水泥廠中低溫純余熱發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用

　　0、概述 

　　水泥制造業(yè)是個高能耗產(chǎn)業(yè)，能源費用的支出在其生產(chǎn)成本中占有很大的比重，所以人們一直在尋求降低能耗的生產(chǎn)方式和回收能源的辦法。30年代初，人們發(fā)明了中空窯余熱發(fā)電生產(chǎn)工藝，利用窯尾的余熱回收了大量的電力。50年代以后，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們又相繼應(yīng)用了干法預(yù)熱器和預(yù)分解窯水泥煅燒工藝，使水泥窯的燒成熱耗大大降低，熟料的燒成熱耗由過去的6700kJ/kg左右降到了現(xiàn)在的3140kJ/kg左右，窯尾的廢氣排放溫度由過去的800℃以上降到了400℃以內(nèi)。雖然熱效率提高了一倍多，但熱利用率也只有55%左右，對此人們還在繼續(xù)探索新的節(jié)能措施。70年代末80年代初，西方發(fā)達(dá)國家和日本相繼將水泥窯的中低溫余熱發(fā)電技術(shù)投入工業(yè)應(yīng)用，并取得了滿意的效果。尤其是該技術(shù)在日本國內(nèi)廣泛采用，而且已出口到了臺灣、韓國和東南亞地區(qū)。

　　1995年日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)委托日本川崎重工業(yè)株式會社向?qū)巼鄰S無償提供一套技術(shù)成熟的中低溫純余熱發(fā)電技術(shù)和設(shè)備，用于4000t/d水泥熟料生產(chǎn)線，發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量6480kW。1996年11月正式動工，1997年12月初開始單機(jī)試運(yùn)行，1998年2月6日一次并網(wǎng)發(fā)電成功，在窯系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行正常，發(fā)電功率基本保持在額定功率以上。設(shè)計年發(fā)電量為4087萬kW·h；噸熟料發(fā)電能力為33.8kW·h。實際運(yùn)行的小時發(fā)電量為7000kW·h，噸熟料發(fā)電量為42kW·h。以年發(fā)電7 440h計，年發(fā)電量5208萬kW·h，扣除系統(tǒng)自耗電8%，相當(dāng)于噸熟料供電量為38.64kW·h，而原材料消耗成本不足0.02元/kW·h。國內(nèi)某廠2000t/d熟料生產(chǎn)線(4級預(yù)熱器)配置的中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，全部采用國產(chǎn)設(shè)備，總的靜態(tài)投資2000萬元左右，設(shè)計發(fā)電機(jī)裝機(jī)功率3 000kW，設(shè)計小時發(fā)電量2800kW·h，即噸熟料發(fā)電量33.6kW·h，1998年初正式動工，1999年初一次并網(wǎng)發(fā)電成功，現(xiàn)仍處在調(diào)試階段，因鍋爐受熱面配置有一處偏小需要調(diào)整，實際小時發(fā)電量為2400kW·h，但它為我國的水泥廠中低溫余熱發(fā)電技術(shù)及國產(chǎn)設(shè)備的成功應(yīng)用開了一條先河。從上述兩廠的實際運(yùn)行結(jié)果來看，在新型干法水泥窯生產(chǎn)線上配套建設(shè)中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，只是充分利用了水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量廢氣余熱進(jìn)行回收發(fā)電，對水泥的生產(chǎn)過程沒有大的影響，只要適當(dāng)調(diào)整一些操作參數(shù)，使水泥窯能穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)電系統(tǒng)亦能穩(wěn)定運(yùn)行，且回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率越高，發(fā)電成本越低。該技術(shù)的應(yīng)用既可降低水泥的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，也可為國家節(jié)約大量的電能，緩解供電的緊張狀況。 

