水泥窑纯低温余热发电技术评价方法的探讨
一、前言
近年来，随着我国水泥工业工艺及装备技术得以迅速发展，数百条数千吨级新型干法水泥熟料生产线（简称水泥窑）的陆续投产，为水泥窑纯低温余热发电技术及装备的开发、推广、应用创造了市场条件。在这个背景条件下，目前国内具有水泥窑余热发电工程设计、技术开发能力的数家单位，推出了几种水泥窑纯低温余热发电的热力循环系统并已在水泥工业陆续推广应用。自2001年至2006年，水泥行业利用国产设备和技术在数十条1200t/d级、2500t/d级、5000t/d级水泥窑上配套建设了装机容量分别为2.0MW、2.5MW、3.0MW、4.5MW 、6.0MW、7.5MW、9.0MW的纯低温余热电站，形成了国产成熟的水泥窑纯低温余热发电技术及装备，为我国水泥工业节能降耗、提高经济效益、形成循环经济提供了技术手段。
目前在开发、应用水泥窑纯低温余热发电技术及装备过程当中有许多新的情况产生，例如：从装机容量上，同样是5000t/d级的水泥窑，水泥生产条件、废气参数条件也类似,但装机容量确有6.0MW、7.5MW、9.0MW等多种；从蒸汽参数上，有0.69～1.27MPa—280～340℃、1.57～2.47MPa-325～400℃等多种；从实际发电能力上，有的宣称2500t/d窑装机已达6000KW或发电功率已超过4000KW, 有的宣称5500t/d窑发电已达9300KW等；从宣传上，一些设计、承建单位为说明自己有先进的水泥窑纯低温余热发电技术从而有很高的发电量，采用不报熟料热耗、利用三次风或其它水泥生产用的高温气体来发电、在发电机功率表上做手脚、低报熟料实际产量等不正当手段进行宣传。
由于上述新情况的产生，同时也由于为了规范水泥窑纯低温余热发电技术及装备的研究、开发、工程设计、工程建设工作，目前制定科学的水泥窑纯低温余热发电技术评价方法是十分必要的。
二、目前水泥行业已经推广应用的几种纯低温余热发电技术
目前水泥行业已经推广应用的几种纯低温余热发电技术，以蒸汽参数来分，基本上有两类：一类为0.69～1.27MPa—280～340℃的低压低温系统，一类为1.57～2.47MPa-325～400℃的次中压中温系统。
对于0.69～1.27MPa—280～340℃的低压低温系统，其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
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℃。
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。
对于1.57～2.47MPa—325～400℃的次中压中温系统，其热力系统构成有如下两种模式：
其一：冷却机多级取热纯余热发电技术，见图4。
其二：冷却机多级取热及循环风纯余热发电技术，见图5。
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℃。
三、研究、开发、应用纯低温余热发电技术应注意的几个原则性问题
3.1研究、开发、应用水泥窑纯低温余热发电技术应遵循的基本原则
水泥窑纯低温余热发电技术是以节能降耗从而降低水泥生产成本为目的，它的内涵是：将水泥生产过程中产生的并且水泥生产过程本身已不能再利用的余热回收从而转化为电能的技术，因此，研究、开发、应用水泥窑纯低温余热发电技术应遵循的基本原则：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。
3.2对水泥生产影响的控制：水泥窑配套建设余热电站，原则上要求不影响水泥生产，但由于在一条完整的熟料生产线窑头、窑尾各串接相应的余热锅炉，因此，余热电站对水泥生产不产生任何影响是不可能的。根据已投产的余热电站实际生产运行情况，对于遵循上述原则配套建设的余热电站，投入运行后对水泥生产的影响主要集中在如下几个方面：
（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，这种影响是正面的。
（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）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。
