水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及其效益分析

摘要  水泥工業(yè)國產(chǎn)化純低溫余熱發(fā)電技術(shù)已基本具備全面推廣的條件。對純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計要因地制宜，總體上可以分為三類：采用單壓進(jìn)汽的凝汽式汽輪機(jī)組；利用余熱鍋爐產(chǎn)生雙壓蒸汽，配套補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)組；利用余熱鍋爐和熱水閃蒸技術(shù)產(chǎn)生雙壓蒸汽，配套補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)組。利用純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，采用國產(chǎn)裝備，純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)在建成后2.5～3年內(nèi)可收回成本。
0概述
　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源緊缺的矛盾日趨突出。多個地區(qū)鬧煤荒、電荒。但我國在能源使用上又客觀存在著一些不合理的現(xiàn)象，導(dǎo)致能源大量浪費(fèi)。其中最突出的浪費(fèi)是對能源沒有“量才而用”，普遍地把煤炭、石油、天然氣等高品級能源“降級使用”，只為取得100℃左右溫度較低的熱介質(zhì)，用于采暖、空調(diào)、生活用熱等。同時，又有大量工業(yè)低溫余熱、廢氣丟棄不用。煤炭、石油、天然氣等高品級能源均是獲取電能、熱能的源泉，但是它們在轉(zhuǎn)換成電能、熱能的過程中，效率不高，且轉(zhuǎn)換過程中所產(chǎn)生的廢氣余熱、粉塵、有害氣體對環(huán)境污染很大。這樣的能源使用結(jié)果不僅造成了驚人的能源浪費(fèi)，而且還污染了環(huán)境，給人們的生命健康帶來了危害。
　　純低溫余熱發(fā)電技術(shù)是利用中低溫的廢氣產(chǎn)生低品位蒸汽，來推動低參數(shù)的汽輪機(jī)組做功發(fā)電。它是當(dāng)前節(jié)能和環(huán)保要求下的必然趨勢和產(chǎn)物。其與火電發(fā)電相比，不需要消耗一次能源，不產(chǎn)生額外的廢氣、廢渣、粉塵和其它有害氣體。是控制大氣污染，保護(hù)臭氧層，減少能源消耗的有效手段和途徑，也是企業(yè)提高能源利用效率，降低成本，提高產(chǎn)品市場競爭力，減少CO2氣體排放和保護(hù)環(huán)境的重要措施之一。切實(shí)貫徹我國實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。因此，如何運(yùn)用新技術(shù)和新設(shè)備提高能源利用效率成為了各行各業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。
1、水泥工業(yè)能源使用現(xiàn)狀
　　水泥工業(yè)作為能源消耗大戶，對能源緊缺有切膚之痛。2003年下半年以來，國內(nèi)煤電油運(yùn)全面緊張，煤荒電荒矛盾加劇，劣質(zhì)煤充斥煤炭市場。水泥企業(yè)對煤炭的質(zhì)量有嚴(yán)格的要求，但是現(xiàn)在買到的煤炭質(zhì)量太差，某些省份的煤炭的平均發(fā)熱量還不及正常值的一半，技術(shù)指標(biāo)也達(dá)不到要求，許多水泥企業(yè)不得不調(diào)整水泥生產(chǎn)物料配方，以保證水泥質(zhì)量。劣質(zhì)煤也導(dǎo)致了火力發(fā)電廠發(fā)電量不足，間接影響了水泥企業(yè)的生產(chǎn)。
　　雖然近年來我國水泥工業(yè)技術(shù)取得了長足進(jìn)步，系統(tǒng)能耗有所降低，噸熟料電耗已降至55～60kWh。但我們應(yīng)看見，水泥工業(yè)在進(jìn)一步節(jié)省能源的方面還可大有作為。
