试论水泥窑余热回收发电技术现状、问题及其发展

　　一、水泥窑余热发电以其良好的经济性和环境效益而快速发展
　　1、发展势头迅猛
　　随着国内技术和设备日臻成熟，近年来新型干法水泥窑余热发电迅速发展。据统计^[1]，到2009年底有498条新型干法熟料生产线余热发电投运，总装机容量3317MW，预计2010年底将有687条新型干法熟料生产线配置余热发电系统，装机容量将达到4785MW。容量超过三峡电站总装机的四分之一，而发电量超过三峡电站的三分之一。水泥余热发电的快速发展得益于其良好的经济效益和环境效益。

　　2、  经济效益

表1 5000t/d熟料生产线能源消耗情况及余热发电影响

　　表1为配备余热发电系统的某厂5000t/d线能源消耗组成，吨熟料发电的影响，以及对水泥厂的贡献。当吨熟料发电34kWh/t.cl时，发电回收电能占总能耗(电能与燃煤热能之和)比例不大，只有3.75%，但是余热发电可以满足水泥厂用电的一半以上，在能源采购成本中占有19.46%的份额，这与电能的高品位相一致。

　　当吨水泥熟料发电量由34kWh/t.cl提高到42kWh/t.cl时，发电对熟料的能源采购成本贡献将由19.46%提高到25.19%，可见改善余热发电性能，提高发电的重要性和必要性。表2为某配置余热发电的5000t/d水泥熟料生产线能源实际消耗状况及其核算。

　　投资余热发电，一半3～4年可回收投资。据估算^[2]，2008年水泥行业余热发电全年利润总额285亿元，创造的经济效益约33亿元，占总行业利润总额的11.6%。

　　3、  环境效益明显
　　水泥余热发电的环境效益主要体现在二个方面，首先以电力形式回收余热，实现SO₂、CO₂、NO_x等气体的排放；其次由于回收水泥部分余热量，直接减少了排入环境的热量，减少了热污染。

　　水泥窑利用余热发电满足生产线供电需求，相当于减少了发电燃煤，减少了燃煤产生的SO₂、CO₂、NO_x等有害气体的对大气的污染。2008年水泥行业利用余热发电量按71亿kWh计^[2]，则全年减排CO₂707万吨，SO₂21万吨，NO_x11万吨，粉尘193万吨。

　　同时，水泥废气经过余热发电回收部分热量，排入大气热量减少，少向环境排放约15%的窑头和窑尾总余热。

　　二、存在的问题
　　水泥余热发电对于水泥生产贡献良多，经济和环境成效显著，但也存在一些问题，主要表现在：

　　1、  发电量高低差异明显
　　余热发电系统可以随熟料生产线运转而运转，即与熟料几乎保持同步，可靠性高。但负荷率较低，一般在60～80%之间。考虑到余热发电机组没有燃烧系统，同时发电不受电网调度限负荷，按能力发电，故与电力行业燃煤发电机组比较，差距明显。

某水泥厂能源消耗状况

　　 发电量低，不仅发电低于目标值或保证值，而且小于装机容量。

　　目前吨熟料发电量大多在30～38 kWh/t.cl之间，有些更低些。如5000t/d的熟料生产线，

　　普遍装机为9或10MW，实际熟料生产量一般高于名义产量10%以上，按5600t/d计算，则保证发电功率为7.933MW；而相当部分机组最大发电小于7.5MW，按平均发电计算7kW计算，则发电为30kWh/t.cl，如果按平均发电6.5MW计算，则27.9kWh/t.cl，与理论计算值38～42 kWh/t.cl，比较尚有较大的差距。

　　发电高低差异原因有三：

　　第一发电水泥余热热源差别。以5000t/d熟料生产线为例，由于熟料配比、燃煤的因素，生料预热器出口烟气温度具有一定差值，通常在330～300℃之间，甚至更低；而烟气量也不同，有些高达37万Nm³,有些只有31.5万Nm³；而生料粉磨系统不同，烘干所需的烟气温度也不完全相同，综合以上因素，相同标称产量的熟料生产线提供的余热发电可利用热能可以相差30%。表3为有关因素对对余热发电量影响的评估表，其中以熟料特性和烧成系统影响为大。

　　如果由于可利用热能不足而使发电低，无法满足设置的装机容量，则显然设备闲置，造成浪费，相应维护费用升高。如5000t/d熟料生产线可利用热能只能满足6.5～7MW，按7.5MW而不是9MW配置发电机组，简单计算，相差16.7%的装机容量和相应的投资，而如果按7MW配置机组，则相差更大，为22.2%。

