關(guān)于水泥窯純低溫余熱的綜合利用與展望

    一、目前國內(nèi)水泥行業(yè)生產(chǎn)線的規(guī)模，按日（d）產(chǎn)量（t）分類，有1200t/d，2500t/d，5000t/d的窯外分解窯（干法）生產(chǎn)線。這種生產(chǎn)線的熱耗由原來的1400kcal/kg（每公斤水泥熟料所耗的熱量）降至~800kcal/kg。其水泥生產(chǎn)線排出的廢熱—窯尾（SP）廢氣溫度一般在330～340℃，窯頭（AQC）廢氣溫度一般在340～360℃范圍內(nèi)。
    從國內(nèi)水泥行業(yè)的潛力來看，市場(chǎng)前景非常廣闊，僅黑龍江省內(nèi)水泥廠的規(guī)模來看，具體情況是小嶺水泥廠有1200t/d生產(chǎn)線一條，2500t/d生產(chǎn)線一條，賓州水泥廠有2500t/d生產(chǎn)線一條，牡丹江水泥廠有2500t/d生產(chǎn)線兩條，黑河有1200t/d生產(chǎn)線一條，佳木斯有1000t/d生產(chǎn)線一條，浩浪河有2000t/d生產(chǎn)線兩條等。
    這些水泥廠與國內(nèi)外其它水泥企業(yè)一樣，都在向節(jié)能型企業(yè)轉(zhuǎn)化升級(jí)，在這一過程中必然要對(duì)其低溫余熱采用最佳利用方法—純低溫余熱發(fā)電方法—建余熱電站，使水泥生產(chǎn)的成本進(jìn)一步降低。
    國外先進(jìn)國家在上世紀(jì)80年代其國內(nèi)的水泥生產(chǎn)裝備上發(fā)展了余熱發(fā)電技術(shù)，在當(dāng)時(shí)的情況與國內(nèi)現(xiàn)在的情況及條件類似，利用低參數(shù)系列的鍋爐、汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)來發(fā)電。它們的余熱利用水平，按每噸水泥計(jì)算約為32kw~38.4kw。（國內(nèi)相對(duì)的發(fā)電水平一般在23kw~28kw之間）。
    國外的窯尾（SP）余熱鍋爐及窯頭（AQC）余熱鍋爐的技術(shù)特點(diǎn)是根據(jù)尾氣的溫度低的特點(diǎn)，其參數(shù)均為低壓（過熱蒸汽）鍋爐，鍋爐的受熱面均采用了擴(kuò)展受熱面，即鰭片及翅片結(jié)構(gòu)。鍋爐均立式布置，廢煙氣從鍋爐的頂部入口，下側(cè)部排出。它的水循環(huán)方式均為自然循環(huán)。窯尾的SP鍋爐的排煙溫度根據(jù)水泥工藝需要一般在220~230℃，窯頭的排煙溫度在90℃以下，充分利用了余熱，提高廢熱的利用率，其部分熱水采用閃蒸技術(shù)所產(chǎn)生的低壓蒸汽補(bǔ)入到汽輪發(fā)電機(jī)組中，提高了發(fā)電量。（汽輪機(jī)的汽耗小于國內(nèi)同類汽輪機(jī)組）?？傊?，鍋爐立式布置，并采用自然循環(huán)方式，所以其受熱面（蒸發(fā)管束）布置方式較特殊，有別于其他鍋爐廠。
針對(duì)國內(nèi)的水泥廠（生產(chǎn)線的條件及特點(diǎn)）情況，所配置的鍋爐及發(fā)電機(jī)組來看較國外配置的鍋爐及發(fā)電機(jī)組水平是不一樣的。單講2500t/d機(jī)組國內(nèi)一般配3000kw機(jī)組，哈鍋同國外的相同，配4200kw機(jī)組。
    二、市場(chǎng)預(yù)測(cè)：
    在上述報(bào)告中提到僅黑龍江省的水泥企業(yè)均有這么多水泥生產(chǎn)線，到現(xiàn)在為止，一條生產(chǎn)線也沒有配置發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)國內(nèi)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的發(fā)展，從今年開始陸續(xù)要上純低溫利用發(fā)電裝置，如哈爾濱水泥廠、小嶺水泥廠、牡丹江水泥廠等等。
