試論水泥窯余熱回收發(fā)電技術現(xiàn)狀、問題及其發(fā)展

　　一、水泥窯余熱發(fā)電以其良好的經(jīng)濟性和環(huán)境效益而快速發(fā)展
　　1、發(fā)展勢頭迅猛
　　隨著國內(nèi)技術和設備日臻成熟，近年來新型干法水泥窯余熱發(fā)電迅速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計^[1]，到2009年底有498條新型干法熟料生產(chǎn)線余熱發(fā)電投運，總裝機容量3317MW，預計2010年底將有687條新型干法熟料生產(chǎn)線配置余熱發(fā)電系統(tǒng)，裝機容量將達到4785MW。容量超過三峽電站總裝機的四分之一，而發(fā)電量超過三峽電站的三分之一。水泥余熱發(fā)電的快速發(fā)展得益于其良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

　　2、  經(jīng)濟效益

表1 5000t/d熟料生產(chǎn)線能源消耗情況及余熱發(fā)電影響

　　表1為配備余熱發(fā)電系統(tǒng)的某廠5000t/d線能源消耗組成，噸熟料發(fā)電的影響，以及對水泥廠的貢獻。當噸熟料發(fā)電34kWh/t.cl時，發(fā)電回收電能占總能耗(電能與燃煤熱能之和)比例不大，只有3.75%，但是余熱發(fā)電可以滿足水泥廠用電的一半以上，在能源采購成本中占有19.46%的份額，這與電能的高品位相一致。

　　當噸水泥熟料發(fā)電量由34kWh/t.cl提高到42kWh/t.cl時，發(fā)電對熟料的能源采購成本貢獻將由19.46%提高到25.19%，可見改善余熱發(fā)電性能，提高發(fā)電的重要性和必要性。表2為某配置余熱發(fā)電的5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線能源實際消耗狀況及其核算。

　　投資余熱發(fā)電，一半3～4年可回收投資。據(jù)估算^[2]，2008年水泥行業(yè)余熱發(fā)電全年利潤總額285億元，創(chuàng)造的經(jīng)濟效益約33億元，占總行業(yè)利潤總額的11.6%。

　　3、  環(huán)境效益明顯
　　水泥余熱發(fā)電的環(huán)境效益主要體現(xiàn)在二個方面，首先以電力形式回收余熱，實現(xiàn)SO₂、CO₂、NO_x等氣體的排放；其次由于回收水泥部分余熱量，直接減少了排入環(huán)境的熱量，減少了熱污染。

　　水泥窯利用余熱發(fā)電滿足生產(chǎn)線供電需求，相當于減少了發(fā)電燃煤，減少了燃煤產(chǎn)生的SO₂、CO₂、NO_x等有害氣體的對大氣的污染。2008年水泥行業(yè)利用余熱發(fā)電量按71億kWh計^[2]，則全年減排CO₂707萬噸，SO₂21萬噸，NO_x11萬噸，粉塵193萬噸。

　　同時，水泥廢氣經(jīng)過余熱發(fā)電回收部分熱量，排入大氣熱量減少，少向環(huán)境排放約15%的窯頭和窯尾總余熱。

　　二、存在的問題
　　水泥余熱發(fā)電對于水泥生產(chǎn)貢獻良多，經(jīng)濟和環(huán)境成效顯著，但也存在一些問題，主要表現(xiàn)在：

　　1、  發(fā)電量高低差異明顯
　　余熱發(fā)電系統(tǒng)可以隨熟料生產(chǎn)線運轉而運轉，即與熟料幾乎保持同步，可靠性高。但負荷率較低，一般在60～80%之間?？紤]到余熱發(fā)電機組沒有燃燒系統(tǒng)，同時發(fā)電不受電網(wǎng)調(diào)度限負荷，按能力發(fā)電，故與電力行業(yè)燃煤發(fā)電機組比較，差距明顯。

