关于水泥窑纯低温余热的综合利用与展望

    一、目前国内水泥行业生产线的规模，按日（d）产量（t）分类，有1200t/d，2500t/d，5000t/d的窑外分解窑（干法）生产线。这种生产线的热耗由原来的1400kcal/kg（每公斤水泥熟料所耗的热量）降至~800kcal/kg。其水泥生产线排出的废热—窑尾（SP）废气温度一般在330～340℃，窑头（AQC）废气温度一般在340～360℃范围内。
    从国内水泥行业的潜力来看，市场前景非常广阔，仅黑龙江省内水泥厂的规模来看，具体情况是小岭水泥厂有1200t/d生产线一条，2500t/d生产线一条，宾州水泥厂有2500t/d生产线一条，牡丹江水泥厂有2500t/d生产线两条，黑河有1200t/d生产线一条，佳木斯有1000t/d生产线一条，浩浪河有2000t/d生产线两条等。
    这些水泥厂与国内外其它水泥企业一样，都在向节能型企业转化升级，在这一过程中必然要对其低温余热采用最佳利用方法—纯低温余热发电方法—建余热电站，使水泥生产的成本进一步降低。
    国外先进国家在上世纪80年代其国内的水泥生产装备上发展了余热发电技术，在当时的情况与国内现在的情况及条件类似，利用低参数系列的锅炉、汽轮机及发电机来发电。它们的余热利用水平，按每吨水泥计算约为32kw~38.4kw。（国内相对的发电水平一般在23kw~28kw之间）。
    国外的窑尾（SP）余热锅炉及窑头（AQC）余热锅炉的技术特点是根据尾气的温度低的特点，其参数均为低压（过热蒸汽）锅炉，锅炉的受热面均采用了扩展受热面，即鳍片及翅片结构。锅炉均立式布置，废烟气从锅炉的顶部入口，下侧部排出。它的水循环方式均为自然循环。窑尾的SP锅炉的排烟温度根据水泥工艺需要一般在220~230℃，窑头的排烟温度在90℃以下，充分利用了余热，提高废热的利用率，其部分热水采用闪蒸技术所产生的低压蒸汽补入到汽轮发电机组中，提高了发电量。（汽轮机的汽耗小于国内同类汽轮机组）。总之，锅炉立式布置，并采用自然循环方式，所以其受热面（蒸发管束）布置方式较特殊，有别于其他锅炉厂。
针对国内的水泥厂（生产线的条件及特点）情况，所配置的锅炉及发电机组来看较国外配置的锅炉及发电机组水平是不一样的。单讲2500t/d机组国内一般配3000kw机组，哈锅同国外的相同，配4200kw机组。
    二、市场预测：
    在上述报告中提到仅黑龙江省的水泥企业均有这么多水泥生产线，到现在为止，一条生产线也没有配置发电系统。根据国内经济形势的发展，从今年开始陆续要上纯低温利用发电装置，如哈尔滨水泥厂、小岭水泥厂、牡丹江水泥厂等等。
    从2002年开始浙江省(含江苏省)内各个水泥企业在政府部门的协调和节约能源办的督促下有70%厂家配置了这种设备。现在已有广东、安徽、河北、河南、山东、北京等省市的水泥企业也都在策划上纯低温余热发电系统（余热电站）。水泥行业这种技术改造约需要10～15年时间才能完成。根据以往的技术发展及历史经验，水泥厂内带补燃锅炉的余热发电节能装备的研究，在“八五”期间攻关课题完成推广后于2002年结束推广发展，既约经历了15年时间。
    三、哈锅余热锅炉研制的现状：
    哈锅在上世纪70年代开始已经研制水泥行业的余热锅炉，从低压到中压，蒸发量在5t/h至25t/h的锅炉。
在“八五”期间，同天津水泥设计研究院、鲁南水泥厂、哈尔滨锅炉厂，共同完成了“水泥厂内带补燃锅炉余热发电装备的研究”的科技攻关课题，使水泥厂的余热利用水平有了较大的提高，并获得了国家颁发的重大科技成果奖。在当时哈锅推广的这一系列产品有：牡丹江水泥厂、湖北葛洲坝水泥厂、河南七里岗水泥厂、浙江钱潮水泥厂、河南渑池水泥厂、福建永定水泥厂、冀东水泥厂、栾县水泥厂、太行水泥厂等企业。在这一过程中，对用于纯低温余热发电技术系统中的AQC锅炉、SP锅炉有了研制的技术基础。
    哈锅工程公司按哈锅业务划分与委托，承担对水泥的纯低温余热锅炉技术的研制工作，并确定了对纯低温综合利用余热锅炉的选型原则：
    新型干法窑外分解水泥生产的废气排放温度一般在250℃～400℃之间，烟气量一般在10×104～30×104Nm3/h之间。
    例如，某水泥厂2500t/d水泥生产线的篦冷机所排出的废气量约Vr=165300 Nm3/h，温度约380℃左右，相当于废气中含Q1=20431080Kcal/h的热量，这一热量相当于700t/d中空回转窑的窑尾所排放废气的总热量Q2（废气量约71593 Nm3/h，温度约850℃），先假设该水泥厂另有一水泥生产线存在废气源排放点，其排烟温度为850℃，当热量Q2= Q1时，评价其二者的热能回收价值。
    假设二个废气气源点的压力均是常压，且接近于理想气体，取环境温度To=25℃，计算它们各自所含的火用
E1=Q1(1-LnT1 T2)=Q1(1-   298   653-298Ln653 298)=Q1×0.3037
E2=Q2(1-   To   T1-ToLnT1 T2)=Q2(1-   298   123-298Ln1123  298)=Q2×0.64796
    可见虽然二者的热量相等，但其火用的含量E2是E1的一半还多，所以热量Q1和热量Q2相比，热量Q1的回收价值和潜力不如热量Q2所以在热量Q2的情况下回收废热（余热），应该采用次中压或中压锅炉产生较高品质的蒸汽，然后用作动力或发电，热量Q1只能用来预热锅炉给水或制成热水锅炉用作采暖或制冷。
    上述的分析法是火用平衡的分析法。根据热力学第二定律，确认自然过程具有方向性和不可逆性，亦即实际自然界发生的热过程都是不可逆过程，这就给种种形式的能量之间相互转换规定了限制，因而各种形式的能量转换成有用功（火用）的能力是不同的，也即各种形式能量中的火用含量部分是不同的，火用是能量中能够转换成有效功的那部分能量。针对举例工厂的实际情况及其附属装备（如汽轮发电机组）的实际能力，确定这台余热锅炉（AQC余热锅炉）为次中压锅炉，即生产工作压力为2.45MPa，额定蒸汽温度为350℃±5℃的上段（蒸发段）和生产部分给锅炉给水加热、部分供闪蒸汽用的下段（热水段）的结构形式。
    AQC余热锅炉在设计工况下，烟气流量为165300Nm3/h，烟气温度为380℃，AQC余热锅炉排烟温度约为110℃，其他参数如下：