　　2004年我國水泥總產(chǎn)量約9.4億噸，能源總耗量為1.5億多噸標(biāo)煤。水泥工業(yè)是能源消耗大的產(chǎn)業(yè)，水泥生產(chǎn)的能源主要依靠煤炭、電力，而且要產(chǎn)生大量的廢氣，CO2的排放量占我國CO2排放總量的20%，粉塵排放量占我國工業(yè)行業(yè)粉塵排放總量的40%，其能源和環(huán)保的壓力是非常大的。目前新型干法水泥生產(chǎn)線已使單位水泥熟料的熱耗大幅下降，但其窯頭熟料冷卻機(jī)和窯尾預(yù)熱器仍排放了大量350℃以下的廢氣，其熱量約占水泥熟料燒成系統(tǒng)總熱耗量的30％。充分利用燒成系統(tǒng)所產(chǎn)生的廢氣余熱等低品級能源，成為當(dāng)今我國水泥工業(yè)的重要研究課題和推廣項(xiàng)目。
　　隨著純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的日益成熟及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)的可行性，它已越來越受到人們的高度重視。從國務(wù)院制定并出臺的一系列開展資源綜合利用的政策和新型干法水泥生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目被列為落實(shí)節(jié)能規(guī)劃的首批專項(xiàng)國債項(xiàng)目中，可以看到水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電前景廣闊?！　?BR>2．水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
　　純低溫余熱發(fā)電及余熱利用在我國的冶金、化工、食品等行業(yè)早已得到推廣使用。由于水泥工業(yè)廢氣溫度相對較低且含有大量粉塵，因此在實(shí)際運(yùn)用中存在一定的難點(diǎn)。在水泥窯余熱發(fā)電領(lǐng)域，日本水泥工業(yè)是應(yīng)用得最廣泛、最成功的。到目前為止，日本有80%以上的水泥廠配置了純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，平均熟料發(fā)電量約40kWh/t。
　　1998年初，通過引進(jìn)日本川崎重工的技術(shù)，我國水泥工業(yè)第一條純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)在海螺集團(tuán)寧國水泥廠4000t/d生產(chǎn)線建成，一次性并網(wǎng)發(fā)電成功。該系統(tǒng)采用四級預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)、進(jìn)口余熱鍋爐，進(jìn)口混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)，裝機(jī)容量6480kW，設(shè)計噸熟料發(fā)電量33.8kWh/t，自投入正常生產(chǎn)運(yùn)行以來，實(shí)際平均熟料發(fā)電量約38.6kWh/t。發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率相對于燒成系統(tǒng)在90%以上。廣西柳州水泥廠3200t/d的四級預(yù)熱器預(yù)分解窯純低溫余熱發(fā)電工程于2004年7月建成投產(chǎn)，也是一次性并網(wǎng)發(fā)電成功。系統(tǒng)采用進(jìn)口鍋爐，國產(chǎn)凝汽式汽輪機(jī)，余熱電站裝機(jī)容量6000kW。投產(chǎn)以來發(fā)電量就基本穩(wěn)定在5500kW以上，實(shí)際平均熟料發(fā)電量約37.95kWh/t。
　　在消化、吸收引進(jìn)的日本純低溫余熱發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)之上，我國水泥工業(yè)開始了國產(chǎn)化的道路。1999年，國產(chǎn)化第一條純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)在江西萬年2000t/d生產(chǎn)線得以建成投產(chǎn)，配套機(jī)組為3000kW，實(shí)際發(fā)電約2200kW，單位熟料發(fā)電量約23.76kWh/t。2003年，上海金山1350t/d生產(chǎn)線國產(chǎn)化純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)建成投產(chǎn)，配套機(jī)組為2500kW（指汽輪機(jī)），實(shí)際發(fā)電約1800kW, 單位熟料發(fā)電量約28.8kWh/t。國產(chǎn)化純低溫余熱發(fā)電技術(shù)已基本具備全面推廣的條件。