（6）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。
对水泥窑生产造成的上述几方面的影响，综合起来为两个方面：一是增加了水泥窑生产的操作环节（例如：随着电站的投入、运行和解出，水泥窑需调整窑尾高温风机、增湿塔喷水、生料磨及煤磨、窑头排风机等系统的运行参数；二是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或大或小的影响。
对水泥窑生产造成的影响应当而且必须控制在上述范围以内，在目前水泥熟料烧成工艺技术及设备、纯低温余热发电热力循环系统配置技术及设备条件下，为了提高发电量而采用抽取三次风或窑头罩等高温风、生料或燃料烘干改用燃烧燃料而将原来用于烘干的废气用于发电等措施都是不可取的。采用这些措施，表面上增加了发电量，实际不但不会有助于水泥生产综合能耗的降低，反而由于熟料热耗的增加会使水泥生产综合能耗增加（当水泥厂建设余热电站不是以节能为主要目的，在一公斤标准煤的价格与一度电的购电价格之比小于0.7的条件下，采用这些措施可以增加水泥生产综合效益）。
3.3准确的余热发电技术发电能力指标
目前对于余热发电技术发电能力指标，大家往往只注意每吨熟料发电量，而很少注意相关因素对发电量的影响，这是目前产生许多新情况的主要原因。对于水泥窑纯余热发电，影响吨熟料发电量的因素很多，如：熟料热耗（涉及窑头、窑尾废气温度等）；熟料形成热（涉及生料配料成份）；原料、燃料烘干所需要的废气温度、废气量（涉及可用于发电的余热量）；电站热力系统构成方式及蒸汽参数（涉及发电系统循环效率）；熟料实际产量和规模（涉及锅炉、汽轮机等设备效率）；废热取热方式（涉及对窑生产及熟料热耗的影响）等等。
由于影响余热发电能力的上述因素,加之这些因素在实际生产中的复杂性，仅采用吨熟料余热发电量来评价纯低温余热发电技术是不科学、不完整、不准确的，不能全面代表纯低温余热发电技术水平。因此，根据目前的情况，研究、确定水泥窑纯低温余热发电技术的评价方法既是必要的,条件也是成熟的而且也是急需的。
四、水泥窑纯低温余热发电技术的评价方法初探
尽管影响余热发电能力的因素较多也比较复杂，但水泥熟料煅烧过程及纯低温余热发电必定都是热工过程，因此，研究、确定出全面、科学、准确的纯低温余热发电技术评价方法是可能的。本文提出的评价方法是初步的，仅供同行讨论、参考，其由如下二部分构成：
第一部分:实用部分,即“每公斤熟料热耗－吨熟料余热发电量”。
目前水泥行业已经习惯用吨熟料余热发电量来做为衡量余热发电技术水平的指标，因此，评价方法中保留这个指标是必要的。但由于吨熟料余热发电量没有考虑熟料热耗、熟料形成热、原燃料烘干所需废气温度及废气量等因素对发电量的影响，因此，为了考虑影响余热发电量的主要因素即熟料热耗对余热发电能力的影响，应改为采用“每公斤熟料热耗－吨熟料余热发电量”(仍简称“吨熟料余热发电量”)这一指标来评价。尽管如此，由于这个指标仍然没有考虑熟料形成热、原燃料烘干所需废气温度及废气量对发电能力的影响，对于这个指标:
(1)在建设余热电站之前比较、确定余热电站技术方案时，在熟料产量、熟料热耗、用于发电的废气参数(废气温度、废气量、含尘浓度等，下同)、用于原燃料烘干的废气参数条件都相同的条件下，采用“吨熟料余热发电量”来对不同的余热电站技术方案进行评价是准确、可靠的；
(2)对于已投产的余热电站，采用“吨熟料余热发电量”来对余热电站及水泥窑自身进行综合考核同样也是准确、可靠的；
(3)对于已投产的不同水泥窑间的余热电站进行比较:当熟料产量、熟料热耗、用于发电的废气参数、用于原燃料烘干的废气参数等生产条件大体相同的条件下，采用“吨熟料余热发电量”进行比较是相对准确、可靠的。当上述生产条件差别较大，如:一条窑的熟料热耗是750×4.1868kj/kg，而另一条窑为780×4.1868kj/kg；或一条窑的生料烘干废气温度为200℃，而另一条窑为230℃时，采用“吨熟料余热发电量”进行比较则是不准确、不可靠的。
对于熟料热耗对发电能力的影响：根据研究及实际生产情况，一般来讲，当熟料热耗增加或减少7～8Kcal/Kg时，吨熟料余热发电量也响应增加或减少1kwh以上。也就是说，余热电站每多发1kwh电，窑系统将多消耗1～1.12Kg标准煤的燃料（这种结果，间接说明了采用提高熟料热耗增加发电量的办法是浪费能源的不可取的办法）。