　　1、水泥廠中低溫純余熱發(fā)電的特點及工藝流程 

　　在水泥廠，中低溫純余熱發(fā)電與中空窯余熱發(fā)電不同，有其特殊性。1)中低溫純余熱發(fā)電技術(shù)僅用在帶預(yù)熱器的窯上且完全利用其余熱發(fā)電；2)廢氣余熱的品位比較低，廢氣溫度一般在200～400℃之間；3)可利用的廢氣余熱源在一個以上；4)余熱發(fā)電配置的熱力系統(tǒng)相對較復(fù)雜；5)熱力系統(tǒng)的壓力等級相對較低；6)單位發(fā)電量的設(shè)備體積和重量相對較大。因此，在系統(tǒng)的選擇和配置、應(yīng)用和投資分析上都是一個新的課題。中低溫純余熱發(fā)電的基本工藝流程圖見圖1。 

　　2、發(fā)電規(guī)模的確定 

　　首先對工藝系統(tǒng)的余熱量進(jìn)行核算以便確定余熱發(fā)電的規(guī)模。一般來說余熱量取決于生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)工藝。對于同一種生產(chǎn)規(guī)模若采用不同的生產(chǎn)工藝和設(shè)備，那么余熱量也有較大的差別。一般中低溫純余熱發(fā)電系統(tǒng)的余熱回收分為兩部分：其一是窯尾預(yù)熱器出口的廢氣余熱；其二是窯頭冷卻機(jī)出口的廢氣余熱。 

圖1　某2 000t/d水泥廠余熱發(fā)電工藝流程 

對于窯尾余熱一般生產(chǎn)工藝考慮出預(yù)熱器的廢氣余熱部分回收作為生料磨的烘干熱源，多余部分經(jīng)增濕除塵后排放。若增加余熱回收裝置，不能只簡單地回收多余部分的廢氣余熱，而要與生料磨系統(tǒng)綜合起來考慮，盡可能將高溫廢氣提供給余熱鍋爐，而將余熱鍋爐的排氣送給生料磨，這樣余熱鍋爐可以利用較大的溫差生產(chǎn)蒸氣，回收的熱焓高，鍋爐的受熱面小，耗鋼量小，產(chǎn)氣的壓力等級相對較高，有利于提高整個系統(tǒng)的效率。我們曾對某廠窯尾的余熱回收作過比較，其結(jié)果見表1。 

表1　窯尾余熱回收情況 

注：廢氣量為標(biāo)準(zhǔn)狀況下。 

　　鍋爐的排煙溫度受到給水溫度的限制，不可能很低，而生料磨的排氣溫度可到90℃左右。余熱鍋爐設(shè)在生料磨前，余熱鍋爐的排煙溫度就是入生料磨的廢氣溫度。這一溫度的確定受兩個條件的制約。1)入生料磨的原料綜合水分；2)生料磨的操作風(fēng)量。對此可通過生料磨系統(tǒng)的熱平衡計算來初定。然后兼顧考慮余熱回收熱力系統(tǒng)的蒸氣參數(shù)，可確定余熱鍋爐的排煙溫度，即可確定窯尾鍋爐的余熱量。若窯尾有煤磨系統(tǒng)也需一并考慮。 

　　窯頭冷卻機(jī)的余熱量的大小除與生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)外還與燒成熱耗和冷卻機(jī)的效率有關(guān)。一般是熱耗高，余熱量小；冷卻機(jī)熱效率高，余熱量少。篦冷機(jī)的余熱回收有下面三種形式：1)余風(fēng)直接利用；2)中部抽氣；3)帶回?zé)嵫h(huán)。三種形式分別見圖2、圖3、圖4。 

圖2　余風(fēng)直接利用形式 

圖3　中部抽氣形式 

圖4　帶回?zé)嵫h(huán)形式 

　　從三種情況看第一種系統(tǒng)簡單，篦冷機(jī)無需改造，但廢氣溫度低，溫差小，余熱鍋爐體積大，耗鋼量大；第二種系統(tǒng)簡單，回收的廢氣溫度高，可減小鍋爐體積和耗鋼量，且生產(chǎn)的蒸氣溫度、壓力均可提高，但篦冷機(jī)需進(jìn)行一定的改造。第三種系統(tǒng)較復(fù)雜，但余熱回收量可顯著提高。具體采用何種形式要根據(jù)各個廠的實際情況確定。窯頭篦冷機(jī)的形式及取氣方式?jīng)Q定了窯頭回收的余熱量。最終根據(jù)窯頭窯尾的余熱量可確定發(fā)電的規(guī)模。 

