水泥工业纯低温余热发电技术及其效益分析

　　O 概述

　　随着我国经济的高速发展，能源紧缺的矛盾日趋突出，多个地区闹煤荒、电荒。但我国在能源使用上又客观存在着一些不合理的现象，导致能源大量浪费。其中最突出的浪费是对能源没有“量才而用”，普遍地把煤炭、石油、天然气等高品级能源“降级使用”，只为取得100℃左右温度较低的热介质，用于采暖、空调、生活用热等。同时，又有大量工业低温余热、废气丢弃不用。煤炭、石油、天然气等高品级能源均是获取电能、热能的源泉，但是它们在转换成电能、热能的过程中，效率不高，且转换过程中所产生的废气余热、粉尘、有害气体对环境污染很大。这样的能源使用结果不仅造成了惊人的能源浪费，而且还污染了环境，给人们的生命健康带来了危害。

　　纯低温余热发电技术是利用中低温的废气产生低品位蒸汽，来推动低参数的汽轮机组做功发电。它是当前节能和环保要求下的必然趋势和产物。其与火电发电相比，不需要消耗一次能源，不产生额外的废气、废渣、粉尘和其他有害气体，是控制大气污染，保护臭氧层，减少能源消耗的有效手段和途径，也是企业提高能源利用效率，降低成本，提高产品市场竞争力，减少CO2气体排放和保护环境的重要措施之一，是切实贯彻我国实施可持续发展的战略。因此，如何运用新技术和新设备提高能源利用效率成为了各行各业关注的焦点。

　　1 水泥工业能源使用现状

　　水泥工业作为能源消耗大户，对能源紧缺有切肤之痛。2003年下半年以来，国内煤电油运全面紧张，煤荒电荒矛盾加剧，劣质煤充斥煤炭市场。水泥企业对煤炭的质量有严格的要求，但是现在买到的煤炭质量太差，某些省份的煤炭的平均发热量还不及正常值的一半，技术指标也达不到要求，许多水泥企业不得不调整水泥生产物料配方，以保证水泥质量。劣质煤也导致了火力发电厂发电量不足，间接影响了水泥企业的生产。

　　虽然近年来我国水泥工业技术取得了长足进步，系统能耗有所降低，吨熟料电耗已降至55～60kWh。但我们应看见，水泥工业在进一步节省能源的方面还可大有作为。

　　2004年我国水泥总产量约9．4亿t，能源总耗量为1．5亿多吨标煤。水泥工业是能源消耗大的产业，水泥生产的能源主要依靠煤炭、电力，而且要产生大量的废气，粉尘排放量占我国工业行业粉尘排放总量的40％，CO2的排放量占我国CO2排放总量的20％。尤其是我国现已加入《京都协议》后，水泥工业所面临的能源和环保的压力都非常巨大。目前新型干法水泥生产线已使单位水泥熟料的热耗大幅下降，但其窑头熟料冷却机和窑尾预热器仍排放了大量350℃以下的废气，其热量约占水泥熟料烧成系统总热耗量的30％。充分利用烧成系统所产生的废气余热等低品级能源，成为当今我国水泥工业的重要研究课题和推广项目。

　　随着纯低温余热发电技术的日益成熟及其技术经济的可行性，它已越来越受到人们的高度重视。从国务院制定并出台的一系列开展资源综合利用的政策和新型干法水泥生产线纯低温余热发电项目被列为落实节能规划的首批专项国债项目中，可以看到水泥工业纯低温余热发电前景广阔。

　　2 水泥工业纯低温余热发电技术的应用现状

　　纯低温余热发电及余热利用在我国的冶金、化工、食品等行业早已得到推广使用。由于水泥工业废气温度相对较低且含有大量粉尘，因此在实际运用中存在一定的难点。在水泥窑余热发电领域，日本水泥工业是应用得最广泛、最成功的。到目前为止，日本有80%以上的水泥厂配置了纯低温余热发电系统，平均熟料发电量约40kWh／t。

　　1998年初，通过引进日本川崎重工的技术，我国水泥工业第一条纯低温余热发电系统在海螺集团宁国水泥厂4 000t／d生产线建成，一次性并网发电成功。该系统采用四级预热预分解系统、进口余热锅炉，进口混压进汽式汽轮机，装机容量6 480kW，设计吨熟料发电量33．8kWh，自投入正常生产运行以来，实际平均熟料发电量约38．6kWh／t。发电系统的运转率相对于烧成系统在90％以上。广西柳州水泥厂3 200t／d的四级预热器预分解窑纯低温余热发电工程于2004年7月建成投产，也是一次性并网发电成功。系统采用进口锅炉，国产凝汽式汽轮机，余热电站装机容量6 000kW。投产以来发电量就基本稳定在5 500kW 以上，实际平均熟料发电量约37．95kWh／t。

