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    試論水泥窯余熱回收發電技術現狀、問題及其發展

    【河北水泥網】  【時間:2011-03-24】  【關閉本頁】  【打印本頁[字體:字體顏色]

      一、水泥窯余熱發電以其良好的經濟性和環境效益而快速發展

      1、發展勢頭迅猛

      隨著國內技術和設備日臻成熟,近年來新型干法水泥窯余熱發電迅速發展。據統計[1],到2009年底有498條新型干法熟料生產線余熱發電投運,總裝機容量3317MW,預計2010年底將有687條新型干法熟料生產線配置余熱發電系統,裝機容量將達到4785MW。容量超過三峽電站總裝機的四分之一,而發電量超過三峽電站的三分之一。水泥余熱發電的快速發展得益于其良好的經濟效益和環境效益。

      2、 經濟效益

      表1 5000t/d熟料生產線能源消耗情況及余熱發電影響

    序號

    內容

    單位

    數值1

    數值2

    數值3

    數值4

    數值5

    數值6

    1

    熟料產量

    t/d

    5625

    2

    熟料熱耗

    kJ/kg.cl

    3179

    3

    熟料電能消耗

    kWh/t.cl

    58

    4

    熟料發電

    kWh/t.cl

    42

    40

    38

    34

    30

    0

     

     

    kJ/kg.cl

    151.2

    144

    136.8

    122.4

    108

    0

    5

    熟料綜合能耗

    kJ/kg.cl

    3237

    3244

    3251

    3265

    3280

    3388

    6

    原煤熱量

    %

    98.22

    98.00

    97.79

    97.35

    96.93

    93.84

    7

    熟料電耗

    %

    6.45

    6.44

    6.42

    6.39

    6.37

    6.16

    8

    熟料發電

    %

    -4.57

    -4.44

    -4.21

    -3.75

    -3.29

    0.00

    9

    燃煤支出比例

    %

    90.40

    89.33

    88.28

    86.26

    84.33

    72.21

    10

    發電收益比例

    %

    -25.19

    -23.71

    -22.26

    -19.46

    -16.79

    0.00

    11

    輔機電耗比例

    %

    34.79

    34.38

    33.98

    33.20

    32.45

    27.79

    注:熟料發電和發電收益比例為負值,表示其與其它項的貢獻相反。

      表1為配備余熱發電系統的某廠5000t/d線能源消耗組成,噸熟料發電的影響,以及對水泥廠的貢獻。當噸熟料發電34kWh/t.cl時,發電回收電能占總能耗(電能與燃煤熱能之和)比例不大,只有3.75%,但是余熱發電可以滿足水泥廠用電的一半以上,在能源采購成本中占有19.46%的份額,這與電能的高品位相一致。

      當噸水泥熟料發電量由34kWh/t.cl提高到42kWh/t.cl時,發電對熟料的能源采購成本貢獻將由19.46%提高到25.19%,可見改善余熱發電性能,提高發電的重要性和必要性。表2為某配置余熱發電的5000t/d水泥熟料生產線能源實際消耗狀況及其核算。

      投資余熱發電,一半3~4年可回收投資。據估算[2],2008年水泥行業余熱發電全年利潤總額285億元,創造的經濟效益約33億元,占總行業利潤總額的11.6%。

      3、 環境效益明顯

      水泥余熱發電的環境效益主要體現在二個方面,首先以電力形式回收余熱,實現SO2、CO2、NOx等氣體的排放;其次由于回收水泥部分余熱量,直接減少了排入環境的熱量,減少了熱污染。

      水泥窯利用余熱發電滿足生產線供電需求,相當于減少了發電燃煤,減少了燃煤產生的SO2、CO2、NOx等有害氣體的對大氣的污染。2008年水泥行業利用余熱發電量按71億kWh計[2],則全年減排CO2707萬噸,SO221萬噸,NOx11萬噸,粉塵193萬噸。