某水泥廠能源消耗狀況

　　 發(fā)電量低，不僅發(fā)電低于目標值或保證值，而且小于裝機容量。

　　目前噸熟料發(fā)電量大多在30～38 kWh/t.cl之間，有些更低些。如5000t/d的熟料生產(chǎn)線，

　　普遍裝機為9或10MW，實際熟料生產(chǎn)量一般高于名義產(chǎn)量10%以上，按5600t/d計算，則保證發(fā)電功率為7.933MW；而相當部分機組最大發(fā)電小于7.5MW，按平均發(fā)電計算7kW計算，則發(fā)電為30kWh/t.cl，如果按平均發(fā)電6.5MW計算，則27.9kWh/t.cl，與理論計算值38～42 kWh/t.cl，比較尚有較大的差距。

　　發(fā)電高低差異原因有三：

　　第一發(fā)電水泥余熱熱源差別。以5000t/d熟料生產(chǎn)線為例，由于熟料配比、燃煤的因素，生料預熱器出口煙氣溫度具有一定差值，通常在330～300℃之間，甚至更低；而煙氣量也不同，有些高達37萬Nm³,有些只有31.5萬Nm³；而生料粉磨系統(tǒng)不同，烘干所需的煙氣溫度也不完全相同，綜合以上因素，相同標稱產(chǎn)量的熟料生產(chǎn)線提供的余熱發(fā)電可利用熱能可以相差30%。表3為有關因素對對余熱發(fā)電量影響的評估表，其中以熟料特性和燒成系統(tǒng)影響為大。

　　如果由于可利用熱能不足而使發(fā)電低，無法滿足設置的裝機容量，則顯然設備閑置，造成浪費，相應維護費用升高。如5000t/d熟料生產(chǎn)線可利用熱能只能滿足6.5～7MW，按7.5MW而不是9MW配置發(fā)電機組，簡單計算，相差16.7%的裝機容量和相應的投資，而如果按7MW配置機組，則相差更大，為22.2%。

　　第二，技術能力存在差異。換言之各服務商在熱源利用，發(fā)電系統(tǒng)擬合，設備選型，平面布置等方面存在區(qū)別和差異，不僅造成發(fā)電量差異，而且也將直接對投資、設備性能、可靠性以及維護等諸多方面產(chǎn)生影響，此外運營維護人員也亦參差不齊。

　　第三，運營商差異。有些企業(yè)把關較好，而有些不是以技術方案、性價比、實力等為重要考察要素，而是單純以報價、以報出噸熟料發(fā)電量來評判服務商，并作為招標的依據(jù)，如此出現(xiàn)發(fā)電量低等問題就不足為奇了。

表3 影響余熱發(fā)電量因素評估

　　2、簡單追求噸熟料發(fā)電量或噸熟料熱耗
　　部分水泥企業(yè)片面追求發(fā)電量，并以噸熟料發(fā)電量指標的高低評判發(fā)電服務商。而部份服務商為迎合水泥企業(yè)的意愿，在廢氣取氣點上做文章，手段主要是與二三次風爭風搶熱或利用其它高溫熱能。其結果是可能發(fā)電量提高了，但是單位熟料熱耗也提高了。

　　恰恰相反，有些企業(yè)不斷追求噸熟料熱耗的降低，和沒有配置余熱發(fā)電系統(tǒng)時一樣。如某水泥廠，熟料熱耗下降了15 kJ/kg.cl，但是余熱發(fā)電也由7000～8000kW降到了4000～4500kW。

　　這兩種現(xiàn)象具有一定的普遍性，均追求局部效益，而未考慮整體，有失偏頗，不可取。余熱發(fā)電作為水泥熟料生產(chǎn)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，其與燒成系統(tǒng)在目標本質上是統(tǒng)一的，需要服從于總能耗最小原則，而局部最優(yōu)不一定整體最優(yōu)。