　　第二，技术能力存在差异。换言之各服务商在热源利用，发电系统拟合，设备选型，平面布置等方面存在区别和差异，不仅造成发电量差异，而且也将直接对投资、设备性能、可靠性以及维护等诸多方面产生影响，此外运营维护人员也亦参差不齐。

　　第三，运营商差异。有些企业把关较好，而有些不是以技术方案、性价比、实力等为重要考察要素，而是单纯以报价、以报出吨熟料发电量来评判服务商，并作为招标的依据，如此出现发电量低等问题就不足为奇了。

表3 影响余热发电量因素评估

　　2、简单追求吨熟料发电量或吨熟料热耗
　　部分水泥企业片面追求发电量，并以吨熟料发电量指标的高低评判发电服务商。而部份服务商为迎合水泥企业的意愿，在废气取气点上做文章，手段主要是与二三次风争风抢热或利用其它高温热能。其结果是可能发电量提高了，但是单位熟料热耗也提高了。

　　恰恰相反，有些企业不断追求吨熟料热耗的降低，和没有配置余热发电系统时一样。如某水泥厂，熟料热耗下降了15 kJ/kg.cl，但是余热发电也由7000～8000kW降到了4000～4500kW。

　　这两种现象具有一定的普遍性，均追求局部效益，而未考虑整体，有失偏颇，不可取。余热发电作为水泥熟料生产系统的子系统，其与烧成系统在目标本质上是统一的，需要服从于总能耗最小原则，而局部最优不一定整体最优。

　　3、重视发电量而忽视供电量
　　众所周知，有三个考察火力发电站经济性的指标，发电煤耗、供电煤耗和自用电率，这三者并不独立，由发电煤耗和厂用电率决定了供电煤耗，供电煤耗为机组或发电站能源利用水平的衡量指标，既用于不同机组之间用能评判，也用于同一机组综合评判，企业、行业用其进行比较和统计。

　　类似地，余热发电站在强调发电量时不能忽略自用电，衡量发电站贡献的是向外界提供了多少电能，而不是发了多少电能。事实上，有些供应商选择一些能耗高价格低的设备，发电站自用电量升高，当然供电量下降。因此，吨熟料供电量比吨熟料发电更全面，考核和统计更合适。

　　4、以吨熟料发电量评价余热发电系统不够全面
　　吨熟料发电量由于简单和直观而被大量使用，但其难以实现不同生产线间发电系统比较，也难以较好反映发电系统的完善程度。笼统的说吨熟料发电高，则“发得好”，吨熟料发电低，则“发得不好”，则又不够全面。

　　规模相当的水泥线，所配置余热发电系统发电量差别很大，如5000t/d线，有些发电8500kW，有些只有7000kW，差别明显。如果单纯以吨熟料发电来说二者相差明显，似乎高下立判。前已述及，对相同熟料生产能力的不同生产线，所配置的SP锅炉可利用热能，可能相差30%。对于本例，如果发电7000kW的机组可利用热能比8500kW的机组低20%，则应是7000kW机组“发得好”，所以吨熟料指标难以全面衡量热能利用状况。

　　众所周知，余热发电受可利用余热质量的影响非常大，其次与发电系统的技术水平和运行维护相关。关于可利用余热资源的质量，对窑头余热，可用两个参数即可利用热空气量和温度表示；对于窑尾余热，可以以C1筒出口温度和烟气量，以及高温风机入口需要烟气温度等三个参数基本决定，如果更准确些，则需要增加烟气分组。余热资源与熟料性质和配比、燃煤性质，烧成工艺，生料和燃煤粉磨系统配置，实际熟料产量，熟料烧成等系统的运行维护水平，以及其它要素的影响，这些要素为非发电系统本身要素。各因素及其影响相对大小见表3。

　　对给定的水泥生产线，如具有相同的吨熟料发电量，由于自用电不同，对外的供电也将不同，所以“发得好”固然重要，但是“供得好”更重要。

　　以吨熟料发电评判余热发电系统，不科学，不完整，难以准确全面比较不同发电系统，因为其受许多余热发电系统之外的因素影响。考察评价余热发电系统，应摒弃除非发电系统要素，从发电系统本身出发。当然投资的差异，也会对发电系统产生影响。

　　需要说明，吨熟料发电量这一指标以其简单直观而具有固有的优势，可以使用在同一条线的不同方案比较，以及同一条线的不同时间段发点状况的比较，也可以用在各水泥厂的统计以及行业统计。