　　3、系統(tǒng)的主要設(shè)備及系統(tǒng)配置 

　　3.1　余熱鍋爐 

　　余熱鍋爐按布置形式可分為立式和臥式兩種，按循環(huán)方式又可分為強(qiáng)制循環(huán)和自然循環(huán)。在中低溫純余熱發(fā)電系統(tǒng)中，一般設(shè)置兩臺余熱鍋爐，一臺為窯尾鍋爐通常稱SP爐，一臺為窯頭鍋爐通常稱AQC爐。

　　SP爐設(shè)置在最后一級預(yù)熱器和窯尾主排風(fēng)機(jī)之間。廢氣溫度一般在300～400℃之間，含塵量高，一般為標(biāo)準(zhǔn)狀況下50～80g/m3，廢氣的負(fù)壓較大。要求鍋爐的換熱原件不易積灰，受熱面布置便于清灰，且鍋爐的密封性能要好。采取的布置形式一般根據(jù)工廠的場地、粉塵的堆積特性等條件確定。寧國水泥廠的SP爐選用了臥式鍋爐。臥式鍋爐的特點是煙氣在爐中水平流動，受熱面是蛇形光管，豎直布置上端固定在構(gòu)架上，下端為自由端，并焊有振打裝置之連桿，特殊設(shè)計的振打裝置對受熱面定期振打，加之蛇形管為豎直懸吊在構(gòu)架上，可使受熱面保持干凈無灰，從而保證了很高的傳熱效果。由于工作介質(zhì)在蛇形管內(nèi)上下流動，無法利用其重度差進(jìn)行自然循環(huán)，所以采用強(qiáng)制循環(huán)。鍋爐下部用一內(nèi)置式拉鏈機(jī)將灰輸送至鍋爐的一端經(jīng)一鎖風(fēng)喂料機(jī)輸出。臺灣花蓮水泥廠的SP爐采用了立式鍋爐。立式鍋爐的特點是煙氣在爐中垂直流動，受熱面也采用蛇形光管，但水平布置，分組采用特殊的掛件懸掛在構(gòu)架上，分組設(shè)置振打裝置，從上至下逐組振打，也能滿足清灰的要求，但這種布置方式比起豎管的清灰干凈程度略差，所以在受熱面的設(shè)置上要考慮上述因素，以確保鍋爐的高效率。但立式鍋爐占地面積小，布置方便。 

　　冷卻機(jī)的廢氣雖然含塵量不大，標(biāo)準(zhǔn)狀況下約10～20g/m3，但磨蝕性大。所以AQC爐的設(shè)置分前置式和后置式兩種。前置式即AQC爐設(shè)在冷卻機(jī)與電除塵器之間，這種設(shè)置一般還需加預(yù)除塵裝置以減輕粉塵對AQC爐內(nèi)的換熱管磨蝕，因此系統(tǒng)阻力增加較多，但可以利用圖3、圖4流程。后置式即AQC爐設(shè)在電除塵和窯頭排風(fēng)機(jī)之間，粉塵對換熱管磨耗小，且系統(tǒng)阻力增加不大，但電除塵器必須密封性能好，漏風(fēng)量小，熱損失小。窯頭粉塵為熟料顆粒，粘附性不強(qiáng)，所以AQC爐的結(jié)灰不嚴(yán)重，一般均選為立式鍋爐。由于窯頭的廢氣溫度低，量大，且對鍋爐的排氣無特殊要求，應(yīng)盡可能地回收余熱。為了增大換熱面積，強(qiáng)化換熱效果，AQC爐的換熱管應(yīng)采用螺旋翅片管或蟹形針管等能顯著增加換熱面積而又耐磨蝕的管形。 

