水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電技術及其效益分析

摘要  水泥工業(yè)國產化純低溫余熱發(fā)電技術已基本具備全面推廣的條件。對純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的設計要因地制宜，總體上可以分為三類：采用單壓進汽的凝汽式汽輪機組；利用余熱鍋爐產生雙壓蒸汽，配套補汽凝汽式汽輪機組；利用余熱鍋爐和熱水閃蒸技術產生雙壓蒸汽，配套補汽凝汽式汽輪機組。利用純低溫余熱發(fā)電技術，采用國產裝備，純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)在建成后2.5～3年內可收回成本。
0概述
　　隨著我國經濟的高速發(fā)展，能源緊缺的矛盾日趨突出。多個地區(qū)鬧煤荒、電荒。但我國在能源使用上又客觀存在著一些不合理的現象，導致能源大量浪費。其中最突出的浪費是對能源沒有“量才而用”，普遍地把煤炭、石油、天然氣等高品級能源“降級使用”，只為取得100℃左右溫度較低的熱介質，用于采暖、空調、生活用熱等。同時，又有大量工業(yè)低溫余熱、廢氣丟棄不用。煤炭、石油、天然氣等高品級能源均是獲取電能、熱能的源泉，但是它們在轉換成電能、熱能的過程中，效率不高，且轉換過程中所產生的廢氣余熱、粉塵、有害氣體對環(huán)境污染很大。這樣的能源使用結果不僅造成了驚人的能源浪費，而且還污染了環(huán)境，給人們的生命健康帶來了危害。
　　純低溫余熱發(fā)電技術是利用中低溫的廢氣產生低品位蒸汽，來推動低參數的汽輪機組做功發(fā)電。它是當前節(jié)能和環(huán)保要求下的必然趨勢和產物。其與火電發(fā)電相比，不需要消耗一次能源，不產生額外的廢氣、廢渣、粉塵和其它有害氣體。是控制大氣污染，保護臭氧層，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，提高產品市場競爭力，減少CO2氣體排放和保護環(huán)境的重要措施之一。切實貫徹我國實施可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。因此，如何運用新技術和新設備提高能源利用效率成為了各行各業(yè)關注的焦點。
1、水泥工業(yè)能源使用現狀
　　水泥工業(yè)作為能源消耗大戶，對能源緊缺有切膚之痛。2003年下半年以來，國內煤電油運全面緊張，煤荒電荒矛盾加劇，劣質煤充斥煤炭市場。水泥企業(yè)對煤炭的質量有嚴格的要求，但是現在買到的煤炭質量太差，某些省份的煤炭的平均發(fā)熱量還不及正常值的一半，技術指標也達不到要求，許多水泥企業(yè)不得不調整水泥生產物料配方，以保證水泥質量。劣質煤也導致了火力發(fā)電廠發(fā)電量不足，間接影響了水泥企業(yè)的生產。
　　雖然近年來我國水泥工業(yè)技術取得了長足進步，系統(tǒng)能耗有所降低，噸熟料電耗已降至55～60kWh。但我們應看見，水泥工業(yè)在進一步節(jié)省能源的方面還可大有作為。
　　2004年我國水泥總產量約9.4億噸，能源總耗量為1.5億多噸標煤。水泥工業(yè)是能源消耗大的產業(yè)，水泥生產的能源主要依靠煤炭、電力，而且要產生大量的廢氣，CO2的排放量占我國CO2排放總量的20%，粉塵排放量占我國工業(yè)行業(yè)粉塵排放總量的40%，其能源和環(huán)保的壓力是非常大的。目前新型干法水泥生產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和窯尾預熱器仍排放了大量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)所產生的廢氣余熱等低品級能源，成為當今我國水泥工業(yè)的重要研究課題和推廣項目。
　　隨著純低溫余熱發(fā)電技術的日益成熟及其技術經濟的可行性，它已越來越受到人們的高度重視。從國務院制定并出臺的一系列開展資源綜合利用的政策和新型干法水泥生產線純低溫余熱發(fā)電項目被列為落實節(jié)能規(guī)劃的首批專項國債項目中，可以看到水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電前景廣闊?！　?BR>2．水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電技術的應用現狀
　　純低溫余熱發(fā)電及余熱利用在我國的冶金、化工、食品等行業(yè)早已得到推廣使用。由于水泥工業(yè)廢氣溫度相對較低且含有大量粉塵，因此在實際運用中存在一定的難點。在水泥窯余熱發(fā)電領域，日本水泥工業(yè)是應用得最廣泛、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，通過引進日本川崎重工的技術，我國水泥工業(yè)第一條純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)在海螺集團寧國水泥廠4000t/d生產線建成，一次性并網發(fā)電成功。該系統(tǒng)采用四級預熱預分解系統(tǒng)、進口余熱鍋爐，進口混壓進汽式汽輪機，裝機容量6480kW，設計噸熟料發(fā)電量33.8kWh/t，自投入正常生產運行以來，實際平均熟料發(fā)電量約38.6kWh/t。發(fā)電系統(tǒng)的運轉率相對于燒成系統(tǒng)在90%以上。廣西柳州水泥廠3200t/d的四級預熱器預分解窯純低溫余熱發(fā)電工程于2004年7月建成投產，也是一次性并網發(fā)電成功。系統(tǒng)采用進口鍋爐，國產凝汽式汽輪機，余熱電站裝機容量6000kW。投產以來發(fā)電量就基本穩(wěn)定在5500kW以上，實際平均熟料發(fā)電量約37.95kWh/t。
