水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及其效益分析

　　O 概述

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源緊缺的矛盾日趨突出，多個(gè)地區(qū)鬧煤荒、電荒。但我國(guó)在能源使用上又客觀存在著一些不合理的現(xiàn)象，導(dǎo)致能源大量浪費(fèi)。其中最突出的浪費(fèi)是對(duì)能源沒(méi)有“量才而用”，普遍地把煤炭、石油、天然氣等高品級(jí)能源“降級(jí)使用”，只為取得100℃左右溫度較低的熱介質(zhì)，用于采暖、空調(diào)、生活用熱等。同時(shí)，又有大量工業(yè)低溫余熱、廢氣丟棄不用。煤炭、石油、天然氣等高品級(jí)能源均是獲取電能、熱能的源泉，但是它們?cè)谵D(zhuǎn)換成電能、熱能的過(guò)程中，效率不高，且轉(zhuǎn)換過(guò)程中所產(chǎn)生的廢氣余熱、粉塵、有害氣體對(duì)環(huán)境污染很大。這樣的能源使用結(jié)果不僅造成了驚人的能源浪費(fèi)，而且還污染了環(huán)境，給人們的生命健康帶來(lái)了危害。

　　純低溫余熱發(fā)電技術(shù)是利用中低溫的廢氣產(chǎn)生低品位蒸汽，來(lái)推動(dòng)低參數(shù)的汽輪機(jī)組做功發(fā)電。它是當(dāng)前節(jié)能和環(huán)保要求下的必然趨勢(shì)和產(chǎn)物。其與火電發(fā)電相比，不需要消耗一次能源，不產(chǎn)生額外的廢氣、廢渣、粉塵和其他有害氣體，是控制大氣污染，保護(hù)臭氧層，減少能源消耗的有效手段和途徑，也是企業(yè)提高能源利用效率，降低成本，提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，減少CO2氣體排放和保護(hù)環(huán)境的重要措施之一，是切實(shí)貫徹我國(guó)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。因此，如何運(yùn)用新技術(shù)和新設(shè)備提高能源利用效率成為了各行各業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　1 水泥工業(yè)能源使用現(xiàn)狀

　　水泥工業(yè)作為能源消耗大戶，對(duì)能源緊缺有切膚之痛。2003年下半年以來(lái)，國(guó)內(nèi)煤電油運(yùn)全面緊張，煤荒電荒矛盾加劇，劣質(zhì)煤充斥煤炭市場(chǎng)。水泥企業(yè)對(duì)煤炭的質(zhì)量有嚴(yán)格的要求，但是現(xiàn)在買到的煤炭質(zhì)量太差，某些省份的煤炭的平均發(fā)熱量還不及正常值的一半，技術(shù)指標(biāo)也達(dá)不到要求，許多水泥企業(yè)不得不調(diào)整水泥生產(chǎn)物料配方，以保證水泥質(zhì)量。劣質(zhì)煤也導(dǎo)致了火力發(fā)電廠發(fā)電量不足，間接影響了水泥企業(yè)的生產(chǎn)。

　　雖然近年來(lái)我國(guó)水泥工業(yè)技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，系統(tǒng)能耗有所降低，噸熟料電耗已降至55～60kWh。但我們應(yīng)看見(jiàn)，水泥工業(yè)在進(jìn)一步節(jié)省能源的方面還可大有作為。

　　2004年我國(guó)水泥總產(chǎn)量約9．4億t，能源總耗量為1．5億多噸標(biāo)煤。水泥工業(yè)是能源消耗大的產(chǎn)業(yè)，水泥生產(chǎn)的能源主要依靠煤炭、電力，而且要產(chǎn)生大量的廢氣，粉塵排放量占我國(guó)工業(yè)行業(yè)粉塵排放總量的40％，CO2的排放量占我國(guó)CO2排放總量的20％。尤其是我國(guó)現(xiàn)已加入《京都協(xié)議》后，水泥工業(yè)所面臨的能源和環(huán)保的壓力都非常巨大。目前新型干法水泥生產(chǎn)線已使單位水泥熟料的熱耗大幅下降，但其窯頭熟料冷卻機(jī)和窯尾預(yù)熱器仍排放了大量350℃以下的廢氣，其熱量約占水泥熟料燒成系統(tǒng)總熱耗量的30％。充分利用燒成系統(tǒng)所產(chǎn)生的廢氣余熱等低品級(jí)能源，成為當(dāng)今我國(guó)水泥工業(yè)的重要研究課題和推廣項(xiàng)目。