　　3、重視發(fā)電量而忽視供電量
　　眾所周知，有三個考察火力發(fā)電站經(jīng)濟性的指標，發(fā)電煤耗、供電煤耗和自用電率，這三者并不獨立，由發(fā)電煤耗和廠用電率決定了供電煤耗，供電煤耗為機組或發(fā)電站能源利用水平的衡量指標，既用于不同機組之間用能評判，也用于同一機組綜合評判，企業(yè)、行業(yè)用其進行比較和統(tǒng)計。

　　類似地，余熱發(fā)電站在強調(diào)發(fā)電量時不能忽略自用電，衡量發(fā)電站貢獻的是向外界提供了多少電能，而不是發(fā)了多少電能。事實上，有些供應商選擇一些能耗高價格低的設備，發(fā)電站自用電量升高，當然供電量下降。因此，噸熟料供電量比噸熟料發(fā)電更全面，考核和統(tǒng)計更合適。

　　4、以噸熟料發(fā)電量評價余熱發(fā)電系統(tǒng)不夠全面
　　噸熟料發(fā)電量由于簡單和直觀而被大量使用，但其難以實現(xiàn)不同生產(chǎn)線間發(fā)電系統(tǒng)比較，也難以較好反映發(fā)電系統(tǒng)的完善程度?；\統(tǒng)的說噸熟料發(fā)電高，則“發(fā)得好”，噸熟料發(fā)電低，則“發(fā)得不好”，則又不夠全面。

　　規(guī)模相當?shù)乃嗑€，所配置余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量差別很大，如5000t/d線，有些發(fā)電8500kW，有些只有7000kW，差別明顯。如果單純以噸熟料發(fā)電來說二者相差明顯，似乎高下立判。前已述及，對相同熟料生產(chǎn)能力的不同生產(chǎn)線，所配置的SP鍋爐可利用熱能，可能相差30%。對于本例，如果發(fā)電7000kW的機組可利用熱能比8500kW的機組低20%，則應是7000kW機組“發(fā)得好”，所以噸熟料指標難以全面衡量熱能利用狀況。

　　眾所周知，余熱發(fā)電受可利用余熱質量的影響非常大，其次與發(fā)電系統(tǒng)的技術水平和運行維護相關。關于可利用余熱資源的質量，對窯頭余熱，可用兩個參數(shù)即可利用熱空氣量和溫度表示；對于窯尾余熱，可以以C1筒出口溫度和煙氣量，以及高溫風機入口需要煙氣溫度等三個參數(shù)基本決定，如果更準確些，則需要增加煙氣分組。余熱資源與熟料性質和配比、燃煤性質，燒成工藝，生料和燃煤粉磨系統(tǒng)配置，實際熟料產(chǎn)量，熟料燒成等系統(tǒng)的運行維護水平，以及其它要素的影響，這些要素為非發(fā)電系統(tǒng)本身要素。各因素及其影響相對大小見表3。

　　對給定的水泥生產(chǎn)線，如具有相同的噸熟料發(fā)電量，由于自用電不同，對外的供電也將不同，所以“發(fā)得好”固然重要，但是“供得好”更重要。

　　以噸熟料發(fā)電評判余熱發(fā)電系統(tǒng)，不科學，不完整，難以準確全面比較不同發(fā)電系統(tǒng)，因為其受許多余熱發(fā)電系統(tǒng)之外的因素影響。考察評價余熱發(fā)電系統(tǒng)，應摒棄除非發(fā)電系統(tǒng)要素，從發(fā)電系統(tǒng)本身出發(fā)。當然投資的差異，也會對發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

　　需要說明，噸熟料發(fā)電量這一指標以其簡單直觀而具有固有的優(yōu)勢，可以使用在同一條線的不同方案比較，以及同一條線的不同時間段發(fā)點狀況的比較，也可以用在各水泥廠的統(tǒng)計以及行業(yè)統(tǒng)計。