    從2002年開始浙江省(含江蘇省)內(nèi)各個(gè)水泥企業(yè)在政府部門的協(xié)調(diào)和節(jié)約能源辦的督促下有70%廠家配置了這種設(shè)備。現(xiàn)在已有廣東、安徽、河北、河南、山東、北京等省市的水泥企業(yè)也都在策劃上純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)（余熱電站）。水泥行業(yè)這種技術(shù)改造約需要10～15年時(shí)間才能完成。根據(jù)以往的技術(shù)發(fā)展及歷史經(jīng)驗(yàn)，水泥廠內(nèi)帶補(bǔ)燃鍋爐的余熱發(fā)電節(jié)能裝備的研究，在“八五”期間攻關(guān)課題完成推廣后于2002年結(jié)束推廣發(fā)展，既約經(jīng)歷了15年時(shí)間。
    三、哈鍋余熱鍋爐研制的現(xiàn)狀：
    哈鍋在上世紀(jì)70年代開始已經(jīng)研制水泥行業(yè)的余熱鍋爐，從低壓到中壓，蒸發(fā)量在5t/h至25t/h的鍋爐。
在“八五”期間，同天津水泥設(shè)計(jì)研究院、魯南水泥廠、哈爾濱鍋爐廠，共同完成了“水泥廠內(nèi)帶補(bǔ)燃鍋爐余熱發(fā)電裝備的研究”的科技攻關(guān)課題，使水泥廠的余熱利用水平有了較大的提高，并獲得了國家頒發(fā)的重大科技成果獎(jiǎng)。在當(dāng)時(shí)哈鍋推廣的這一系列產(chǎn)品有：牡丹江水泥廠、湖北葛洲壩水泥廠、河南七里崗水泥廠、浙江錢潮水泥廠、河南澠池水泥廠、福建永定水泥廠、冀東水泥廠、欒縣水泥廠、太行水泥廠等企業(yè)。在這一過程中，對(duì)用于純低溫余熱發(fā)電技術(shù)系統(tǒng)中的AQC鍋爐、SP鍋爐有了研制的技術(shù)基礎(chǔ)。
    哈鍋工程公司按哈鍋業(yè)務(wù)劃分與委托，承擔(dān)對(duì)水泥的純低溫余熱鍋爐技術(shù)的研制工作，并確定了對(duì)純低溫綜合利用余熱鍋爐的選型原則：
    新型干法窯外分解水泥生產(chǎn)的廢氣排放溫度一般在250℃～400℃之間，煙氣量一般在10×104～30×104Nm3/h之間。
    例如，某水泥廠2500t/d水泥生產(chǎn)線的篦冷機(jī)所排出的廢氣量約Vr=165300 Nm3/h，溫度約380℃左右，相當(dāng)于廢氣中含Q1=20431080Kcal/h的熱量，這一熱量相當(dāng)于700t/d中空回轉(zhuǎn)窯的窯尾所排放廢氣的總熱量Q2（廢氣量約71593 Nm3/h，溫度約850℃），先假設(shè)該水泥廠另有一水泥生產(chǎn)線存在廢氣源排放點(diǎn)，其排煙溫度為850℃，當(dāng)熱量Q2= Q1時(shí)，評(píng)價(jià)其二者的熱能回收價(jià)值。
    假設(shè)二個(gè)廢氣氣源點(diǎn)的壓力均是常壓，且接近于理想氣體，取環(huán)境溫度To=25℃，計(jì)算它們各自所含的火用
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
    可見雖然二者的熱量相等，但其火用的含量E2是E1的一半還多，所以熱量Q1和熱量Q2相比，熱量Q1的回收價(jià)值和潛力不如熱量Q2所以在熱量Q2的情況下回收廢熱（余熱），應(yīng)該采用次中壓或中壓鍋爐產(chǎn)生較高品質(zhì)的蒸汽，然后用作動(dòng)力或發(fā)電，熱量Q1只能用來預(yù)熱鍋爐給水或制成熱水鍋爐用作采暖或制冷。
    上述的分析法是火用平衡的分析法。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，確認(rèn)自然過程具有方向性和不可逆性，亦即實(shí)際自然界發(fā)生的熱過程都是不可逆過程，這就給種種形式的能量之間相互轉(zhuǎn)換規(guī)定了限制，因而各種形式的能量轉(zhuǎn)換成有用功（火用）的能力是不同的，也即各種形式能量中的火用含量部分是不同的，火用是能量中能夠轉(zhuǎn)換成有效功的那部分能量。針對(duì)舉例工廠的實(shí)際情況及其附屬裝備（如汽輪發(fā)電機(jī)組）的實(shí)際能力，確定這臺(tái)余熱鍋爐（AQC余熱鍋爐）為次中壓鍋爐，即生產(chǎn)工作壓力為2.45MPa，額定蒸汽溫度為350℃±5℃的上段（蒸發(fā)段）和生產(chǎn)部分給鍋爐給水加熱、部分供閃蒸汽用的下段（熱水段）的結(jié)構(gòu)形式。
    AQC余熱鍋爐在設(shè)計(jì)工況下，煙氣流量為165300Nm3/h，煙氣溫度為380℃，AQC余熱鍋爐排煙溫度約為110℃，其他參數(shù)如下：