　　隨著純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的日益成熟及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)的可行性，它已越來(lái)越受到人們的高度重視。從國(guó)務(wù)院制定并出臺(tái)的一系列開(kāi)展資源綜合利用的政策和新型干法水泥生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目被列為落實(shí)節(jié)能規(guī)劃的首批專項(xiàng)國(guó)債項(xiàng)目中，可以看到水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電前景廣闊。

　　2 水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　純低溫余熱發(fā)電及余熱利用在我國(guó)的冶金、化工、食品等行業(yè)早已得到推廣使用。由于水泥工業(yè)廢氣溫度相對(duì)較低且含有大量粉塵，因此在實(shí)際運(yùn)用中存在一定的難點(diǎn)。在水泥窯余熱發(fā)電領(lǐng)域，日本水泥工業(yè)是應(yīng)用得最廣泛、最成功的。到目前為止，日本有80%以上的水泥廠配置了純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，平均熟料發(fā)電量約40kWh／t。

　　1998年初，通過(guò)引進(jìn)日本川崎重工的技術(shù)，我國(guó)水泥工業(yè)第一條純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)在海螺集團(tuán)寧國(guó)水泥廠4 000t／d生產(chǎn)線建成，一次性并網(wǎng)發(fā)電成功。該系統(tǒng)采用四級(jí)預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)、進(jìn)口余熱鍋爐，進(jìn)口混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)，裝機(jī)容量6 480kW，設(shè)計(jì)噸熟料發(fā)電量33．8kWh，自投入正常生產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，實(shí)際平均熟料發(fā)電量約38．6kWh／t。發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率相對(duì)于燒成系統(tǒng)在90％以上。廣西柳州水泥廠3 200t／d的四級(jí)預(yù)熱器預(yù)分解窯純低溫余熱發(fā)電工程于2004年7月建成投產(chǎn)，也是一次性并網(wǎng)發(fā)電成功。系統(tǒng)采用進(jìn)口鍋爐，國(guó)產(chǎn)凝汽式汽輪機(jī)，余熱電站裝機(jī)容量6 000kW。投產(chǎn)以來(lái)發(fā)電量就基本穩(wěn)定在5 500kW 以上，實(shí)際平均熟料發(fā)電量約37．95kWh／t。

　　在消化、吸收引進(jìn)的日本純低溫余熱發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)之上，我國(guó)水泥工業(yè)開(kāi)始了國(guó)產(chǎn)化的道路。1999年，國(guó)產(chǎn)化第一條純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)在江西萬(wàn)年2 000t／d生產(chǎn)線得以建成投產(chǎn)，配套機(jī)組為3 000kW，實(shí)際發(fā)電約2 200kW，單位熟料發(fā)電量約23．76kWh／t。2003年，上海金山1350t/d生產(chǎn)線國(guó)產(chǎn)化純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)建成投產(chǎn)，配套機(jī)組為2 500kW(指汽輪機(jī))，實(shí)際發(fā)電約1 800kW,單位熟料發(fā)電量約28.8kWh／t。國(guó)產(chǎn)化純低溫余熱發(fā)電技術(shù)已基本具備全面推廣的條件。

　　3 純低溫余熱發(fā)電技術(shù)簡(jiǎn)介

　　3．1基本原理

　　30℃左右的軟化水經(jīng)過(guò)除氧器除氧后，經(jīng)水泵加壓進(jìn)入窯頭AQC鍋爐省煤器，加熱成190℃左右的飽和水；飽合水分成兩部分，一部分進(jìn)入窯頭AQC鍋爐汽包，另一部分進(jìn)入窯尾SP鍋爐汽包；然后依次經(jīng)過(guò)各自鍋爐的蒸發(fā)器、過(guò)熱器產(chǎn)生1.2MPa、310℃左右的過(guò)熱蒸汽，匯合后進(jìn)入汽輪機(jī)做功，做功后的乏汽進(jìn)入冷凝器，冷凝后的水和補(bǔ)充軟化水經(jīng)除氧器除氧再進(jìn)行下一個(gè)熱力循環(huán)。窯尾SP鍋爐出口廢氣溫度為220℃左右，用于烘干生料。