3、純低溫余熱發(fā)電技術(shù)簡介
3.1基本原理
    30℃左右的軟化水經(jīng)過除氧器除氧后，經(jīng)水泵加壓進(jìn)入窯頭AQC鍋爐省煤器，加熱成190℃左右的飽和水；分成兩部分，一部分進(jìn)入窯頭AQC鍋爐汽包，另一部分進(jìn)入窯尾SP鍋爐汽包；然后依次經(jīng)過各自鍋爐的蒸發(fā)器、過熱器產(chǎn)生1.2MPa、310℃左右的過熱蒸汽，匯合后進(jìn)入汽輪機(jī)做功，作功后的乏汽進(jìn)入冷凝器，冷凝后的水和補(bǔ)充軟化水經(jīng)除氧器除氧再進(jìn)行下一個熱力循環(huán)。窯尾SP鍋爐出口廢氣溫度220℃左右，用于烘干生料。
3.2技術(shù)特點(diǎn)
     火力發(fā)電廠為了提高發(fā)電效率，節(jié)省燃料，不斷向高溫、高壓方向發(fā)展，目前已在研究試驗(yàn)超臨界參數(shù)的發(fā)電技術(shù)。而純低溫余熱發(fā)電則完全不同，其熱源品位低，不需要任何補(bǔ)燃，而是直接利用水泥企業(yè)向大氣中排放的中低溫的廢氣余熱來發(fā)電，因此所采用的技術(shù)和設(shè)計原則與常規(guī)的火力發(fā)電截然不同。而且，水泥工業(yè)的廢氣與其它行業(yè)的可利用廢氣也還具有不同的特點(diǎn)：
     （1） 廢氣品位低，工況波動大。通常窯頭廢氣溫度為250～350℃，窯尾廢氣溫度為320～400℃。廢氣參數(shù)常有波動，尤其是窯頭廢氣參數(shù)波動較為明顯；
     （2） 廢氣含塵濃度大，磨蝕性強(qiáng)；
     （3） 系統(tǒng)可利用余熱通常由窯頭、窯尾兩個點(diǎn)可提供；
     （4） 系統(tǒng)流程復(fù)雜，設(shè)備配置要求高。
3.3主機(jī)選型
　　可靠的國產(chǎn)主機(jī)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化余熱發(fā)電技術(shù)的前提，系統(tǒng)的設(shè)計也是基于有可靠的主機(jī)設(shè)備作保障。在純低溫余熱發(fā)電領(lǐng)域，國內(nèi)的設(shè)備廠家經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)開發(fā)出能夠適用于水泥廠純低溫余熱發(fā)電的相關(guān)設(shè)備。從已經(jīng)建成的全國產(chǎn)化余熱發(fā)電項(xiàng)目來看，運(yùn)行情況基本良好。主機(jī)設(shè)備的選型原則如下：
　　（1）AQC鍋爐為立式鍋爐，采用自然循環(huán)或強(qiáng)制循環(huán)方式，鍋爐前面設(shè)置沉降室或旋風(fēng)筒除塵，避免熟料顆粒影響傳熱和磨損，換熱管為螺旋鰭管；SP鍋爐為立式鍋爐，自然循環(huán)或強(qiáng)制循環(huán)方式，換熱管為光管，采用機(jī)械振打清灰。余熱鍋爐一直是水泥行業(yè)余熱發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，這在引進(jìn)生產(chǎn)線中也反映出這一點(diǎn)。其關(guān)鍵在于針對廢氣特點(diǎn)：如窯尾廢氣中含塵濃度高，粉塵附著力強(qiáng)；窯頭廢氣含塵濃度相對較低，但熟料粉塵磨蝕性強(qiáng)。采取相應(yīng)措施，確保系統(tǒng)有效清灰和高效率的熱交換，管線設(shè)計中避免粉塵堆積和管線磨損。從寧國、柳州及金山的運(yùn)行情況看，SP余熱鍋爐的清灰還是機(jī)械振打效果好；萬年采用超聲波、壓縮空氣以及蒸汽吹掃進(jìn)行清灰，效果均不好，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。而在窯頭AQC鍋爐前，則需要增設(shè)沉降室或旋風(fēng)筒進(jìn)行預(yù)收塵處理。通過設(shè)計院和鍋爐供貨商的共同努力，現(xiàn)在已成功研制了性能可靠的余熱鍋爐。由于廢氣的特性，水泥行業(yè)余熱鍋爐的體積、重量都相對較大。