　　3.2　汽輪發(fā)電機(jī) 

　　用于余熱利用的汽輪發(fā)電機(jī)的特點是以汽定電，所以要求帶負(fù)荷的能力可在較大范圍內(nèi)波動，尤其是發(fā)電機(jī)的選型要考慮能超過設(shè)計發(fā)電量的15%左右。目前市場上可用于中低溫純余熱發(fā)電系統(tǒng)的汽輪發(fā)電機(jī)有兩種：一種為單壓系統(tǒng)的低參數(shù)凝汽式汽輪機(jī)。特點是系統(tǒng)簡單，適合3000kW左右的小機(jī)組。另一種為混壓系統(tǒng)，除主蒸氣進(jìn)口外還有一至兩個補(bǔ)氣口，并輔助采用了熱水閃蒸技術(shù)，用閃蒸的飽和蒸氣混入汽輪機(jī)做功。特點是系統(tǒng)較復(fù)雜，但系統(tǒng)熱效率較高，適合6000kW以上機(jī)組。 

　　3.3　熱力系統(tǒng) 

　　在熱力系統(tǒng)的設(shè)計上一般是根據(jù)廢氣溫度及廢氣量經(jīng)過合理配置來確定蒸氣參數(shù)和蒸氣量，一般選用的汽輪機(jī)的參數(shù)比較低。在余熱鍋爐設(shè)置上，對SP爐來說因出爐的廢氣還要用于原料的烘干，所以一般SP爐帶汽包僅設(shè)置過熱器和蒸發(fā)器。AQC爐的排煙無特殊要求，主要設(shè)置省煤器，也可帶汽包設(shè)置蒸發(fā)器，有可能的情況下也可適當(dāng)?shù)脑O(shè)置過熱器(如窯頭采用圖3、圖4流程)。余熱鍋爐的受熱面的配置，最終是根據(jù)余熱資源及最大產(chǎn)氣量配置的。所以各水泥廠之間不盡相同，一般余熱鍋爐采用非標(biāo)設(shè)計。由于系統(tǒng)用于水泥廠的余熱發(fā)電，所以汽輪機(jī)必須帶有前壓調(diào)節(jié)裝置，當(dāng)機(jī)組在正常運(yùn)行時，以汽輪機(jī)的進(jìn)口壓力作為主要控制參數(shù)，來調(diào)節(jié)機(jī)組輸出功率以保證壓力基本穩(wěn)定，這種方式可適應(yīng)廢氣余熱參數(shù)的變化，使整個系統(tǒng)有較高的適應(yīng)性和可靠性。 

　　4、注意事項 

　　1)提供的工藝系統(tǒng)的操作參數(shù)要準(zhǔn)確，這些參數(shù)是余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)。 

　　2)對工藝系統(tǒng)中部分設(shè)備要進(jìn)行核算。①窯頭、窯尾風(fēng)機(jī)因系統(tǒng)阻力增加，介質(zhì)溫度變化，運(yùn)行工況點要進(jìn)行變化，所以要對運(yùn)行工況下的風(fēng)機(jī)能力和裝機(jī)功率進(jìn)行核算，能力不夠的要采取相應(yīng)的措施。②生料磨系統(tǒng)。在未考慮余熱發(fā)電系統(tǒng)以前，一般窯尾的廢氣作為生料磨的烘干熱源熱量都有富余，所以對生料磨系統(tǒng)密封要求不是很嚴(yán)格；增加了余熱發(fā)電系統(tǒng)后，余熱要做到最大限度的回收，這就需要對生料磨系統(tǒng)加強(qiáng)密封，盡可能減少漏風(fēng)。漏風(fēng)量大會產(chǎn)生兩方面的不利影響：①提高入磨的熱風(fēng)溫度即提高鍋爐的排煙溫度，鍋爐可回收的熱量減少；②入磨的熱風(fēng)溫度越低，生料磨的烘干效率越低，而磨尾的排風(fēng)量隨之增大，耗電量增加。 