　　3．2技術(shù)特點(diǎn)

　　火力發(fā)電廠為了提高發(fā)電效率，節(jié)省燃料，不斷向高溫、高壓方向發(fā)展，目前已在研究試驗(yàn)超臨界參數(shù)的發(fā)電技術(shù)。而純低溫余熱發(fā)電則完全不同，其熱源品位低，不需要任何補(bǔ)燃，直接利用水泥企業(yè)向大氣中排放的中低溫的廢氣余熱來(lái)發(fā)電，因此所采用的技術(shù)和設(shè)計(jì)原則與常規(guī)的火力發(fā)電截然不同。而且，水泥工業(yè)的廢氣與其他行業(yè)的可利用廢氣也還具有不同的特點(diǎn)：

　　(1)廢氣品位低，工況波動(dòng)大。通常窯頭廢氣溫度為250～350℃，窯尾廢氣溫度為320～400℃。廢氣參數(shù)常有波動(dòng)。由于回轉(zhuǎn)窯和窯尾系統(tǒng)熱容量大，熱慣性強(qiáng)，廢氣參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，溫度波動(dòng)通?？煽刂圃?5℃以內(nèi)；但窯頭篦冷機(jī)的熱慣性則較弱，對(duì)窯況的變化較為敏感，窯頭廢氣參數(shù)波動(dòng)大，溫度波動(dòng)可達(dá)100～150℃。尤其是在換熱效果差的老式篦冷機(jī)上，這一點(diǎn)表現(xiàn)得更為明顯；

　　(2)廢氣含塵濃度大、磨蝕性強(qiáng)。窯尾廢氣含塵濃度約60～80g／Nm3，粉塵較黏；窯頭廢氣含塵濃度約30～40g/Nm3，粉塵磨蝕性強(qiáng)；

　　(3)系統(tǒng)可利用余熱通常由窯頭、窯尾兩個(gè)點(diǎn)提供；

　　(4)系統(tǒng)流程復(fù)雜，設(shè)備配置要求高。

　　3．3主機(jī)選型

　　可靠的國(guó)產(chǎn)主機(jī)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化余熱發(fā)電技術(shù)的前提，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是基于有可靠的主機(jī)設(shè)備作保障。在純低溫余熱發(fā)電領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)的設(shè)備廠家經(jīng)過(guò)多年的研究，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出能夠適用于水泥廠純低溫余熱發(fā)電的相關(guān)設(shè)備。從已經(jīng)建成的全國(guó)產(chǎn)化余熱發(fā)電項(xiàng)目來(lái)看，運(yùn)行情況基本良好。主機(jī)設(shè)備的選型原則如下：

　　(1)AQC鍋爐為立式鍋爐，采用自然循環(huán)或強(qiáng)制循環(huán)方式，鍋爐前面設(shè)置沉降室或旋風(fēng)筒除塵，避免熟料顆粒影響傳熱和磨損，換熱管為螺旋鰭管；SP鍋爐為立式鍋爐(進(jìn)口鍋爐為臥式鍋爐)，自然循環(huán)或強(qiáng)制循環(huán)方式，換熱管為光管，采用機(jī)械振打清灰。余熱鍋爐一直是水泥行業(yè)余熱發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，這在引進(jìn)生產(chǎn)線中也反映出這一點(diǎn)。其關(guān)鍵在于針對(duì)廢氣特點(diǎn)：如窯尾廢氣中含塵濃度高，粉塵附著力強(qiáng)；窯頭廢氣含塵濃度相對(duì)較低，但熟料粉塵磨蝕性強(qiáng)。采取相應(yīng)措施，確保系統(tǒng)有效清灰和高效率的熱交換，管線設(shè)計(jì)中避免粉塵堆積和管線磨損。從寧國(guó)、柳州及金山的運(yùn)行情況看，SP余熱鍋爐的清灰還是機(jī)械振打效果好；萬(wàn)年采用超聲波、壓縮空氣以及蒸汽吹掃進(jìn)行清灰，效果均不好，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。而在窯頭AQC鍋爐前，則需要增設(shè)沉降室或旋風(fēng)筒進(jìn)行預(yù)收塵處理。通過(guò)設(shè)計(jì)院和鍋爐供貨商的共同努力，現(xiàn)在已成功研制了性能可靠的余熱鍋爐。由于廢氣的特性，水泥行業(yè)余熱鍋爐的體積、質(zhì)量都相對(duì)較大。

