.97~1.47MPa-325~350℃是非常困难的,这是目前利用第一代余热发电技术建设投产的余热电站普遍存在的问题,其危害在于将大大缩短汽轮机寿命,目前只是由于已投产的余热电站运行时间都比较短,这个问题还没有暴露出来(采用第二代余热发电技术的2.29MPa-370℃蒸汽参数,保证汽轮机寿命和效率的蒸汽参数变化范围为1.27~2.47MPa-325~400℃,这就能很好地适应水泥窑生产的波动)。

(3) 第一代余热发电技术的蒸汽温度是不可调整的,只能随水泥窑生产的波动而波动,而且波动范围之大,足以严重影响汽轮机寿命(而第二代余热发电技术很好地解决了这个问题)。

(4) 第一代余热发电技术的两台锅炉给水系统是串连的,任意一台锅炉有异常,都将影响整套电站的运行(第二代余热发电技术同样很好地解决了这个问题)。

(5) 第一代余热发电技术由于采用低压低温蒸汽,电站所需要的管道规格及冷却水系统设备相对较大,单位KW装机投资也普遍高于第二代余热发电技术(同样条件下约提高百分之十以上)。

5.2第二代纯余热发电技术

技术要点:利用水泥窑窑尾预热器排出的350℃以下废气设置一台窑尾预热器余热锅炉(简称SP锅炉)或同时利用窑尾C2级预热器内筒设置过热器;利用熟料冷却机排出的400℃以下废气设置一台熟料冷却机废气余热锅炉(简称AQC炉),或者通过改变窑头熟料冷却机废气排放方式:利用熟料冷却机排出的部分360℃以下废气设置一台AQC余热锅炉、利用熟料冷却机排出的部分500℃以下废气设置一台熟料冷却机废气余热过热器(简称ASH过热器);将AQC炉排出的废气部分或全部返回冷却机,窑头熟料冷却机冷却风采用循环风方式;利用两台锅炉或者增设的余热过热器设置补汽式蒸汽轮机,发电系统主蒸汽参数为1.57~3.43MPa—340~435℃、补汽参数为0~0.15MPa—饱和~160℃、余热发电能力为3140kJ/kg熟料——38~42kwh/t熟料。

对于上述技术要点,构成第二代水泥窑纯低温余热发电技术的基本要素为:

(1)冷却机采用多级取废气方式,为电站采用相对高温高压主蒸汽参数及实现按废气温度将废气热量进行梯级利用创造条件;

(2)电站热力系统采用1.57~3.43MPa—340~435℃相对高温高压主蒸汽参数,为提高余热发电能力提供保证;

(3)汽轮机采用多级混压进汽(即补汽式)汽轮机,为将180℃以下废气余热生产的低压低温蒸汽转换为电能提供手段;

(4) 利用C2级旋风筒内筒至C1级旋风筒入口的450~600℃废气设置蒸汽过热器,使其一方面C1级旋风筒入口的废气温度仅需降低8~12℃(是水泥生产所允许的同时不会增加熟料热耗),另一方面通过设置的C2级旋风筒内筒过热器可使SP炉独立生产主蒸汽,有利于提高余热发电能力及增加电站生产运行管理的灵活性、稳定性;

(5) 窑头熟料冷却机冷却风采用循环风方式,即将AQC炉出口废气部分或全部返回冷却机,这样可以提高窑头熟料冷却机废气余热回收率并同时可以提高窑头AQC炉进口废气温度从而进一步提高发电量。

第二代纯余热发电技术是大连易世达能源工程有限公司的专利技术,专利保护范围:主蒸汽参数1.57~3.82Mpa次中压或中压----饱和温度至450℃过热蒸汽,窑头熟料冷却机两个及两个以上用于生产蒸汽的取废气口,熟料冷却机循环风技术,窑尾C2级预热器内筒过热器技术。热力系统构:针对第一代纯余热发电技术的特点及存在的问题,分析水泥窑废气温度及废气热量的分布情况如下:

不带余热发电时的废气温度及热量分布图,见图4;

第一代余热发电的废气温度及热量分布图,见图5;

第二代余热发电的废气温度及热量分布图,见图6;