    哈鍋工程公司早在上世紀(jì)九十年代中末期年開始，尤其到2002年，已同天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，南京水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，都進(jìn)行了技術(shù)合作，并取得了一定的成效，在2005年3月17日杭州會(huì)議（峰會(huì)）——純低溫余熱技術(shù)研討會(huì)后，研制出具有哈鍋特色的余熱鍋爐產(chǎn)品，為水泥廠的節(jié)能降耗做出了主要貢獻(xiàn)。
   我們?cè)谶@方面發(fā)揚(yáng)原有的技術(shù)長(zhǎng)處的同時(shí)，積極引進(jìn)消化國外同行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)，使鍋爐產(chǎn)品的性能質(zhì)量、運(yùn)行質(zhì)量更加完善。
    以下是我們按上述余熱鍋爐的選型原則，所設(shè)計(jì)制造的窯頭及窯尾余熱鍋爐簡(jiǎn)圖及設(shè)計(jì)參數(shù)：

2500t/d水泥線用余熱鍋爐SP爐的參數(shù)（HG-F6285-SP）：
總煙氣量：180000～195000Nm3/h
入鍋爐煙溫：V′=～350℃
出鍋爐煙溫：V″=～220℃
鍋爐工作壓力：Pe=1.35MPa
蒸汽溫度：tn=320℃
鍋爐蒸發(fā)量：D=20t/h

2500t/d水泥線窯頭用余熱鍋爐AQC爐的參數(shù)（HG-F11000-AQC）：
總煙氣量：80000～100000Nm3/h
入鍋爐煙溫：V′=250～360℃
出鍋爐煙溫：V″=90～100℃
鍋爐工作壓力：Pe=1.35MPa
蒸汽溫度：tn=310～320℃
鍋爐產(chǎn)汽量：D=7.5～8t/h
熱水段：進(jìn)水水溫：56℃
        出水水溫：180℃
        通水量：28t/h

5000t/d水泥線窯頭用余熱鍋爐AQC爐的參數(shù)（HG-F28000-AQC）：
總煙氣量：220000～240000Nm3/h
入鍋爐煙溫：V′=360～380℃
出鍋爐煙溫：V″=90～100℃
鍋爐工作壓力：Pe=1.27MPa
蒸汽溫度：tn=330℃
鍋爐產(chǎn)汽量：D=25t/h
熱水段：進(jìn)水水溫＜90℃
        出水水溫150℃
        通水量：54t/h

5000t/d水泥線用余熱鍋爐SP爐的參數(shù)（HG-F9500-SP）：
總煙氣量：～340000Nm3/h
入鍋爐煙溫：V′=～330℃
出鍋爐煙溫：V″=～220℃
鍋爐工作壓力：Pe=1.27MPa
蒸汽溫度：tn=～300℃
水給溫度：tgs=～150℃
鍋爐蒸發(fā)量：D=28.4t/h

    四、國外先進(jìn)國家對(duì)水泥上的余熱利用技術(shù)早在上世紀(jì)80年代開始研究開發(fā)，并應(yīng)用于水泥廠上。它的總體余熱利用效率及噸熟料發(fā)電水平遠(yuǎn)高于國內(nèi)水平。我們引進(jìn)技術(shù)的重點(diǎn)：一是總體（水泥廠）熱力分析及熱平衡方法；二是余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)、布置方式等；三是高效的閃蒸器；四是汽輪機(jī)技術(shù)。在這一過程中已同南京水泥院和天津水泥院合作，掌握水泥廠熱力分布情況，進(jìn)而進(jìn)行合理的熱力分析及平衡計(jì)算，確定關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)參數(shù)。
    五、對(duì)水泥廠而言，以2500t/d線為例，按國內(nèi)水平，余熱電站初投資約為2300萬元（人民幣）包括土建等用，按國外合作后的余熱電站的初投資約為2940萬元（人民幣）。國內(nèi)水泥廠目前建設(shè)電站約用2-3年收回全部初期投資，同國外合作后按其模式建的余熱電站約用1.8～2.5年回收初期投資。
我們引進(jìn)和合作開發(fā)的技術(shù)要點(diǎn)主要是水泥廠的總體布置。熱力分析及熱平衡方法，余熱鍋爐（AQC,SP）,閃蒸器，汽輪機(jī)等技術(shù)。
    針對(duì)水泥廠純低溫余熱綜合利用，按照前述火用平衡法的原則，在目前的窯尾及窯頭的廢氣溫度的前提下，所設(shè)計(jì)的余熱鍋爐的介質(zhì)為水的時(shí)候，完全能夠產(chǎn)出低參數(shù)的蒸汽來發(fā)電。
    在不久的將來，水泥行業(yè)的生產(chǎn)工藝進(jìn)一步發(fā)展，水泥生產(chǎn)的熱耗進(jìn)一步降低，水泥生產(chǎn)線的窯頭及窯尾所排出的廢氣溫度進(jìn)一步降低至270℃時(shí)，所配置的余熱鍋爐（以水為介質(zhì)時(shí)）只能制成熱水鍋爐或采暖或制冷，另一方面其后（窯頭、窯尾）所配置的余熱鍋爐的介質(zhì)采用低沸點(diǎn)的（有機(jī)或無機(jī)）液體時(shí)，配以特殊（介質(zhì)）的汽輪發(fā)電機(jī)來發(fā)電，使鍋爐排出溫度低于90℃或更小，使余熱利用率進(jìn)一步提高。這一技術(shù)和領(lǐng)域的開發(fā)與涉足，符合國家長(zhǎng)期科技開發(fā)規(guī)劃，符合建立和諧社會(huì)的需要，是再生能源、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、提高能源利用效率，利國利民，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的主要途徑，必須下功夫抓好，并加以推進(jìn)落實(shí)。