第二部分:理论部分，即混合热效率(简称热效率)
如前所述，水泥窑纯低温余热发电技术的内涵是将水泥生产过程中产生的并且水泥生产过程本身已不能再利用的余热回收从而转化为电能，因此，采用理论上的“混合热效率”(既不是绝对热效率，也不是相对热效率)来对不同的纯低温余热发电技术的热量转换效果进行评价是科学、准确、可靠的，可以消除熟料热耗、熟料形成热、原燃料烘干所需废气参数、电站热力系统构成方式及蒸汽参数、熟料实际产量和规模、废热取热方式等因素的影响。
(1)定义：水泥窑纯低温余热系统热效率是指可用于发电的水泥窑总余热量转化为电能的比例，其数学表达式为：
|
热效率η= |
发电功率D×860×4.1868 |
|
可用于发电的总余热量∑Qi |
(2)物理意义：
发电功率D：即是余热发电系统输出功率，单位为kw
可用于发电的总余热量∑Qi由以下几部分组成，即
∑Qi=QSP+QAQC+Qtt+Qgt，
①QSP为可用于发电的窑尾废气余热，其计算方法为：
Qsp=Vzs(Tjs·Ctjs-Ths·Cths)+Vys·(Cths·Ths-135×1.42)
式中：Qsp—为可用于发电的窑尾总废气热量，KJ/h
Vzs—窑尾预热器排出的总废气量，Nm3/h
Tjs—窑尾预热器排出的废气平均温度，℃
Ctjs—对应于Tjs的窑尾废气比热，KJ/Nm3·℃
Ths—物料烘干所需要的废气平均温度，℃
Cths—对于应Ths的窑尾废气比热，KJ/Nm3·℃
Vys—扣除物料烘干所需窑尾废气量后剩余的窑尾废气量,Nm3/h
135—扣除物料烘干所需窑尾废气量后剩余的窑尾废气进入电收尘器允许的最低温度，135℃
1.42—对应于135℃的窑尾废气比热，1.42KJ/Nm3·℃
②QAQC为可用于发电的窑头废气余热，其计算方法为:
QAQC=VZA·TjA·CtjA
式中：QAQC—可用于发电的窑头总废气余热量，KJ/h
VZA—电站不投入运行时（或电站投产前）冷却机总排入大气的废气量，Nm3/h
TjA—电站不投入运行时（或电站投产前）冷却机总排入大气的废气平均温度，℃
CtjA—对应于TjA的冷却机排入大气废气比热，KJ/Nm3·℃
③Qtt为用于发电的窑胴体废热热量，单位为KJ/h。
对于窑胴体废热热量，目前有部分水泥厂进行了部分回收，但未用于发电，其它绝大部分水泥厂都未回收。当将窑胴体废热热量回收并用于发电时，计算发电系统热效率应按实际回收的窑胴体废热热量计算。
④Qqt为用于发电的其它热量，单位为KJ/h。
对于不同的余热发电技术或不同的水泥厂，其用于发电的热量除前述废热热量外，有可能还利用其它热量，如：
为了多发电，利用窑的部分二次风或三次风，这样势必增加熟料热耗，因此应将熟料增加的热耗或抽取的用于发电的二次风，三次风热量计入发电用热量；
为了多发电，改变物料烘干方式：将原本用于烘干的废气全部用于发电而改变物料烘干热源，即或者改用燃烧燃料的方法烘干物料，或者用其它方法烘干物料。但无论采用何种方式，应将物料烘干所用的热量计入发电用热量。
水泥生产线因配套建设余热电站所增加的其它能源消耗，换算为热量后均应计入发电用热量。
(3)应用举例：
例一：一条熟料产量为5500t/d的水泥窑，热耗小于3140KJ/kg。生料烘干采用窑尾废气，废气参数为：353600Nm3/h---210℃；煤烘干采用冷却机废气，废气参数为：30000Nm3/h---290℃；窑尾预热器排出的废气参数353600Nm3/h---330℃，窑头冷却机扣除煤烘干所需废气后排入大气的废气参数310000Nm3/h---290℃；仅利用窑头、窑尾废气余热配套余热电站。
当电站分别采用2.29Mpa—380℃、0.98Mpa—310℃主蒸汽参数时，热效率计算结果如下：
|
主蒸汽参数 |
0.98MPa-310℃ |
2.29MPa-380℃ | |
|
窑尾废气余热 |
预热器排出的废气参数 |
353600Nm3/h-330℃ |
353600Nm3/h-330℃ |
|
生料烘干所需废气参数 |
353600Nm3/h-210℃ |
353600Nm3/h-210℃ | |
|
用于发电的窑尾废气热量Qsp |
6504.36×104KJ/h |