　　三、水泥余熱發(fā)電的發(fā)展方向
　　1、  加大研究力度，提高對熱源特性的把握
　　水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)負荷率不高，一般為裝機的60～80%之間，考慮到余熱發(fā)電機組沒用燃燒系統(tǒng)，同時沒有調(diào)度限負荷，而是按能力發(fā)電，因此與電力系統(tǒng)火電機組比較，差距明顯。其原因較多，但莫過于對熱源特性認識掌握不足，有照葫蘆畫瓢之嫌。一些水泥發(fā)電服務商開展了篦冷機工作特性研究，在此基礎上對不同AQC鍋爐取熱方式進行了不同優(yōu)化，等等，但是從整個行業(yè)來看，仍然需要加強繼續(xù)努力，加強在下列方面的研究工作：

　　1）  篦冷機工作特性的研究；
　　2）  AQC鍋爐不同取風方式對篦冷機影響的研究；
　　3）  懸浮預熱器出口煙氣量和煙氣溫度的影響因素研究；
　　4）  余熱鍋爐和燒成系統(tǒng)的能量耦合和優(yōu)化研究。

　　2、熟料燒成和余熱發(fā)電作為一個整體，通過用能協(xié)調(diào)優(yōu)化，追求整體能耗最小
　　余熱發(fā)電對水泥熟料生產(chǎn)為較新的系統(tǒng)，為水泥熟料生產(chǎn)的必要配置和附屬系統(tǒng)，回收熟料燒成余熱，降低水泥熟料能耗。因此，簡單追求熟料燒成熱耗或余熱發(fā)電量都有失偏頗，更不用說水泥燒成和余熱發(fā)電爭風搶熱，甚至完全對立了。

     配置余熱發(fā)電后，必然對水泥熟料燒成產(chǎn)生影響。窯頭鍋爐的阻力使頭排風機電耗增大，窯頭鍋爐的降溫使頭排風機電耗減小，窯頭鍋爐設置而使漏風增加。在窯尾，煙氣由增濕塔改走余熱鍋爐，無疑阻力增大，漏入空氣量增多，但是不用噴水。凡此種種，必然影響頭排風機和高溫風機工作，影響其電耗。同時窯頭鍋爐和二三次風等存在爭風搶熱現(xiàn)象。所有這些影響，在招標和設計中均應予以充分考慮。

　　同時余熱發(fā)電系統(tǒng)的本身用電需要引起重視，再設計和考核中應納入其中。

　　所以，對于配置了余熱發(fā)電的水泥熟料燒成系統(tǒng)，理應考察熟料生產(chǎn)總體能耗，包括燃煤消耗，輔機電耗（或水泥生產(chǎn)電耗）和余熱發(fā)電回收電能，三者的代數(shù)和最小，即包括熟料生產(chǎn)系統(tǒng)綜合能耗最小。但對企業(yè)，單位熟料能源采購費用最小也很重要。

　　1）單位熟料綜合能耗
　　單位綜合能耗E_intg定義為

　　其中W_xons為包括余熱發(fā)電系統(tǒng)在內(nèi)的熟料生產(chǎn)系統(tǒng)電耗，kW；
　　　　W_wrhg為余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率，kW；
　　?。ɑ蛘遅_xons為不包括發(fā)電系統(tǒng)的熟料生產(chǎn)電耗，kW；W_wrhg為余熱發(fā)電系統(tǒng)供電功率，kW）
　　　　G_cl為單位時間內(nèi)的熟料產(chǎn)量，kg/s
　　　　Q為單位熟料生產(chǎn)所消耗燃煤具有的熱能，kW。

　　　　（其中G_coal為單位時間內(nèi)消耗原煤量，kg/s，Q_net為燃煤低位發(fā)熱量，kj/kg。）

　　2）  單位熟料能源購置費用

　　其中α為購電成本，元/kWh；
　　　　β為原煤成本，元/t
　　其它參數(shù)同上。

　　3、加強熱力系統(tǒng)配置和優(yōu)化的研究
　　多年來，多家水泥窯余熱發(fā)電技術和設備服務商做了大量的研究工作，不論是在系統(tǒng)優(yōu)化，余熱鍋爐和汽輪機開發(fā)，以及參數(shù)優(yōu)化和選擇，這些工作有力推動了水泥余熱發(fā)電快速發(fā)展，但同時由于市場的快速發(fā)展，在一定程度上也影響研究工作的更深入發(fā)展，所以有必要在以下方向繼續(xù)做好進一步的研究：