　　在消化、吸收引進的日本純低溫余熱發(fā)電技術基礎之上，我國水泥工業(yè)開始了國產化的道路。1999年，國產化第一條純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)在江西萬年2000t/d生產線得以建成投產，配套機組為3000kW，實際發(fā)電約2200kW，單位熟料發(fā)電量約23.76kWh/t。2003年，上海金山1350t/d生產線國產化純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)建成投產，配套機組為2500kW（指汽輪機），實際發(fā)電約1800kW, 單位熟料發(fā)電量約28.8kWh/t。國產化純低溫余熱發(fā)電技術已基本具備全面推廣的條件。
3、純低溫余熱發(fā)電技術簡介
3.1基本原理
    30℃左右的軟化水經過除氧器除氧后，經水泵加壓進入窯頭AQC鍋爐省煤器，加熱成190℃左右的飽和水；分成兩部分，一部分進入窯頭AQC鍋爐汽包，另一部分進入窯尾SP鍋爐汽包；然后依次經過各自鍋爐的蒸發(fā)器、過熱器產生1.2MPa、310℃左右的過熱蒸汽，匯合后進入汽輪機做功，作功后的乏汽進入冷凝器，冷凝后的水和補充軟化水經除氧器除氧再進行下一個熱力循環(huán)。窯尾SP鍋爐出口廢氣溫度220℃左右，用于烘干生料。
3.2技術特點
     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，目前已在研究試驗超臨界參數的發(fā)電技術。而純低溫余熱發(fā)電則完全不同，其熱源品位低，不需要任何補燃，而是直接利用水泥企業(yè)向大氣中排放的中低溫的廢氣余熱來發(fā)電，因此所采用的技術和設計原則與常規(guī)的火力發(fā)電截然不同。而且，水泥工業(yè)的廢氣與其它行業(yè)的可利用廢氣也還具有不同的特點：
     （1） 廢氣品位低，工況波動大。通常窯頭廢氣溫度為250～350℃，窯尾廢氣溫度為320～400℃。廢氣參數常有波動，尤其是窯頭廢氣參數波動較為明顯；
     （2） 廢氣含塵濃度大，磨蝕性強；
     （3） 系統(tǒng)可利用余熱通常由窯頭、窯尾兩個點可提供；
     （4） 系統(tǒng)流程復雜，設備配置要求高。
3.3主機選型
　　可靠的國產主機設備是實現國產化余熱發(fā)電技術的前提，系統(tǒng)的設計也是基于有可靠的主機設備作保障。在純低溫余熱發(fā)電領域，國內的設備廠家經過多年的研究，已經開發(fā)出能夠適用于水泥廠純低溫余熱發(fā)電的相關設備。從已經建成的全國產化余熱發(fā)電項目來看，運行情況基本良好。主機設備的選型原則如下：
　?。?）AQC鍋爐為立式鍋爐，采用自然循環(huán)或強制循環(huán)方式，鍋爐前面設置沉降室或旋風筒除塵，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，自然循環(huán)或強制循環(huán)方式，換熱管為光管，采用機械振打清灰。余熱鍋爐一直是水泥行業(yè)余熱發(fā)電的關鍵設備，這在引進生產線中也反映出這一點。其關鍵在于針對廢氣特點：如窯尾廢氣中含塵濃度高，粉塵附著力強；窯頭廢氣含塵濃度相對較低，但熟料粉塵磨蝕性強。采取相應措施，確保系統(tǒng)有效清灰和高效率的熱交換，管線設計中避免粉塵堆積和管線磨損。從寧國、柳州及金山的運行情況看，SP余熱鍋爐的清灰還是機械振打效果好；萬年采用超聲波、壓縮空氣以及蒸汽吹掃進行清灰，效果均不好，影響系統(tǒng)正常運行。而在窯頭AQC鍋爐前，則需要增設沉降室或旋風筒進行預收塵處理。通過設計院和鍋爐供貨商的共同努力，現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、重量都相對較大。
　?。?）汽輪機采用凝汽式汽輪機或補汽凝汽式汽輪機，發(fā)電機采用空冷式發(fā)電機。凝汽式汽輪機運轉可靠，但效率相對較低；補汽式汽輪機是發(fā)展的方向，但采用國產補汽式汽輪機的金山水泥廠使用效果欠佳，它是將原抽汽凝汽式汽輪機的抽汽口改為補汽口，加之窯頭廢氣工況波動大，設備運行不穩(wěn)定，補汽常補不進去?，F工廠已將此補汽口關閉。補汽凝汽式汽輪機的性能還需進一步改善和提高。
3.4系統(tǒng)設計