　　3)系統(tǒng)的總體設(shè)計上汽輪機(jī)房盡可能與窯尾鍋爐靠近。而循環(huán)冷卻水池的位置靠近汽輪機(jī)房，以減少熱損失和自耗電。 

　　4)增加余熱發(fā)電系統(tǒng)后，會對水泥生產(chǎn)工藝的一些操作參數(shù)產(chǎn)生影響，要作適當(dāng)調(diào)整。如窯頭篦冷機(jī)的操作，生料磨系統(tǒng)的操作，窯頭、窯尾風(fēng)機(jī)、電除塵器的操作等。因此，要做好這一工作必須要有專業(yè)的水泥工藝技術(shù)人員負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)生產(chǎn)系統(tǒng)和余熱發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)系，參與系統(tǒng)的設(shè)計和管理工作。調(diào)整好各自的操作，才能真正做到不影響水泥工藝的生產(chǎn)，并使余熱發(fā)電系統(tǒng)高效率運(yùn)行。 

　　5、經(jīng)濟(jì)評價及投資分析 

　　純余熱發(fā)電系統(tǒng)完全是利用水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱發(fā)電，因此投資這種項目可帶來如下好處： 

　　1)余熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行費用少，僅消耗部分水和少量藥品，增加少量管理人員，成本約0.08元/kW·h左右，在不增加水泥燒成熱耗的情況下，每噸熟料可發(fā)電25～40kW·h，可節(jié)約大量電力費用，降低水泥產(chǎn)品成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。 

　　2)對電力緊張的地區(qū)，可以緩解因供電不足影響生產(chǎn)的矛盾，發(fā)電自給率可達(dá)20%～30%。 

　　3)建設(shè)用地可利用廠區(qū)空地，不需另外征地。項目的實施不會影響正常的水泥生產(chǎn)。 

　　4)可為國家節(jié)約大量的能源，減少環(huán)境污染。 

　　工廠是否投資純余熱發(fā)電項目和系統(tǒng)裝備的選擇應(yīng)考慮到如下因素： 

　　1)工廠的余熱源。因為這里僅用水蒸氣作為工質(zhì)考慮的，所以如果有兩個以上熱源一個必須大于300℃，另一個也必須大于200℃。 

　　2)工廠的管理水平和運(yùn)轉(zhuǎn)率。工廠必須具備有一定的管理水平且水泥窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率必須大于70%以上，否則由于水泥窯的開停頻繁，發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率也會降低，影響投資效率和設(shè)備的使用壽命。 

　　3)發(fā)電規(guī)模。針對水泥廠的余熱發(fā)電項目，發(fā)電規(guī)模越大，單位發(fā)電量投資越低，反之越高。當(dāng)然還需結(jié)合當(dāng)?shù)氐碾妰r考慮，以及能源價格的趨勢，將投資回收控制在3～5年以內(nèi)時投資風(fēng)險較小，反之投資風(fēng)險加大，需慎重考慮。 

　　4)系統(tǒng)裝備的選擇。①采用進(jìn)口設(shè)備和技術(shù)的特點：技術(shù)裝備先進(jìn)、可靠，熱效率高，但投資大，發(fā)電機(jī)容量在6000kW以上的機(jī)組投資約18000～22000元/kW。容量在3000～6000kW，投資在22 000～30000元/kW。②采用國產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)的特點：技術(shù)裝備安全可靠，系統(tǒng)簡單，系統(tǒng)熱效率較進(jìn)口裝備略低，但投資可大大降低。發(fā)電裝機(jī)容量在3000kW左右的機(jī)組，投資約6500～7500元/kW。根據(jù)上述情況，我們認(rèn)為，對于4000t/d以上規(guī)模即裝機(jī)容量在6 000kW以上的系統(tǒng)可考慮選用進(jìn)口設(shè)備，而對于2 000t/d規(guī)模以下即裝機(jī)容量在3000kW以下的系統(tǒng)選用國產(chǎn)設(shè)備較為適用。