根据上述废气温度及热量分布,发电系统完全有条件采用中温中压主蒸汽参数,实际应用的两种第二代余热发电热力系统分别见图7、图8

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第二代余热发电技术采用的主要技术措施:

(1)改变抽取窑头熟料冷却机废气方式,即在靠冷却机进料端(热端)设置一抽取400~600℃废气的抽废气口,同时在冷却机中部设置抽取260~360℃废气的抽废气口。根据废气温度,利用400~600℃抽废气口抽出的废气设置ASH蒸汽过热器,用于调整控制汽轮机进汽温度;利用260~360℃抽废气口抽出的废气设置AQC炉生产1.57~3.82Mpa次中压或中压饱和蒸汽并同时生产0.1~0.5Mpa饱和温度至180℃的低压低温蒸汽、85~200℃热水。

(2)在利用窑尾预热器系统最终(C1级旋风筒出口)排出的300~350℃废气的同时,利用C2级旋风筒内筒至C1级旋风筒入口的450~600℃废气设置蒸汽过热器。这样:一方面C1级旋风筒入口的450~600℃废气温度仅降低20~25℃,是水泥生产所允许的同时不会增加熟料热耗;另一方面,通过设置的C2级旋风筒内筒过热器使SP炉可生产1.57~3.82Mpa次中压或中压饱和温度至450℃的过热蒸汽,见图8。目前这项技术已在1600t/d窑3000kw纯低温余热电站系统顺利通过实验考核运行。

(3)为了提高窑头熟料冷却机废气余热回收率以提高窑头AQC炉进口废气温度从而进一步提高发电量,窑头熟料冷却机冷却风采用循环风方式,即将AQC炉出口废气部分或全部返回冷却机。目前这项技术也已在1600t/d窑3000kw纯低温余热电站系统顺利通过实验考核运行。

对于第二代余热发电技术的上述(2)、(3)项措施,根据工程实际情况,即可以同时采用,也可以采用其中的某一项,也可以两项都不采用。是否采用上述(2)、(3)项措施,对余热电站实际发电能力有10~15%的影响。

第二代水泥窑纯余热发电技术能够取得的效果:

前述三个措施使第二代水泥窑纯余热发电热力循环系统及废气取热方式,在不影响水泥熟料热耗、满足原燃料烘干所需温度210℃及燃料烘干、不改变水泥生产工艺及设备、不影响水泥窑生产的条件下:其一,余热可以同时生产次中压或中压饱和至450℃的过热蒸汽、0.1~0.5Mpa饱和至180℃的低压低温蒸汽、85~200℃热水;其二,最重要的是:热力循环系统可以采用次中压中温或中压中温参数,提高了热力循环系统效率,在充分利用水泥窑不同废气温度的余热的同时,实现了热量根据其温度进行梯级利用的原理;其三,第二代水泥窑纯余热发电热力循环系统、循环参数及废气取热方式使水泥窑废气余热按其质量最大限度地转换为了电能,从而使余热发电能力比目前普遍采用的第一代水泥窑纯余热发电技术得以大幅提高,吨熟料发电能力实际可达到750Kcal/Kg---38~42kwh/t。同第一代纯低温余热发电技术相比,在熟料热耗及建设投资额不变的前提下,吨熟料余热发电能力提高14.5%~31.25%;其四,解决了第一代水泥窑纯余热发电技术由于低压低温蒸汽而对水泥窑生产的波动性适应较差、蒸汽温度不可调整、两台锅炉给水系统串连从而互相影响等系统问题,并为降低电站单位KW装机投资创造了条件。

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5.3带补燃锅炉的低温余热发电技术

技术要点:主要是利用窑尾预热器的300~350℃废气余热及窑头熟料冷却机的300~400℃废气余热生产高压饱和蒸汽及高温热水,通过补燃锅炉将蒸汽量、蒸汽压力、蒸汽温度调整至汽轮机所需要的参数;其次是利用熟料冷却机200℃左右的废气生产低压饱和蒸汽及120℃左右的热水,为锅炉给水除氧并取代汽轮机回热抽汽,降低汽轮机的发电汽耗率。热力系统构成模式如下:

A.水泥窑;D.汽轮机;E.发电机;F.冷凝器;G.凝结水泵;I.除氧器;J.锅炉给水泵;K.篦冷机;L.篦冷机废气余热锅炉(AQC炉);M.分解炉及预热器;N.SP余热锅炉;P.补燃锅炉;R.窑尾高温风机

5.4两代纯余热发电技术发电能力的比较

5.4.1前提条件

为了科学实用地得出比较结论,做如下假设:

水泥窑5500 t/d熟料产量,热耗小于750kcal/kg,生料烘干温度210℃;

窑尾废气参数353600Nm/h---330℃,出锅炉废气参数353600Nm/h---210℃;

窑头冷却机废气参数310000Nm3/h---290℃,出锅炉废气参数310000Nm3/h---100℃;

不考虑粉尘、散热、漏风、排污等因素;

发电机效率为96.5%;

第二代技术主蒸汽参数2.29Mpa—380℃(仅冷却机为双取风、汽轮机为补汽式),第一代技术主蒸汽参数0.98Mpa—310℃。

5.4.2比较过程

比较及计算过程见下表:

参数名称

第一代技术

第二代技术(仅冷却机为双取风、汽轮机为补汽式)

汽机主进汽参数

0.98MPa-310℃

2.29MPa-380℃

汽机补汽参数

不补汽

0.15MPa-150℃

SP 锅炉

进口废气参数

353600Nm3/h-330℃

353600Nm3/h-330℃

主蒸汽参数

26.89t/h-1.08MPa-320℃

27.295t/h-2.5MPa-饱和

给水参数

26.89t/h-164℃

27.295t/h-100℃

出口废气参数

353600Nm3/h-210℃

353600Nm3/h-210℃

AQC 锅炉

进口废气参数

192500Nm3/h-392℃

192500Nm3/h-335℃

出口废气参数

192500Nm3/h-90℃

90℃192500Nm3/h-

主蒸汽参数

20.6t/h-1.08MPa-320℃

13.71t/h-2.5MPa-饱和

给水参数

20.6t/h-164℃

13.71t/h-100℃

低压蒸汽参数

5t/h-0.25MPa-160℃

低压蒸汽段给水参数

5t/h-100℃

热水段出水参数

47.49t/h-164℃

46.005t/h-104℃

热水段给水参数

47.49t/h-38℃

46.005t/h-38℃

ASH 过热器

进口废气参数

67500Nm3/h-500℃

进口蒸汽参数

41.005t/h-2.45MPa-饱和

出口蒸汽参数

41.005t/h-2.4MPa-390℃

出口废气参数

67500Nm3/h-326℃

汽轮机

主进汽量

47.49t/h

41.005t/h

补汽进汽量

5t/h

排汽压力

0.007MPa

0.007MPa

理论计算发电能力

8806KW

10101KW

理论计算发电机功率

8498KW

9748KW

实际发电机功率

7800KW

8880KW

汽机排汽量

47.49t/h

46.005t/h

25/33℃循环水量

3205t/h

3105t/h

v=30m/s汽机主蒸汽管道内径

389mm

264mm

v=30m/sSP炉蒸汽管道内径

293mm

160mm

v=30m/sAQC炉主蒸汽管内径

256mm

113mm

吨熟料发电量(理论计算)

37KWh

42.5KWh

吨熟料实际发电量

34KWh

38.7KWh

5.4.3主要结论:

根据上表,发电能力的比较结论如下:在各台余热锅炉进口废气温度、出口废气温度相同的条件下,由于第二代纯余热发电技术实现了水泥窑废气余热按其温度梯级利用,其发电能力比第一代提高14.5%~31.25%;

5.4.4产生发电能力差异的原因

产生发电能力差异的根本原因是两类纯余热发电技术采用的主蒸汽参数不同,其中:第一代纯余热发电技术采用的是0.69~1.57MPa-饱和~340℃低压低温主蒸汽,而第二代纯余热发电技术采用的是1.6~3.82MPa-饱和~450℃中压中温或次中压中温主蒸汽。遵循的理论基础仍然是根据热力学热力循环基本理论得出的提高火力发电厂循环效率为如下的四点结论:a提高初参数(即汽轮机主蒸汽进口的蒸汽压力和温度),即提高循环参数或称主蒸汽压力和温度;b降低终参数,即降低汽轮机的排汽压力和温度;c采用在汽轮机不同压力级分别抽出不同压力的适量蒸汽用于逐级加热锅炉给水以提高锅炉给水温度的回热循环;d采用在汽轮机某个压力级将蒸汽全部抽出后将蒸汽全部回至锅炉继续加热升温,再将其回至汽轮机的再热循环。由于余热发电热源的特点,上述四点结论中的回热循环及再热循环不适用于水泥窑纯余热发电技术。