　　1）AQC鍋爐和SP鍋爐的協(xié)調(diào)；
　　2）AQC鍋爐熱量利用方式優(yōu)化；
　　3）SP鍋爐與懸浮預熱器熱量優(yōu)化；
　　4）給水除氧系統(tǒng)優(yōu)化；
　　5）循環(huán)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化。

　　4、科學規(guī)范余熱發(fā)電評價指標
　　余熱發(fā)電系統(tǒng)設置，必然會對水泥燒成系統(tǒng)產(chǎn)生影響，除了使水泥廠外購電減少的積極影響外，對窯頭除塵器、頭排風機、煤磨、燒成、高溫風機和生料研磨等環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生作用。

　　如前面所分析的，水泥企業(yè)終極追求為燒成綜合能耗最低或燒成能源購置費用最低。而對獨立的余熱發(fā)電系統(tǒng)，該如何全面評價呢？顯然噸熟料發(fā)電、發(fā)電熱效率等均不夠完整，難以全面評價或衡量其用能效果，也難以對不同水泥余熱發(fā)電裝置間進行比較。為此，應引入發(fā)電（火用）效率、自用電和供電（火用）效率等三個指標。

　　1）  發(fā)電效率
　　對于確定參數(shù)的廢熱，其單位最大做功能力可以用熱力學參數(shù)來表示，回收得到能量即發(fā)電量占可利用廢熱的百分比定義為發(fā)電效率，發(fā)電效率表示了系統(tǒng)對余熱的利用充分程度，可衡量余熱發(fā)電系統(tǒng)和裝置性能，即該系統(tǒng)的電能轉換能力。系統(tǒng)效率為：

　　其中W_gen為通過發(fā)電系統(tǒng)獲得的，即發(fā)電量；
　　　　E_x為發(fā)電系統(tǒng)可利用的外界總。

　　效率與熱效率η的關系為

　　其中E為系統(tǒng)可利用的總能量，其由E_x和無用能E_n兩部分組成；
　　λ為能質系數(shù)，表示在可利用的總能量E中，可以轉化為功即的部分所占份額。

　　2)自用電率
　　余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能，其中的少量被自己消耗，對外輸送電能減少，以自用電率p表示發(fā)電系統(tǒng)自消耗的電能W_cons占所發(fā)出電能W_gen的百分數(shù)；

　　3)供電效率
　　以供電效率表示發(fā)電系統(tǒng)向外界提供的電能占發(fā)電系統(tǒng)可用能的百分比。以效率能夠全面評價余熱發(fā)電系統(tǒng)電能轉換程度。

　　以上三個指標中，自用電率的計算簡單直觀，而發(fā)電效率和供電效率稍抽象，比自用電率和熱效率計算稍復雜，在火力發(fā)電行業(yè)，由于普遍使用煤炭發(fā)電，熱效率大致足夠，所以效率沒有被大量推廣使用，只在某些必要的分析過程使用。但對于余熱發(fā)電系統(tǒng)，熱效率的局限較突出，所以為了全面評價和比較不同熱源的不同發(fā)電系統(tǒng)有必要推廣使用效率。