    哈锅工程公司早在上世纪九十年代中末期年开始，尤其到2002年，已同天津水泥工业设计研究院，南京水泥工业设计研究院，都进行了技术合作，并取得了一定的成效，在2005年3月17日杭州会议（峰会）——纯低温余热技术研讨会后，研制出具有哈锅特色的余热锅炉产品，为水泥厂的节能降耗做出了主要贡献。
   我们在这方面发扬原有的技术长处的同时，积极引进消化国外同行业的先进技术，使锅炉产品的性能质量、运行质量更加完善。
    以下是我们按上述余热锅炉的选型原则，所设计制造的窑头及窑尾余热锅炉简图及设计参数：

2500t/d水泥线用余热锅炉SP炉的参数（HG-F6285-SP）：
总烟气量：180000～195000Nm3/h
入锅炉烟温：V′=～350℃
出锅炉烟温：V″=～220℃
锅炉工作压力：Pe=1.35MPa
蒸汽温度：tn=320℃
锅炉蒸发量：D=20t/h

2500t/d水泥线窑头用余热锅炉AQC炉的参数（HG-F11000-AQC）：
总烟气量：80000～100000Nm3/h
入锅炉烟温：V′=250～360℃
出锅炉烟温：V″=90～100℃
锅炉工作压力：Pe=1.35MPa
蒸汽温度：tn=310～320℃
锅炉产汽量：D=7.5～8t/h
热水段：进水水温：56℃
        出水水温：180℃
        通水量：28t/h

5000t/d水泥线窑头用余热锅炉AQC炉的参数（HG-F28000-AQC）：
总烟气量：220000～240000Nm3/h
入锅炉烟温：V′=360～380℃
出锅炉烟温：V″=90～100℃
锅炉工作压力：Pe=1.27MPa
蒸汽温度：tn=330℃
锅炉产汽量：D=25t/h
热水段：进水水温＜90℃
        出水水温150℃
        通水量：54t/h

5000t/d水泥线用余热锅炉SP炉的参数（HG-F9500-SP）：
总烟气量：～340000Nm3/h
入锅炉烟温：V′=～330℃
出锅炉烟温：V″=～220℃
锅炉工作压力：Pe=1.27MPa
蒸汽温度：tn=～300℃
水给温度：tgs=～150℃
锅炉蒸发量：D=28.4t/h

    四、国外先进国家对水泥上的余热利用技术早在上世纪80年代开始研究开发，并应用于水泥厂上。它的总体余热利用效率及吨熟料发电水平远高于国内水平。我们引进技术的重点：一是总体（水泥厂）热力分析及热平衡方法；二是余热锅炉的结构、布置方式等；三是高效的闪蒸器；四是汽轮机技术。在这一过程中已同南京水泥院和天津水泥院合作，掌握水泥厂热力分布情况，进而进行合理的热力分析及平衡计算，确定关键设备的技术参数。
    五、对水泥厂而言，以2500t/d线为例，按国内水平，余热电站初投资约为2300万元（人民币）包括土建等用，按国外合作后的余热电站的初投资约为2940万元（人民币）。国内水泥厂目前建设电站约用2-3年收回全部初期投资，同国外合作后按其模式建的余热电站约用1.8～2.5年回收初期投资。
我们引进和合作开发的技术要点主要是水泥厂的总体布置。热力分析及热平衡方法，余热锅炉（AQC,SP）,闪蒸器，汽轮机等技术。
    针对水泥厂纯低温余热综合利用，按照前述火用平衡法的原则，在目前的窑尾及窑头的废气温度的前提下，所设计的余热锅炉的介质为水的时候，完全能够产出低参数的蒸汽来发电。
    在不久的将来，水泥行业的生产工艺进一步发展，水泥生产的热耗进一步降低，水泥生产线的窑头及窑尾所排出的废气温度进一步降低至270℃时，所配置的余热锅炉（以水为介质时）只能制成热水锅炉或采暖或制冷，另一方面其后（窑头、窑尾）所配置的余热锅炉的介质采用低沸点的（有机或无机）液体时，配以特殊（介质）的汽轮发电机来发电，使锅炉排出温度低于90℃或更小，使余热利用率进一步提高。这一技术和领域的开发与涉足，符合国家长期科技开发规划，符合建立和谐社会的需要，是再生能源、循环经济、提高能源利用效率，利国利民，提高企业经济效益的主要途径，必须下功夫抓好，并加以推进落实。