　　在消化、吸收引进的日本纯低温余热发电技术基础之上，我国水泥工业开始了国产化的道路。1999年，国产化第一条纯低温余热发电系统在江西万年2 000t／d生产线得以建成投产，配套机组为3 000kW，实际发电约2 200kW，单位熟料发电量约23．76kWh／t。2003年，上海金山1350t/d生产线国产化纯低温余热发电系统建成投产，配套机组为2 500kW(指汽轮机)，实际发电约1 800kW,单位熟料发电量约28.8kWh／t。国产化纯低温余热发电技术已基本具备全面推广的条件。

　　3 纯低温余热发电技术简介

　　3．1基本原理

　　30℃左右的软化水经过除氧器除氧后，经水泵加压进入窑头AQC锅炉省煤器，加热成190℃左右的饱和水；饱合水分成两部分，一部分进入窑头AQC锅炉汽包，另一部分进入窑尾SP锅炉汽包；然后依次经过各自锅炉的蒸发器、过热器产生1.2MPa、310℃左右的过热蒸汽，汇合后进入汽轮机做功，做功后的乏汽进入冷凝器，冷凝后的水和补充软化水经除氧器除氧再进行下一个热力循环。窑尾SP锅炉出口废气温度为220℃左右，用于烘干生料。

　　3．2技术特点

　　火力发电厂为了提高发电效率，节省燃料，不断向高温、高压方向发展，目前已在研究试验超临界参数的发电技术。而纯低温余热发电则完全不同，其热源品位低，不需要任何补燃，直接利用水泥企业向大气中排放的中低温的废气余热来发电，因此所采用的技术和设计原则与常规的火力发电截然不同。而且，水泥工业的废气与其他行业的可利用废气也还具有不同的特点：

　　(1)废气品位低，工况波动大。通常窑头废气温度为250～350℃，窑尾废气温度为320～400℃。废气参数常有波动。由于回转窑和窑尾系统热容量大，热惯性强，废气参数相对稳定，温度波动通常可控制在15℃以内；但窑头篦冷机的热惯性则较弱，对窑况的变化较为敏感，窑头废气参数波动大，温度波动可达100～150℃。尤其是在换热效果差的老式篦冷机上，这一点表现得更为明显；

　　(2)废气含尘浓度大、磨蚀性强。窑尾废气含尘浓度约60～80g／Nm3，粉尘较黏；窑头废气含尘浓度约30～40g/Nm3，粉尘磨蚀性强；

　　(3)系统可利用余热通常由窑头、窑尾两个点提供；

　　(4)系统流程复杂，设备配置要求高。

　　3．3主机选型

　　可靠的国产主机设备是实现国产化余热发电技术的前提，系统的设计也是基于有可靠的主机设备作保障。在纯低温余热发电领域，国内的设备厂家经过多年的研究，已经开发出能够适用于水泥厂纯低温余热发电的相关设备。从已经建成的全国产化余热发电项目来看，运行情况基本良好。主机设备的选型原则如下：

　　(1)AQC锅炉为立式锅炉，采用自然循环或强制循环方式，锅炉前面设置沉降室或旋风筒除尘，避免熟料颗粒影响传热和磨损，换热管为螺旋鳍管；SP锅炉为立式锅炉(进口锅炉为卧式锅炉)，自然循环或强制循环方式，换热管为光管，采用机械振打清灰。余热锅炉一直是水泥行业余热发电的关键设备，这在引进生产线中也反映出这一点。其关键在于针对废气特点：如窑尾废气中含尘浓度高，粉尘附着力强；窑头废气含尘浓度相对较低，但熟料粉尘磨蚀性强。采取相应措施，确保系统有效清灰和高效率的热交换，管线设计中避免粉尘堆积和管线磨损。从宁国、柳州及金山的运行情况看，SP余热锅炉的清灰还是机械振打效果好；万年采用超声波、压缩空气以及蒸汽吹扫进行清灰，效果均不好，影响系统正常运行。而在窑头AQC锅炉前，则需要增设沉降室或旋风筒进行预收尘处理。通过设计院和锅炉供货商的共同努力，现在已成功研制了性能可靠的余热锅炉。由于废气的特性，水泥行业余热锅炉的体积、质量都相对较大。

　　(2)汽轮机采用凝汽式汽轮机或补汽凝汽式汽轮机，发电机采用空冷式发电机。凝汽式汽轮机运转可靠，但效率相对较低；补汽式汽轮机是发展的方向，但采用国产补汽式汽轮机的金山水泥厂使用效果欠佳，它是将原抽汽凝汽式汽轮机的抽汽口改为补汽口，加之窑头废气工况波动大，设备运行不稳定，补汽常补不进去。现工厂已将此补汽口关闭。补汽凝气式汽轮机的性能还需进一步改善和提高。

　　3．4系统设计

　　水泥厂烧成系统的运行状况是其配套余热发电系统的基础，对此，我们必须引起充分的重视。

　　根据水泥厂废气的特点，在项目建设前期，就必须对水泥厂能源消耗和余热状况进行客观地综合分析，在此基础上，进行余热发电系统热力系统计算和方案比较，选择最适宜的热力系统流程、配套最经济的余热锅炉及发电机组。