　　（2）汽輪機(jī)采用凝汽式汽輪機(jī)或補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)采用空冷式發(fā)電機(jī)。凝汽式汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，但效率相對較低；補(bǔ)汽式汽輪機(jī)是發(fā)展的方向，但采用國產(chǎn)補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的金山水泥廠使用效果欠佳，它是將原抽汽凝汽式汽輪機(jī)的抽汽口改為補(bǔ)汽口，加之窯頭廢氣工況波動大，設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，補(bǔ)汽常補(bǔ)不進(jìn)去?，F(xiàn)工廠已將此補(bǔ)汽口關(guān)閉。補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)的性能還需進(jìn)一步改善和提高。
3.4系統(tǒng)設(shè)計
     根據(jù)水泥廠廢氣的特點(diǎn)，在項(xiàng)目建設(shè)前期，就必須對水泥廠能源消耗和余熱狀況進(jìn)行客觀的綜合分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計和選型。燒成系統(tǒng)所產(chǎn)生的廢氣參數(shù)在不同工廠的運(yùn)行中具有一定的差異性，尤其是窯頭的廢氣參數(shù)波動相對較大。新建生產(chǎn)線配套余熱發(fā)電系統(tǒng)時，一定要對同規(guī)模的生產(chǎn)線的實(shí)際操作參數(shù)做詳細(xì)調(diào)查；已有生產(chǎn)線新增余熱發(fā)電系統(tǒng)時，更應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)流程、發(fā)電規(guī)模，選配適當(dāng)?shù)挠酂徨仩t和發(fā)電機(jī)組，達(dá)到最大限度利用余熱的目的。同時要求余熱電站在正常運(yùn)行時不能影響原水泥生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)。
     各個水泥廠的條件不同，對純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計也有不同的要求，可有多種變化，但總體上可以分為三類：
     1） 采用單壓進(jìn)汽的凝汽式汽輪機(jī)組（見圖1）。系統(tǒng)簡單可靠；
     2） 利用余熱鍋爐產(chǎn)生雙壓蒸汽，配套補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)組（見圖2）。在設(shè)備可靠，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)率可以保證的前提下，系統(tǒng)效率高于凝汽式汽輪機(jī)組；
     3） 利用余熱鍋爐和熱水閃蒸技術(shù)產(chǎn)生雙壓蒸汽，配套補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)組。這種工藝的發(fā)電效率高，在寧國水泥廠得到很好使用。國內(nèi)現(xiàn)在也進(jìn)行這方面的研究和實(shí)踐。
     在除氧方面，可采取化學(xué)除氧或真空除氧，均穩(wěn)定可靠。在循環(huán)水冷卻方面，鑒于發(fā)電機(jī)組規(guī)模較小，建議采用玻璃鋼冷卻塔。整個余熱發(fā)電系統(tǒng)采用先進(jìn)的DCS集散控制系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)及配出柜保護(hù)裝置使用微機(jī)保護(hù)。
     此外，對于余熱發(fā)電有富余蒸汽的，還可考慮采用熱電聯(lián)供方式。由余熱電站提供富余蒸汽，供給水泥廠浴室、食堂、采暖、制冷等用熱。

                        圖2：采用雙壓鍋爐的補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)組系統(tǒng)簡圖