　　三、水泥余热发电的发展方向
　　1、  加大研究力度，提高对热源特性的把握
　　水泥窑余热发电系统负荷率不高，一般为装机的60～80%之间，考虑到余热发电机组没用燃烧系统，同时没有调度限负荷，而是按能力发电，因此与电力系统火电机组比较，差距明显。其原因较多，但莫过于对热源特性认识掌握不足，有照葫芦画瓢之嫌。一些水泥发电服务商开展了篦冷机工作特性研究，在此基础上对不同AQC锅炉取热方式进行了不同优化，等等，但是从整个行业来看，仍然需要加强继续努力，加强在下列方面的研究工作：

　　1）  篦冷机工作特性的研究；
　　2）  AQC锅炉不同取风方式对篦冷机影响的研究；
　　3）  悬浮预热器出口烟气量和烟气温度的影响因素研究；
　　4）  余热锅炉和烧成系统的能量耦合和优化研究。

　　2、熟料烧成和余热发电作为一个整体，通过用能协调优化，追求整体能耗最小
　　余热发电对水泥熟料生产为较新的系统，为水泥熟料生产的必要配置和附属系统，回收熟料烧成余热，降低水泥熟料能耗。因此，简单追求熟料烧成热耗或余热发电量都有失偏颇，更不用说水泥烧成和余热发电争风抢热，甚至完全对立了。

     配置余热发电后，必然对水泥熟料烧成产生影响。窑头锅炉的阻力使头排风机电耗增大，窑头锅炉的降温使头排风机电耗减小，窑头锅炉设置而使漏风增加。在窑尾，烟气由增湿塔改走余热锅炉，无疑阻力增大，漏入空气量增多，但是不用喷水。凡此种种，必然影响头排风机和高温风机工作，影响其电耗。同时窑头锅炉和二三次风等存在争风抢热现象。所有这些影响，在招标和设计中均应予以充分考虑。

　　同时余热发电系统的本身用电需要引起重视，再设计和考核中应纳入其中。

　　所以，对于配置了余热发电的水泥熟料烧成系统，理应考察熟料生产总体能耗，包括燃煤消耗，辅机电耗（或水泥生产电耗）和余热发电回收电能，三者的代数和最小，即包括熟料生产系统综合能耗最小。但对企业，单位熟料能源采购费用最小也很重要。

　　1）单位熟料综合能耗
　　单位综合能耗E_intg定义为

　　其中W_xons为包括余热发电系统在内的熟料生产系统电耗，kW；
　　　　W_wrhg为余热发电系统的发电功率，kW；
　　　（或者W_xons为不包括发电系统的熟料生产电耗，kW；W_wrhg为余热发电系统供电功率，kW）
　　　　G_cl为单位时间内的熟料产量，kg/s
　　　　Q为单位熟料生产所消耗燃煤具有的热能，kW。

　　　　（其中G_coal为单位时间内消耗原煤量，kg/s，Q_net为燃煤低位发热量，kj/kg。）

　　2）  单位熟料能源购置费用

　　其中α为购电成本，元/kWh；
　　　　β为原煤成本，元/t
　　其它参数同上。

　　3、加强热力系统配置和优化的研究
　　多年来，多家水泥窑余热发电技术和设备服务商做了大量的研究工作，不论是在系统优化，余热锅炉和汽轮机开发，以及参数优化和选择，这些工作有力推动了水泥余热发电快速发展，但同时由于市场的快速发展，在一定程度上也影响研究工作的更深入发展，所以有必要在以下方向继续做好进一步的研究：

　　1）AQC锅炉和SP锅炉的协调；
　　2）AQC锅炉热量利用方式优化；
　　3）SP锅炉与悬浮预热器热量优化；
　　4）给水除氧系统优化；
　　5）循环冷却系统优化。

　　4、科学规范余热发电评价指标
　　余热发电系统设置，必然会对水泥烧成系统产生影响，除了使水泥厂外购电减少的积极影响外，对窑头除尘器、头排风机、煤磨、烧成、高温风机和生料研磨等环节都会产生作用。

　　如前面所分析的，水泥企业终极追求为烧成综合能耗最低或烧成能源购置费用最低。而对独立的余热发电系统，该如何全面评价呢？显然吨熟料发电、发电热效率等均不够完整，难以全面评价或衡量其用能效果，也难以对不同水泥余热发电装置间进行比较。为此，应引入发电（火用）效率、自用电和供电（火用）效率等三个指标。

　　1）  发电效率
　　对于确定参数的废热，其单位最大做功能力可以用热力学参数来表示，回收得到能量即发电量占可利用废热的百分比定义为发电效率，发电效率表示了系统对余热的利用充分程度，可衡量余热发电系统和装置性能，即该系统的电能转换能力。系统效率为：