　　(2)汽輪機(jī)采用凝汽式汽輪機(jī)或補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)采用空冷式發(fā)電機(jī)。凝汽式汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，但效率相對(duì)較低；補(bǔ)汽式汽輪機(jī)是發(fā)展的方向，但采用國(guó)產(chǎn)補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的金山水泥廠使用效果欠佳，它是將原抽汽凝汽式汽輪機(jī)的抽汽口改為補(bǔ)汽口，加之窯頭廢氣工況波動(dòng)大，設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，補(bǔ)汽常補(bǔ)不進(jìn)去。現(xiàn)工廠已將此補(bǔ)汽口關(guān)閉。補(bǔ)汽凝氣式汽輪機(jī)的性能還需進(jìn)一步改善和提高。

　　3．4系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　水泥廠燒成系統(tǒng)的運(yùn)行狀況是其配套余熱發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對(duì)此，我們必須引起充分的重視。

　　根據(jù)水泥廠廢氣的特點(diǎn)，在項(xiàng)目建設(shè)前期，就必須對(duì)水泥廠能源消耗和余熱狀況進(jìn)行客觀地綜合分析，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行余熱發(fā)電系統(tǒng)熱力系統(tǒng)計(jì)算和方案比較，選擇最適宜的熱力系統(tǒng)流程、配套最經(jīng)濟(jì)的余熱鍋爐及發(fā)電機(jī)組。

　　由于燃、原料的變化和操作水平的差異性，相同規(guī)模燒成系統(tǒng)所產(chǎn)生的廢氣參數(shù)在不同工廠的運(yùn)行中具有一定的差異性，尤其是窯頭廢氣參數(shù)波動(dòng)相對(duì)較大。新建生產(chǎn)線配套余熱發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，一定要對(duì)同規(guī)模的生產(chǎn)線的實(shí)際操作參數(shù)做詳細(xì)調(diào)查；已有生產(chǎn)線新增余熱發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，更應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在熱工標(biāo)定的基礎(chǔ)上，切實(shí)掌握余熱的參數(shù)，再確定系統(tǒng)流程、發(fā)電規(guī)模，選配適當(dāng)?shù)挠酂徨仩t和發(fā)電機(jī)組，達(dá)到最大限度利用余熱的目的。切忌照搬照套，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，方可使企業(yè)和社會(huì)獲得最大效益。同時(shí)要求余熱電站在正常運(yùn)行時(shí)不能影響原水泥生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)。

　　各個(gè)水泥廠的可利用余熱條件不同，對(duì)純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)也有不同的要求，可有多種變化，但總體上可以分為三類：

　　(1)采用單壓進(jìn)汽的凝汽式汽輪機(jī)組(見(jiàn)圖1)。系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠；

　　圖1   采用凝汽式汽輪機(jī)組系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

　　(2)利用余熱鍋爐產(chǎn)生雙壓蒸汽，配套補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)組(見(jiàn)圖2)。在設(shè)備可靠、系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)率可以保證的前提下，系統(tǒng)效率高于凝汽式汽輪機(jī)組；

　　(3)利用余熱鍋爐和熱水閃蒸技術(shù)產(chǎn)生雙壓蒸汽，配套補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)組。這種工藝的發(fā)電效率高，在寧國(guó)水泥廠得到很好使用。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在也正進(jìn)行這方面的研究和實(shí)踐。

　　圖2采用雙壓鍋爐的補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)組系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

　　在除氧方面，可采取化學(xué)除氧或真空除氧，均穩(wěn)定可靠。在循環(huán)水冷卻方面，鑒于發(fā)電機(jī)組規(guī)模較小，建議采用玻璃鋼冷卻塔。整個(gè)余熱發(fā)電系統(tǒng)采用先進(jìn)的DCS集散控制系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)及配出柜保護(hù)裝置使用微機(jī)保護(hù)。