     根據水泥廠廢氣的特點，在項目建設前期，就必須對水泥廠能源消耗和余熱狀況進行客觀的綜合分析，在此基礎上進行相應的系統(tǒng)設計和選型。燒成系統(tǒng)所產生的廢氣參數在不同工廠的運行中具有一定的差異性，尤其是窯頭的廢氣參數波動相對較大。新建生產線配套余熱發(fā)電系統(tǒng)時，一定要對同規(guī)模的生產線的實際操作參數做詳細調查；已有生產線新增余熱發(fā)電系統(tǒng)時，更應結合現有生產數據，確定系統(tǒng)流程、發(fā)電規(guī)模，選配適當的余熱鍋爐和發(fā)電機組，達到最大限度利用余熱的目的。同時要求余熱電站在正常運行時不能影響原水泥生產線的正常生產。
     各個水泥廠的條件不同，對純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)設計也有不同的要求，可有多種變化，但總體上可以分為三類：
     1） 采用單壓進汽的凝汽式汽輪機組（見圖1）。系統(tǒng)簡單可靠；
     2） 利用余熱鍋爐產生雙壓蒸汽，配套補汽凝汽式汽輪機組（見圖2）。在設備可靠，系統(tǒng)運轉率可以保證的前提下，系統(tǒng)效率高于凝汽式汽輪機組；
     3） 利用余熱鍋爐和熱水閃蒸技術產生雙壓蒸汽，配套補汽凝汽式汽輪機組。這種工藝的發(fā)電效率高，在寧國水泥廠得到很好使用。國內現在也進行這方面的研究和實踐。
     在除氧方面，可采取化學除氧或真空除氧，均穩(wěn)定可靠。在循環(huán)水冷卻方面，鑒于發(fā)電機組規(guī)模較小，建議采用玻璃鋼冷卻塔。整個余熱發(fā)電系統(tǒng)采用先進的DCS集散控制系統(tǒng)，發(fā)電機及配出柜保護裝置使用微機保護。
     此外，對于余熱發(fā)電有富余蒸汽的，還可考慮采用熱電聯供方式。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。

                        圖2：采用雙壓鍋爐的補汽凝汽式汽輪機組系統(tǒng)簡圖

4、純低溫余熱發(fā)電項目的效益分析
     純低溫余熱發(fā)電是不帶補燃鍋爐的蒸汽動力循環(huán)發(fā)電技術方案。由于該方案不使用燃料來補燃，因此不對環(huán)境產生附加污染；其次沒有補燃鍋爐，蒸汽參數較低，其運行操作簡單方便，運行的可靠性和安全性高。缺點是由于余熱的品位低，其效率相應較低，裝機容量較小，單位功率設備投資難以降低。這種電站雖然初期投資較高，但其運行成本低，日常管理簡單，對用戶來說是較有利的選擇，也是收益比較高的余熱電站。
     以一條2500t/d的新型干法水泥生產線為例：窯頭、窯尾配套國產余熱鍋爐，汽輪機采用凝汽式汽輪機。系統(tǒng)設計小時發(fā)電量可達3500kWh，結合發(fā)電機組的規(guī)格，選配3000kW的汽輪機組較合適。實際小時發(fā)電量按3000kWh計。以年運轉300d計算，年發(fā)電量2160萬kWh，相當于節(jié)省標準煤約1.1萬t，減少CO2排放約2萬t?？鄢到y(tǒng)自耗電10％，年供電量1944萬kWh。噸熟料發(fā)電能力可達25.92kWh。
     利用純低溫余熱發(fā)電技術，采用國產裝備，純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)總投資約1950萬元。按照外購電價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年內可收回成本。由此可見，建設純低溫余熱電站，可有效降低企業(yè)生產成本、提高產品競爭力，為企業(yè)帶來良好的效益，企業(yè)和社會做到雙贏。   
5、結束語
     利用水泥生產中產生的廢氣余熱作為熱源的純低溫余熱發(fā)電，整個熱力系統(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，所建余熱發(fā)電站不僅發(fā)電成本低，經濟效益好，還可以緩解電力緊張的矛盾；同時，減少CO2排放，對保護生態(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、電緊張已經嚴重制約水泥的發(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，不但直接影響水泥生產和市場供應，對水泥窯的安全運轉也帶來較大隱患。有關專家預測，電力緊張局面至少要3~4年才可緩解。因此，國家制定并出臺了一系列開展資源綜合利用的政策，節(jié)約和合理利用現有的各種資源，減少資源的占用和消耗，鼓勵利用工業(yè)生產過程中產生的余熱、余壓建設余熱發(fā)電項目，以緩解電力供應緊張的局面，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化為電能，可有效的減少水泥生產過程中的能源消耗，節(jié)能效果顯著。同時，廢氣通過余熱鍋爐降低了排放的溫度，含塵濃度也大大降低，可有效的減輕水泥生產對環(huán)境的污染，環(huán)保效果顯著。因此，這項兼具經濟效益和社會效益的技術，必將具有良好的推廣價值和應用前景，成為我國水泥工業(yè)實現可持續(xù)發(fā)展的一項重要舉措。