提高初参数的作用,以温度为例:1000kcal/h的热量,如果温度是1000℃(如1kg/h、1000℃的热水),理论上可以转换为0.9135Kw的电力;同样是1000kcal/h的热量,如果温度是100℃(如10kg/h、100℃的热水),理论上可以转换为的电力只有0.3118Kw。

5.5两代纯余热发电技术的其它方面比较

除了发电能力外,第二代纯余热发电技术在如下三个方面也优于第一代:

(1)第二代纯余热发电技术可以解决第一代纯余热发电技术主蒸汽温度不能调温的问题;

(2)由于第二代余热发电技术采用相对高压、高温主蒸汽,其蒸汽及水管道、汽轮机体积、循环冷却水量等均小于第一代纯余热发电技术,因此对于同一条水泥窑来讲:第二代余热发电技术虽然发电能力高但其单位Kw装机投资却低于第一代技术;

(3)因采用较高的主蒸汽压力和温度,为汽机采用大范围变化主蒸汽压力和温度的滑参数运行创造了条件(当设计采用主蒸汽压力和温度为2.29MPa-370℃时,实际运行变化范围可以达到1.27~2.47Mpa、325℃~400℃);而第一代纯余热发电技术的汽轮机主蒸汽压力和温度允许变化范围则要小得多(当设计采用主蒸汽压力和温度为0.98MPa-310℃时,实际运行变化范围只能达到0.69~1.27Mpa、290℃~330℃)。因此,第二代纯余热发电技术在可提高余热发电能力的同时,由于主蒸汽参数允许运行变化范围比第一代技术大得多,发电系统的运转率、可靠性、对水泥窑生产波动的适应性也将比第一代技术好的多。

上述三点已在山水集团余热电站调试及试运行中得以充分证明。

六、行业中关心或有疑问的问题

6.1问题

对于上述两代纯余热发电技术,行业中关心或有疑问的问题有如下几方面(1)对水泥生产是否有影响(如:物料烘干,窑系统的操做等)?

(2)对热耗的影响即对入炉三次风和入窑二次风是否有影响?

(3)对熟料冷确效果是否有影响?

(4)对水泥熟料生产波动的适应性?

相对于第一代技术,对第二代技术关心或有疑问的特殊问题:

(1)除了发电能力外,其它方面是否比第一代更可靠?

(2)国外先进工业国家为何在中国采用低压低温参数?

根据近年已投产的余热电站生产运行及山东山水公司、浙江兴宝龙水泥公司余热电站调试试生产情况,上述问题已不再是问题。对于国外先进工业国家为何在中国采用低压低温蒸汽参数,首先国际上还没有新的热力循环理论产生,其次在国外先进工业国家本土及其在台湾等地区建成的水泥窑余热电站,基本上采用的都是中压中温或次中压中温主蒸汽参数,因此,这个问题是难以得出答案的。

6.2对水泥生产的影响

水泥窑余热发电应遵循的基本原则为:不影响水泥生产、不增加水泥熟料热耗及电耗、不改变水泥生产用原燃料的烘干热源、不改变水泥生产的工艺流程及设备。

目前水泥窑配套建设余热电站,可以做到不增加水泥熟料热耗及电耗、不改变水泥生产用原燃料的烘干热源、不改变水泥生产的工艺流程及设备。但无论是利用第一代还是第二代余热发电技术建设的余热电站,余热电站投入运行后对水泥生产总会是有一些影响的,这些影响有的是正面有的是负面,而且两代余热发电技术对水泥生产的影响基本是相同的,其主要为:

(1)窑尾高温风机:在窑尾SP锅炉漏风控制、结构设计、受热面配置、清灰设计、除灰设计、废气管道设计合适的条件下,电站投入运行后,窑尾高温风机负荷将有所降低。

(2)增湿塔:将随着电站的投入或解出调整喷水量,直至停止或全开喷水。

(3)生料磨及煤磨:随着电站的投入或解出,烘干废气温度将产生较大幅度的变化,需要根据烘干废气温度的变化调整烘干废气量或磨的运行方式。

(4)窑尾电收尘:如果窑尾采用电收尘,电站投入运行后对其收尘效果总是有影响的,只是由于地区不同、配料不同、燃料不同或其它条件不同,对收尘效果的影响程度不同。但当窑尾采用袋收尘时,电站投入运行对提高收尘效果是有显著作用的。

(5)熟料冷却机废气排风机:冷却机配套余热锅炉后对冷却机废气排风机的影响是没有规律的:有的冷却机反映废气排风机能力够,有的反映不够;有的反映废气排风机功率上升,有的反映下降。这种情况虽然与冷却机原设计配置的废气排风机能力有关,但主要还是与冷却机余热锅炉及冷却机余热锅炉配置的废气管道系统有直接关系。

冷却机废气排风机能力不够的现象不是由风机本身直接反映出来的。由于冷却机进入余热锅炉的废气量是可调整的,在实际生产运行中,当发现冷却机废气排风机能力不够时,一般是通过调整(减少)进入余热锅炉废气量的方式来满足排风机的运行。也就是通过减少发电量的方式来满足排风机的运行,或者说是以发电量不足的现象掩盖了排风机能力不够的矛盾。这是需要注意也是有经济帐可算同时也是需要各个工厂根据自己的实际情况分析、判断、解决的问题。

(6)窑头电收尘器:电站投入运行后,窑头电收尘器工作温度大为降低,粉尘负荷也相应降低。

(7)窑系统操作:由于窑系统增加了两台余热锅炉,而余热锅炉废气不但取自还要送回水泥窑系统,因此势必需要增加窑系统窑头、窑尾、废气处理、生料粉磨、煤制备系统的操作环节。

6.3其它几个问题

(1)并网问题:

(2)电站与水泥生产线同步建设时电站设计与水泥生产线设计的配合问题:

(a)变压器容量:

(b)电气系统:

(c)水系统:

(d)煤磨烘干热源:

(e)冷却机:

(3)装机容量问题:

(4)关于不同地区的发电热力系统构成问题:

(5) 关于废气参数的确定问题:

(6)关于汽轮机及补汽问题:(7)关于锅炉的主要问题:

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七、关于第三代技术

对于上述第二代纯余热发电技术,我们根据调试及试生产所取得的初步经验并进一步分析水泥生产工艺过程及废气温度、废气热量分布情况,我们目前已研究开发成型第三代纯余热发电技术,其目标为:对于带有5级预热器的新型干法窑其余热发电能力在保证满足生料烘干所需废气温度为210℃、煤磨烘干所需废气参数、不影响水泥生产、不增加水泥熟料烧成热耗及电耗、不改变水泥生产用原燃料的烘干热源、不改变水泥生产的工艺流程及设备的条件下,每吨熟料余热发电量达到或超过750kcal/kg-48~52.5kwh(对于5000t/d水泥窑,发电机组可为10000~12000KW),这一目标是理论分析实际可能达到的最高目标。目前我们已在国内一条5000t/d、一条3200t/d、一条2500t/d水泥窑余热发电的设计上采用这项技术并已进入实施阶段。

八、不同规格水泥窑纯低温余热发电概况

8.1第二代余热发电技术

8.1.1 1300t/d级水泥生产线纯低温余热电站

指标名称

数值

备注

窑尾废气参数:

84000~93000Nm3/h-320~350℃

窑头废气参数:

70000~76000Nm3/h-230~300℃

水泥窑熟料产量:

1300t/d

设计发电功率:

2.0~2.5MW

电站年运行小时数:

6840h(水泥窑7200h)

电站自用电率:

6~7%

全站劳动定员:

17人

主 机

设 备

窑头余热AQC炉及过热器

1套

窑尾余热SP炉及过热器

1套

汽轮机组:

1台

发电机组:

1台

8.1.2 2500t/d级水泥生产线纯低温余热电站

指标名称

数值

备注

窑尾废气参数:

161000~176000Nm3/h-320~350℃

窑头废气参数:

135000~145000Nm3/h-220~300℃

水泥窑熟料产量:

2500t/d

设计发电功率:

4.0~5.0MW

电站年运行小时数:

6840h(水泥窑7200h)

电站自用电率:

6~7%

全站劳动定员:

17人

主机

设备

窑头余热AQC炉及过热器

1套

窑尾余热SP炉及过热器

1套

汽轮机组:

1台

发电机组:

1台

8.1.3 3200t/d级水泥生产线纯低温余热电站

指标名称

数值

备注

窑尾废气参数:

206000~226000Nm3/h-300~350℃

窑头废气参数:

170000~187000Nm3/h-200~290℃

水泥窑熟料产量:

3200t/d

设计发电功率:

5.4~6.0MW

电站年运行小时数:

6840h(水泥窑7200h)

电站自用电率:

6.0~7.0%

全站劳动定员:

17人

主机

设备

窑头余热AQC炉及过热器

1套

窑尾余热SP炉及过热器

1套

汽轮机组:

1台

发电机组:

1台

8.1.4 5000 t/d级水泥生产线纯低温余热电站

指标名称

数值

备注

窑尾废气参数

322000~354000Nm3/h-300~350℃

窑头废气参数

270000~292000Nm3/h-200~280℃

水泥窑熟料产量

5000t/d

设计发电功率:

8.0~10.0MW

电站年运行小时数:

6840h(水泥窑7200h)

电站自用电率:

5.5~6.5%

全站劳动定员:

17人

主 机

设 备

窑头余热AQC炉及过热器:

1套

窑尾余热SP炉及过热器:

1套

汽轮机组:

1台

发电机组:

1台

8.2不同规格水泥窑纯低温余热发电概况(第三代余热发电技术)

8.2.1 1300t/d级水泥生产线纯低温余热电站

指标名称

数值

备注

窑尾废气参数:

84000~93000Nm3/h-320~350℃

窑头废气参数:

70000~76000Nm3/h-230~300℃

水泥窑熟料产量:

1300t/d

设计发电功率:

2.5~3.0MW

电站年运行小时数:

6840h(水泥窑7200h)

电站自用电率:

6~7%

全站劳动定员:

17人

主 机

设 备

窑头余热AQC炉及过热器

1套

窑尾余热SP炉及过热器

1套

汽轮机组:

1台

发电机组:

1台

8.2.2 2500t/d级水泥生产线纯低温余热电站

指标名称

数值

备注

窑尾废气参数:

161000~176000Nm3/h-320~350℃

窑头废气参数:

135000~145000Nm3/h-220~300℃

水泥窑熟料产量:

2500t/d

设计发电功率:

5.0~6.0MW

电站年运行小时数:

6840h(水泥窑7200h)

电站自用电率:

6~7%

全站劳动定员:

17人

主机

设备

窑头余热AQC炉及过热器

1套

窑尾余热SP炉及过热器

1套

汽轮机组:

1台

发电机组:

1台

8.2.3 3200t/d级水泥生产线纯低温余热电站

指标名称

数值

备注

窑尾废气参数:

206000~226000Nm3/h-300~350℃

窑头废气参数:

170000~187000Nm3/h-200~290℃

水泥窑熟料产量:

3200t/d

设计发, 电功率:

6.0~7.5MW

电站年运行小时数:

6840h(水泥窑7200h)

电站自用电率:

6.0~7.0%

全站劳动定员:

17人

主机

设备

窑头余热AQC炉及过热器

1套

窑尾余热SP炉及过热器

1套

汽轮机组:

1台

发电机组:

1台

8.2.4 5000 t/d级水泥生产线纯低温余热电站

指标名称

数值

备注

窑尾废气参数

322000~354000Nm3/h-300~350℃

窑头废气参数

270000~292000Nm3/h-200~280℃

水泥窑熟料产量

5000t/d

设计发电功率:

10.0~12.0MW

电站年运行小时数:

6840h(水泥窑7200h)

电站自用电率:

5.5~6.5%

全站劳动定员:

17人

主 机

设 备

窑头余热AQC炉及过热器:

1套

窑尾余热SP炉及过热器:

1套

汽轮机组:

1台

发电机组:

1台

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