4、純低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目的效益分析
     純低溫余熱發(fā)電是不帶補(bǔ)燃鍋爐的蒸汽動力循環(huán)發(fā)電技術(shù)方案。由于該方案不使用燃料來補(bǔ)燃，因此不對環(huán)境產(chǎn)生附加污染；其次沒有補(bǔ)燃鍋爐，蒸汽參數(shù)較低，其運(yùn)行操作簡單方便，運(yùn)行的可靠性和安全性高。缺點(diǎn)是由于余熱的品位低，其效率相應(yīng)較低，裝機(jī)容量較小，單位功率設(shè)備投資難以降低。這種電站雖然初期投資較高，但其運(yùn)行成本低，日常管理簡單，對用戶來說是較有利的選擇，也是收益比較高的余熱電站。
     以一條2500t/d的新型干法水泥生產(chǎn)線為例：窯頭、窯尾配套國產(chǎn)余熱鍋爐，汽輪機(jī)采用凝汽式汽輪機(jī)。系統(tǒng)設(shè)計小時發(fā)電量可達(dá)3500kWh，結(jié)合發(fā)電機(jī)組的規(guī)格，選配3000kW的汽輪機(jī)組較合適。實(shí)際小時發(fā)電量按3000kWh計。以年運(yùn)轉(zhuǎn)300d計算，年發(fā)電量2160萬kWh，相當(dāng)于節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約1.1萬t，減少CO2排放約2萬t?？鄢到y(tǒng)自耗電10％，年供電量1944萬kWh。噸熟料發(fā)電能力可達(dá)25.92kWh。
     利用純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，采用國產(chǎn)裝備，純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)總投資約1950萬元。按照外購電價0.50元/ kWh估算，扣除余熱電站供電成本約0.1元／kWh，噸熟料成本可下降約10.37元。系統(tǒng)總投資在建成后2.5～3年內(nèi)可收回成本。由此可見，建設(shè)純低溫余熱電站，可有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品競爭力，為企業(yè)帶來良好的效益，企業(yè)和社會做到雙贏。   
5、結(jié)束語
     利用水泥生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢氣余熱作為熱源的純低溫余熱發(fā)電，整個熱力系統(tǒng)不燃燒任何一次能源，在回收大量造成環(huán)境熱污染的廢氣余熱的同時，所建余熱發(fā)電站不僅發(fā)電成本低，經(jīng)濟(jì)效益好，還可以緩解電力緊張的矛盾；同時，減少CO2排放，對保護(hù)生態(tài)環(huán)境，起著積極作用。
     作為能源消耗大戶的水泥工業(yè)，煤、電緊張已經(jīng)嚴(yán)重制約水泥的發(fā)展。特別是電力短缺，使部分地區(qū)水泥企業(yè)不能連續(xù)生產(chǎn)，不但直接影響水泥生產(chǎn)和市場供應(yīng)，對水泥窯的安全運(yùn)轉(zhuǎn)也帶來較大隱患。有關(guān)專家預(yù)測，電力緊張局面至少要3~4年才可緩解。因此，國家制定并出臺了一系列開展資源綜合利用的政策，節(jié)約和合理利用現(xiàn)有的各種資源，減少資源的占用和消耗，鼓勵利用工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱、余壓建設(shè)余熱發(fā)電項(xiàng)目，以緩解電力供應(yīng)緊張的局面，減少企業(yè)的損失。
     水泥窯純低溫余熱發(fā)電能將廢氣中的熱能轉(zhuǎn)化為電能，可有效的減少水泥生產(chǎn)過程中的能源消耗，節(jié)能效果顯著。同時，廢氣通過余熱鍋爐降低了排放的溫度，含塵濃度也大大降低，可有效的減輕水泥生產(chǎn)對環(huán)境的污染，環(huán)保效果顯著。因此，這項(xiàng)兼具經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的技術(shù)，必將具有良好的推廣價值和應(yīng)用前景，成為我國水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要舉措。