　　5、余熱發(fā)電模式多樣化
　　先余熱發(fā)電均為常規(guī)模式，即水和水蒸氣的朗肯循環(huán)。無疑，由于水和水蒸氣價格低廉，無毒無污染以及在高位區(qū)段良好的性能而被廣泛采用。但是水泥循環(huán)發(fā)電效率較低，這是由于水泥的工程熱物理特性所決定的，由于水的臨界溫度低而臨界壓力高，同時在環(huán)境溫度下飽和壓力很低，而在低壓下飽和溫度較高，等等，所以目前水蒸氣朗肯最高的循環(huán)效率也只有40%左右，而余熱發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)效率則更低，所以開發(fā)適合發(fā)電的新工質，特別是低溫發(fā)電工質，受到普遍的重視，近數(shù)十年來，利用有機工質朗肯系統(tǒng)發(fā)電，以及其它形式發(fā)電的研究工作正在逐漸展開，主要為HFC-245fa、R123、R113等工質。除了單一工質循環(huán)，采用混合工質如氨水混合物的Klina循環(huán)，充分利用各工質的熱力學特性，為另一個研究方向，據(jù)報道，已在低溫工業(yè)廢熱回收發(fā)電和地熱發(fā)電方面獲得一定的應用[3]。而且國內(nèi)有關大專院校，以及技術服務公司已開始研究或引進相關技術。

　　作為常規(guī)水和水蒸氣工質發(fā)電的必要補充，開展有機熱工質以及其它形式的發(fā)電技術研究，開發(fā)適合水泥余熱，以及其它余熱的發(fā)電工質、技術和設備，對于我們這樣的資源不足，而工業(yè)規(guī)模龐大和種類繁多的大國很有必要。

　　6、余熱回收利用形式多樣化
　　目前水泥廠的余熱利用基本都是采用余熱發(fā)電。無疑，由于電力的清潔，傳輸便捷和發(fā)電系統(tǒng)的相對成熟，以電力形式回收余熱通常具有較大的優(yōu)勢。其實余熱利用可以有多種形式，且各有所長，并非華山自古一條道。除了發(fā)電，可以制冷，采暖，同時部分余熱可以考慮被水泥生產(chǎn)工藝直接回收，各種利用形式也可以互補或存在，而事實上有些單位正在進行有價值的研究和嘗試，且效果明顯。

　　四、結論
　　1、水泥窯余熱發(fā)電以其良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益而獲得快速發(fā)展。

　　2、水泥窯余熱發(fā)電成效顯著，但問題不少，突出表現(xiàn)在由于種種原因而使發(fā)電遠小于裝機容量，沒有充分挖掘余熱資源，或余熱不足造成投資浪費；以及簡單追求噸發(fā)電或水泥熟料熱耗，沒有把二者作為整體，追求整體利益最大；同時對余熱發(fā)電系統(tǒng)的評價也不夠全面和完整。

　　3、為了水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)的更好發(fā)展，需要加強對于熱源特性、熱力系統(tǒng)優(yōu)化和熱源優(yōu)化方面的研究工作，充分挖掘和優(yōu)化利用余熱資源。

　　4、發(fā)電效率、自用電率、供電效率等指標，能夠客觀全面而有效的衡量余熱發(fā)電系統(tǒng)的完善程度。

　　5、水泥余熱發(fā)電為水泥熟料生產(chǎn)的子系統(tǒng)，與熟料燒成等系統(tǒng)組成熟料生產(chǎn)系統(tǒng)，追求水泥熟料綜合熱耗或噸水泥熟料能源成本最小或最滿意，為配置余熱發(fā)電的熟料生產(chǎn)系統(tǒng)目標。

　　6、通過完善水和水蒸氣朗肯循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)，引入其它模式余熱發(fā)電系統(tǒng)，余熱利用多樣化，以及協(xié)調(diào)燒成和余熱發(fā)電用能等手段，降低水泥熟料生產(chǎn)消耗，追求配置余熱發(fā)電的水泥熟料生產(chǎn)企業(yè)收益最大化。

參考文獻
　　[1]曾學敏.與共和國共鑄輝煌——水泥行業(yè)余熱發(fā)電事業(yè)發(fā)展報告，中國水泥，2009.10 18～22
　　[2]曾學敏.余熱發(fā)電再創(chuàng)輝煌，中國水泥網(wǎng)
　　http://www.chinacements.com/news/2009/3-24/C173029625.htm
　　[3]丁力.Kalina循環(huán)及其在電站中的應用，熱能動力工程，1998.11