6504.36×104KJ/h | |
|
窑头废气余热 |
冷却机排入大气废气参数 |
310000Nm3/h-290℃ |
310000Nm3/h-290℃ |
|
用于发电的窑头废气热量QAQC |
11837.57×104KJ/h |
11837.57×104KJ/h | |
|
用于发电的总废热量 |
18341.93×104KJ/h |
18341.93×104KJ/h | |
|
熟料热耗 |
3140KJ/kg |
3140KJ/kg | |
|
发电机功率D |
7800KW |
8880KW | |
|
热效率η |
15.3% |
17.42% | |
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吨熟料发电量 |
3140KJ/kg ---34KWh |
3140KJ/kg ---38.7KWh | |
例二：一条熟料产量为5500t/d的水泥窑，热耗小于3140KJ/kg。生料烘干采用窑尾废气，废气参数为：272000Nm3/h---270℃；煤烘干采用冷却机废气，废气参数为：30000Nm3/h---290℃；窑尾预热器排出的废气参数353600Nm3/h---330℃，窑头冷却机扣除煤烘干所需废气后排入大气的废气参数310000Nm3/h---290℃；利用窑头、窑尾废气余热配套余热电站。
当电站分别采用2.29Mpa—380℃、0.98Mpa—310℃主蒸汽参数时，热效率计算结果如下：
|
主蒸汽参数 |
0.98MPa-310℃ |
2.29MPa-380℃ | |
|
窑尾废气余热 |
预热器排出的废气参数 |
353600Nm3/h-330℃ |
353600Nm3/h-330℃ |
|
生料烘干所需废气参数 |
272000Nm3/h-270℃ |
272000Nm3/h-270℃ | |
|
扣除生料烘干所需窑尾废气量后剩余的窑尾废气参数 |
81600Nm3/h-270℃ |
81600Nm3/h-270℃ | |
|
用于发电的窑尾废气热量Qsp |
5085.27×104KJ/h |
5085.27×104KJ/h | |
|
窑头废气余热 |
冷却机排入大气废气参数 |
310000Nm3/h-290℃ |
310000Nm3/h-290℃ |
|
用于发电的窑头废气热量QAQC |
11837.57×104KJ/h |
11837.57×104KJ/h | |
|
用于发电的总废热量 |
16922.84×104KJ/h |
16922.84×104KJ/h | |
|
熟料总热耗 |
3140KJ/kg |
3140KJ/kg | |
|
发电机功率D |
7000KW |
8040KW | |
|
热效率η |
14.9% |
17.1% | |
|
吨熟料发电量 |
3140KJ/kg—30.5KWh |
3140KJ/kg—35.1KWh | |
例三：一条熟料产量为5500t/d的水泥窑，生料烘干采用窑尾废气，废气参数为：353600Nm3/h---210℃；煤烘干采用冷却机废气，废气参数为：30000Nm3/h---290℃；窑尾预热器排出的废气参数353600Nm3/h---330℃，窑头冷却机扣除煤烘干所需废气后排入大气的废气参数310000Nm3/h---290℃；利用窑头、窑尾废气余热同时抽取窑三次风35000Nm3/h--900℃配套余热电站，因抽取三次风熟料热耗由3140KJ/kg升至3360KJ/kg。
当电站分别采用2.29Mpa—380℃、0.98Mpa—310℃主蒸汽参数时，热效率计算结果如下：
|
主蒸汽参数 |
0.98MPa-310℃ |
2.29MPa-380℃ | |
|
窑尾废气余热 |
预热器排出的废气参数 |
353600Nm3/h-330℃ |
353600Nm3/h-330℃ |
|
生料烘干所需废气参数 |
353600Nm3/h-210℃ |
353600Nm3/h-210℃ | |
|
用于发电的窑尾废气热量Qsp |
6504.36×104KJ/h |
6504.36×104KJ/h | |
|
窑头废气余热 |
冷却机排入大气废气参数 |
310000Nm3/h-290℃ |
310000Nm3/h-290℃ |