　　由于燃、原料的变化和操作水平的差异性，相同规模烧成系统所产生的废气参数在不同工厂的运行中具有一定的差异性，尤其是窑头废气参数波动相对较大。新建生产线配套余热发电系统时，一定要对同规模的生产线的实际操作参数做详细调查；已有生产线新增余热发电系统时，更应结合现有生产数据，在热工标定的基础上，切实掌握余热的参数，再确定系统流程、发电规模，选配适当的余热锅炉和发电机组，达到最大限度利用余热的目的。切忌照搬照套，有针对性的设计，方可使企业和社会获得最大效益。同时要求余热电站在正常运行时不能影响原水泥生产线的正常生产。

　　各个水泥厂的可利用余热条件不同，对纯低温余热发电系统设计也有不同的要求，可有多种变化，但总体上可以分为三类：

　　(1)采用单压进汽的凝汽式汽轮机组(见图1)。系统简单可靠；

　　图1   采用凝汽式汽轮机组系统简图

　　(2)利用余热锅炉产生双压蒸汽，配套补汽凝汽式汽轮机组(见图2)。在设备可靠、系统运转率可以保证的前提下，系统效率高于凝汽式汽轮机组；

　　(3)利用余热锅炉和热水闪蒸技术产生双压蒸汽，配套补汽凝汽式汽轮机组。这种工艺的发电效率高，在宁国水泥厂得到很好使用。国内现在也正进行这方面的研究和实践。

　　图2采用双压锅炉的补汽凝汽式汽轮机组系统简图

　　在除氧方面，可采取化学除氧或真空除氧，均稳定可靠。在循环水冷却方面，鉴于发电机组规模较小，建议采用玻璃钢冷却塔。整个余热发电系统采用先进的DCS集散控制系统，发电机及配出柜保护装置使用微机保护。

　　此外，对于余热发电有富余蒸汽的，还可考虑采用热电联供方式。由余热电站提供富余蒸汽，供给水泥厂浴室、食堂、采暖、制冷等用热。

　　4 纯低温余热发电项目的效益分析

　　纯低温余热发电是不带补燃锅炉的蒸汽动力循环发电技术方案。由于该方案不使用燃料来补燃，因此不对环境产生附加污染；其次没有补燃锅炉，蒸汽参数较低，其运行操作简单方便，运行的可靠性和安全性高。缺点是由于余热的品位低，其效率相应较低，装机容量较小，单位功率设备投资难以降低。这种电站虽然初期投资较高，但其运行成本低，日常管理简单，对用户来说是较有利的选择，也是收益比较高的余热电站。

　　以1条2 500t／d的新型干法水泥生产线为例：窑头、窑尾配套国产余热锅炉，汽轮机采用凝汽式汽轮机。系统设计小时发电量可达3 500kWh，结合发电机组的规格，选配3 000kW的汽轮机组较合适。实际小时发电量按3 000kWh计。以年运转300d计算，年发电量2 160万kWh，相当于节省标准煤约1.1万t，减少CO2排放约2万t。扣除系统自耗电10％，年供电量1 944万kWh。吨熟料发电能力可达25.92kWh。

　　利用纯低温余热发电技术，采用国产装备，纯低温余热发电系统总投资约1 950万元。按照外购电价0.50元／kWh估算，扣除余热电站供电成本约0．1元／kWh，吨熟料成本可下降约10.37元。系统总投资在建成后2．5～3年内可收回成本。由此可见，建设纯低温余热电站，可有效降低企业生产成本，提高产品竞争力，为企业带来良好的效益，企业和社会做到双赢。

　　5 结束语

　　利用水泥生产中产生的废气余热作为热源的纯低温余热发电，整个热力系统不燃烧任何一次能源，在回收大量造成环境热污染的废气余热的同时，所建余热发电站不仅发电成本低，经济效益好，还可以缓解电力紧张的矛盾；同时，减少CO2排放，对保护生态环境，起着积极作用。

　　作为能源消耗大户的水泥工业，煤、电紧张已经严重制约水泥的发展。特别是电力短缺，使部分地区水泥企业不能连续生产，不但直接影响水泥生产和市场供应，对水泥窑的安全运转也带来较大隐患。有关专家预测，电力紧张局面至少要3～4年才可缓解。因此，国家制定并出台了一系列开展资源综合利用的政策，节约和合理利用现有的各种资源，减少资源的占用和消耗，鼓励利用工业生产过程中产生的余热，余压建设余热发电项目，以缓解电力供应紧张的局面，减少企业的损失。

　　水泥窑纯低温余热发电能将废气中的热能转化为电能，可有效的减少水泥生产过程中的能源消耗，节能效果显着。同时，废气通过余热锅炉降低了排放的温度，含尘浓度也大大降低，可有效地减轻水泥生产对环境的污染，环保效果显着。因此，这项兼具经济效益和社会效益的技术，必将具有良好的推广价值和应用前景，成为我国水泥工业实现可持续发展的一项重要举措。