      同時,水泥廢氣經過余熱發電回收部分熱量,排入大氣熱量減少,少向環境排放約15%的窯頭和窯尾總余熱。

      二、存在的問題

      水泥余熱發電對于水泥生產貢獻良多,經濟和環境成效顯著,但也存在一些問題,主要表現在:

      1、 發電量高低差異明顯

      余熱發電系統可以隨熟料生產線運轉而運轉,即與熟料幾乎保持同步,可靠性高。但負荷率較低,一般在60~80%之間?紤]到余熱發電機組沒有燃燒系統,同時發電不受電網調度限負荷,按能力發電,故與電力行業燃煤發電機組比較,差距明顯。

      某水泥廠能源消耗狀況

    序號

    內容

    單位

    數值

    1

    熟料產量

    t/d

    5625

    2

    燃料熱耗

    kJ/kg.cl

    3179

    3

    原煤熱值

    kJ/kg

    25962

    4

    原煤消耗

    t/d

    28.70

    5

    燃煤耗量

    t/t.cl

    0.12

    6

    熟料發電

    kWh/t.cl

    34.00

    7

     

    kJ/kg.cl

    122.40

    8

    熟料電能消耗

    kWh/t.cl

    58.00

    9

     

    kJ/kg.cl

    208.80

    10

    熟料綜合能耗

    kJ/kg.cl

    3265

    11

    原煤消耗

    %

    97.35

    12

    熟料電耗

    %

    6.39

    13

    熟料發電

    %

    3.75

    14

    熟料綜合能耗

    %

    100.00

    15

    燃煤單價

    元/t

    800

    16

    電價

    元/ kWh

    0.65

    17

    燃煤支出

    元/t.cl

    97.96

    18

    發電收益

    元/t.cl

    -22.10

    19

    輔機電耗支出

    元/t.cl

    37.70

    20

    綜合能源支出

    元/t.cl

    113.56

    21

    燃煤支出比例

    %

    86.26

    22

    發電收益比例

    %

    -19.46

    23

    輔機電耗比例

    %

    33.20

      發電量低,不僅發電低于目標值或保證值,而且小于裝機容量。

      目前噸熟料發電量大多在30~38 kWh/t.cl之間,有些更低些。如5000t/d的熟料生產線,

      普遍裝機為9或10MW,實際熟料生產量一般高于名義產量10%以上,按5600t/d計算,則保證發電功率為7.933MW;而相當部分機組最大發電小于7.5MW,按平均發電計算7kW計算,則發電為30kWh/t.cl,如果按平均發電6.5MW計算,則27.9kWh/t.cl,與理論計算值38~42 kWh/t.cl,比較尚有較大的差距。

      發電高低差異原因有三:

      第一發電水泥余熱熱源差別。以5000t/d熟料生產線為例,由于熟料配比、燃煤的因素,生料預熱器出口煙氣溫度具有一定差值,通常在330~300℃之間,甚至更低;而煙氣量也不同,有些高達37萬Nm3,有些只有31.5萬Nm3;而生料粉磨系統不同,烘干所需的煙氣溫度也不完全相同,綜合以上因素,相同標稱產量的熟料生產線提供的余熱發電可利用熱能可以相差30%。表3為有關因素對對余熱發電量影響的評估表,其中以熟料特性和燒成系統影響為大。

      如果由于可利用熱能不足而使發電低,無法滿足設置的裝機容量,則顯然設備閑置,造成浪費,相應維護費用升高。如5000t/d熟料生產線可利用熱能只能滿足6.5~7MW,按7.5MW而不是9MW配置發電機組,簡單計算,相差16.7%的裝機容量和相應的投資,而如果按7MW配置機組,則相差更大,為22.2%。