|
用于发电的窑头废气热量QAQC |
11837.57×104KJ/h |
11837.57×104KJ/h | |
|
抽取的三次风热量 |
抽取的三次风参数 |
35000Nm3/h-900℃ |
35000Nm3/h-900℃ |
|
用于发电的三次风热量 |
5063.04×104KJ/h |
5063.04×104KJ/h | |
|
因抽取三次风增加熟料热耗 |
220KJ/kg |
220KJ/kg | |
|
用于发电的总废热量 |
23404.97×104KJ/h |
23404.97×104KJ/h | |
|
熟料总热耗 |
3360KJ/kg |
3360KJ/kg | |
|
发电机功率D |
9175KW |
10455KW | |
|
热效率η |
14.11% |
16.08% | |
|
吨熟料发电量 |
3360KJ/kg—40KWh |
3360KJ/kg—45.6KWh | |
五、评价方法的应用
5.1评价方法应用分析
从评价方法的构成、热效率的物理意义及所举三个实例计算结果来看：
（1）对于同一条水泥窑，发电用热热源相同，当发电热力循环系统采用不同的主蒸汽参数时，参数越高热效率越高，相应地吨熟料余热发电量也越高。这说明：根据热源温度的不同，实现热量根据其温度进行梯级利用的原理对提高余热发电能力的重要性；
(2)对于同一条水泥窑，发电用热热源不相同但主蒸汽参数相同时，热源温度越高，吨熟料余热发电量也越高，但电站热效率越低。这说明：利用水泥窑生产本身可以回用的高温热量来提高水泥窑的发电量，虽然发电量可以提高，但节能效果确降低，因此是不能提倡的；
(3)对于同一条水泥窑，发电用热热源相同但物料所需烘干热源温度不同时，烘干所需热源温度越高，吨熟料余热发电量越低，电站热效率也越低。这说明：从吨熟料余热发电量、电站热效率两个方面来评价，物料烘干对发电能力的影响基本是相同的；
(4)对于不同水泥窑配套建设的余热电站，由于发电用热热源不相同、采用的余热发电技术不同，电站热效率只能说明用于发电的热量转换为电能的比例不同，但不能说明实际发电功率的不同。
5.2评价方法的应用
如上所述，单一的“吨熟料余热发电量”或“热效率”都不能完整、准确的反映水泥窑纯低温余热发电技术的实际情况，本文提出的评价方法在于综合采用“吨熟料余热发电量”及“热效率”，其应用方法如下：
(1)在建设余热电站之前比较、确定余热电站技术方案时，单纯从节能角度来讲，对于不同的余热电站技术方案：如果用于发电的热源相同，则选择“热效率”高的方案(相应的“吨熟料余热发电量”也是高的)；如果用于发电的热源不相同，仍应选择“热效率”高的方案(相应的“吨熟料余热发电量”不一定是高的)，而如果“吨熟料余热发电量”同时也是高的，更应当选择此方案。
(2)对于已投产的余热电站，采用单一的“吨熟料余热发电量”或“热效率”来对余热电站及水泥窑自身进行综合考核都是准确、可靠的；
(3)对于已投产的不同水泥窑间的余热电站进行比较:如果某余热电站，不但“热效率”高，同时“吨熟料余热发电量”也高，则说明其余热电站的技术水平是高的；如果某余热电站“热效率”高“吨熟料余热发电量”低，则相对于另一套“热效率”低“吨熟料余热发电量”高的余热电站来讲，“热效率”高的余热电站的技术水平要高于“热效率”低的；
(4)对于“热效率”：由于水泥窑纯低温余热电站的热源温度较低，其“热效率”也就相对较低。对于带有五级预热器的新型干法窑来讲，纯低温余热电站的“热效率”一般在13～20%之间(大型火电站则在38～45%之间)。由于基数低，即使“热效率”只有微小的变化，对发电能力也将产生较大的影响，因此，水泥窑纯低温余热电站应当极力追求提高“热效率”，直至追求到提高百分之零点二，甚至是提高百分之零点一，这对水泥窑纯低温余热电站有重要意义。
六、结语
本文仅对水泥窑纯低温余热发电技术水平的评价方式进行了探讨，提出了初步的评价方法，目的在于提供给同行进行讨论或参考并力促相关管理部门尽早制定出完整、科学、准确的水泥窑纯低温余热发电技术的评价方法。由于笔者接触范围及技术水平所限，文中的某些观点可能有不当之处，敬请同行谅解。（中国水泥网 转载请注明出处）
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