　　其中W_gen为通过发电系统获得的，即发电量；
　　　　E_x为发电系统可利用的外界总。

　　效率与热效率η的关系为

　　其中E为系统可利用的总能量，其由E_x和无用能E_n两部分组成；
　　λ为能质系数，表示在可利用的总能量E中，可以转化为功即的部分所占份额。

　　2)自用电率
　　余热发电系统发出的电能，其中的少量被自己消耗，对外输送电能减少，以自用电率p表示发电系统自消耗的电能W_cons占所发出电能W_gen的百分数；

　　3)供电效率
　　以供电效率表示发电系统向外界提供的电能占发电系统可用能的百分比。以效率能够全面评价余热发电系统电能转换程度。

　　以上三个指标中，自用电率的计算简单直观，而发电效率和供电效率稍抽象，比自用电率和热效率计算稍复杂，在火力发电行业，由于普遍使用煤炭发电，热效率大致足够，所以效率没有被大量推广使用，只在某些必要的分析过程使用。但对于余热发电系统，热效率的局限较突出，所以为了全面评价和比较不同热源的不同发电系统有必要推广使用效率。

　　5、余热发电模式多样化
　　先余热发电均为常规模式，即水和水蒸气的朗肯循环。无疑，由于水和水蒸气价格低廉，无毒无污染以及在高位区段良好的性能而被广泛采用。但是水泥循环发电效率较低，这是由于水泥的工程热物理特性所决定的，由于水的临界温度低而临界压力高，同时在环境温度下饱和压力很低，而在低压下饱和温度较高，等等，所以目前水蒸气朗肯最高的循环效率也只有40%左右，而余热发电系统的循环效率则更低，所以开发适合发电的新工质，特别是低温发电工质，受到普遍的重视，近数十年来，利用有机工质朗肯系统发电，以及其它形式发电的研究工作正在逐渐展开，主要为HFC-245fa、R123、R113等工质。除了单一工质循环，采用混合工质如氨水混合物的Klina循环，充分利用各工质的热力学特性，为另一个研究方向，据报道，已在低温工业废热回收发电和地热发电方面获得一定的应用[3]。而且国内有关大专院校，以及技术服务公司已开始研究或引进相关技术。

　　作为常规水和水蒸气工质发电的必要补充，开展有机热工质以及其它形式的发电技术研究，开发适合水泥余热，以及其它余热的发电工质、技术和设备，对于我们这样的资源不足，而工业规模庞大和种类繁多的大国很有必要。

　　6、余热回收利用形式多样化
　　目前水泥厂的余热利用基本都是采用余热发电。无疑，由于电力的清洁，传输便捷和发电系统的相对成熟，以电力形式回收余热通常具有较大的优势。其实余热利用可以有多种形式，且各有所长，并非华山自古一条道。除了发电，可以制冷，采暖，同时部分余热可以考虑被水泥生产工艺直接回收，各种利用形式也可以互补或存在，而事实上有些单位正在进行有价值的研究和尝试，且效果明显。

　　四、结论
　　1、水泥窑余热发电以其良好的经济效益和环境效益而获得快速发展。

　　2、水泥窑余热发电成效显著，但问题不少，突出表现在由于种种原因而使发电远小于装机容量，没有充分挖掘余热资源，或余热不足造成投资浪费；以及简单追求吨发电或水泥熟料热耗，没有把二者作为整体，追求整体利益最大；同时对余热发电系统的评价也不够全面和完整。

　　3、为了水泥窑余热发电系统的更好发展，需要加强对于热源特性、热力系统优化和热源优化方面的研究工作，充分挖掘和优化利用余热资源。

　　4、发电效率、自用电率、供电效率等指标，能够客观全面而有效的衡量余热发电系统的完善程度。

　　5、水泥余热发电为水泥熟料生产的子系统，与熟料烧成等系统组成熟料生产系统，追求水泥熟料综合热耗或吨水泥熟料能源成本最小或最满意，为配置余热发电的熟料生产系统目标。

　　6、通过完善水和水蒸气朗肯循环余热发电系统，引入其它模式余热发电系统，余热利用多样化，以及协调烧成和余热发电用能等手段，降低水泥熟料生产消耗，追求配置余热发电的水泥熟料生产企业收益最大化。

参考文献
　　[1]曾学敏.与共和国共铸辉煌——水泥行业余热发电事业发展报告，中国水泥，2009.10 18～22
　　[2]曾学敏.余热发电再创辉煌，中国水泥网
　　http://www.chinacements.com/news/2009/3-24/C173029625.htm
　　[3]丁力.Kalina循环及其在电站中的应用，热能动力工程，1998.11