　　此外，對(duì)于余熱發(fā)電有富余蒸汽的，還可考慮采用熱電聯(lián)供方式。由余熱電站提供富余蒸汽，供給水泥廠浴室、食堂、采暖、制冷等用熱。

　　4 純低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目的效益分析

　　純低溫余熱發(fā)電是不帶補(bǔ)燃鍋爐的蒸汽動(dòng)力循環(huán)發(fā)電技術(shù)方案。由于該方案不使用燃料來(lái)補(bǔ)燃，因此不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生附加污染；其次沒(méi)有補(bǔ)燃鍋爐，蒸汽參數(shù)較低，其運(yùn)行操作簡(jiǎn)單方便，運(yùn)行的可靠性和安全性高。缺點(diǎn)是由于余熱的品位低，其效率相應(yīng)較低，裝機(jī)容量較小，單位功率設(shè)備投資難以降低。這種電站雖然初期投資較高，但其運(yùn)行成本低，日常管理簡(jiǎn)單，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是較有利的選擇，也是收益比較高的余熱電站。

　　以1條2 500t／d的新型干法水泥生產(chǎn)線為例：窯頭、窯尾配套國(guó)產(chǎn)余熱鍋爐，汽輪機(jī)采用凝汽式汽輪機(jī)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)小時(shí)發(fā)電量可達(dá)3 500kWh，結(jié)合發(fā)電機(jī)組的規(guī)格，選配3 000kW的汽輪機(jī)組較合適。實(shí)際小時(shí)發(fā)電量按3 000kWh計(jì)。以年運(yùn)轉(zhuǎn)300d計(jì)算，年發(fā)電量2 160萬(wàn)kWh，相當(dāng)于節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約1.1萬(wàn)t，減少CO2排放約2萬(wàn)t?？鄢到y(tǒng)自耗電10％，年供電量1 944萬(wàn)kWh。噸熟料發(fā)電能力可達(dá)25.92kWh。

　　利用純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，采用國(guó)產(chǎn)裝備，純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)總投資約1 950萬(wàn)元。按照外購(gòu)電價(jià)0.50元／kWh估算，扣除余熱電站供電成本約0．1元／kWh，噸熟料成本可下降約10.37元。系統(tǒng)總投資在建成后2．5～3年內(nèi)可收回成本。由此可見(jiàn)，建設(shè)純低溫余熱電站，可有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，為企業(yè)帶來(lái)良好的效益，企業(yè)和社會(huì)做到雙贏。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　利用水泥生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢氣余熱作為熱源的純低溫余熱發(fā)電，整個(gè)熱力系統(tǒng)不燃燒任何一次能源，在回收大量造成環(huán)境熱污染的廢氣余熱的同時(shí)，所建余熱發(fā)電站不僅發(fā)電成本低，經(jīng)濟(jì)效益好，還可以緩解電力緊張的矛盾；同時(shí)，減少CO2排放，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境，起著積極作用。

　　作為能源消耗大戶的水泥工業(yè)，煤、電緊張已經(jīng)嚴(yán)重制約水泥的發(fā)展。特別是電力短缺，使部分地區(qū)水泥企業(yè)不能連續(xù)生產(chǎn)，不但直接影響水泥生產(chǎn)和市場(chǎng)供應(yīng)，對(duì)水泥窯的安全運(yùn)轉(zhuǎn)也帶來(lái)較大隱患。有關(guān)專家預(yù)測(cè)，電力緊張局面至少要3～4年才可緩解。因此，國(guó)家制定并出臺(tái)了一系列開(kāi)展資源綜合利用的政策，節(jié)約和合理利用現(xiàn)有的各種資源，減少資源的占用和消耗，鼓勵(lì)利用工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的余熱，余壓建設(shè)余熱發(fā)電項(xiàng)目，以緩解電力供應(yīng)緊張的局面，減少企業(yè)的損失。

　　水泥窯純低溫余熱發(fā)電能將廢氣中的熱能轉(zhuǎn)化為電能，可有效的減少水泥生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗，節(jié)能效果顯著。同時(shí)，廢氣通過(guò)余熱鍋爐降低了排放的溫度，含塵濃度也大大降低，可有效地減輕水泥生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的污染，環(huán)保效果顯著。因此，這項(xiàng)兼具經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的技術(shù)，必將具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景，成為我國(guó)水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要舉措。