      第二,技術能力存在差異。換言之各服務商在熱源利用,發電系統擬合,設備選型,平面布置等方面存在區別和差異,不僅造成發電量差異,而且也將直接對投資、設備性能、可靠性以及維護等諸多方面產生影響,此外運營維護人員也亦參差不齊。

      第三,運營商差異。有些企業把關較好,而有些不是以技術方案、性價比、實力等為重要考察要素,而是單純以報價、以報出噸熟料發電量來評判服務商,并作為招標的依據,如此出現發電量低等問題就不足為奇了。

      表3 影響余熱發電量因素評估

    序號

    影響因素

    影響參數

    發電影響

    1

    生料磨系統

    SP爐出口溫度

    一般

    2

    分離器特性

    SP爐入口溫度

    SP爐煙氣量

    一般

    3

    熟料燒成系統性能

    AQC爐入口溫度

    較大

    AQC爐空氣量

    較大

    4

    篦冷機性能

    AQC爐空氣量

    較大

    AQC爐空氣溫度

    一般

    5

    生料特性

    AQC爐空氣溫度

    AQC爐空氣量

    一般

    SP爐煙氣量

    較大

    6

    實際產量

    以上各參數

    較大

      2、簡單追求噸熟料發電量或噸熟料熱耗

      部分水泥企業片面追求發電量,并以噸熟料發電量指標的高低評判發電服務商。而部份服務商為迎合水泥企業的意愿,在廢氣取氣點上做文章,手段主要是與二三次風爭風搶熱或利用其它高溫熱能。其結果是可能發電量提高了,但是單位熟料熱耗也提高了。

      恰恰相反,有些企業不斷追求噸熟料熱耗的降低,和沒有配置余熱發電系統時一樣。如某水泥廠,熟料熱耗下降了15 kJ/kg.cl,但是余熱發電也由7000~8000kW降到了4000~4500kW。

      這兩種現象具有一定的普遍性,均追求局部效益,而未考慮整體,有失偏頗,不可取。余熱發電作為水泥熟料生產系統的子系統,其與燒成系統在目標本質上是統一的,需要服從于總能耗最小原則,而局部最優不一定整體最優。

      3、重視發電量而忽視供電量

      眾所周知,有三個考察火力發電站經濟性的指標,發電煤耗、供電煤耗和自用電率,這三者并不獨立,由發電煤耗和廠用電率決定了供電煤耗,供電煤耗為機組或發電站能源利用水平的衡量指標,既用于不同機組之間用能評判,也用于同一機組綜合評判,企業、行業用其進行比較和統計。

      類似地,余熱發電站在強調發電量時不能忽略自用電,衡量發電站貢獻的是向外界提供了多少電能,而不是發了多少電能。事實上,有些供應商選擇一些能耗高價格低的設備,發電站自用電量升高,當然供電量下降。因此,噸熟料供電量比噸熟料發電更全面,考核和統計更合適。

      4、以噸熟料發電量評價余熱發電系統不夠全面

      噸熟料發電量由于簡單和直觀而被大量使用,但其難以實現不同生產線間發電系統比較,也難以較好反映發電系統的完善程度;\統的說噸熟料發電高,則“發得好”,噸熟料發電低,則“發得不好”,則又不夠全面。

      規模相當的水泥線,所配置余熱發電系統發電量差別很大,如5000t/d線,有些發電8500kW,有些只有7000kW,差別明顯。如果單純以噸熟料發電來說二者相差明顯,似乎高下立判。前已述及,對相同熟料生產能力的不同生產線,所配置的SP鍋爐可利用熱能,可能相差30%。對于本例,如果發電7000kW的機組可利用熱能比8500kW的機組低20%,則應是7000kW機組“發得好”,所以噸熟料指標難以全面衡量熱能利用狀況。

      眾所周知,余熱發電受可利用余熱質量的影響非常大,其次與發電系統的技術水平和運行維護相關。關于可利用余熱資源的質量,對窯頭余熱,可用兩個參數即可利用熱空氣量和溫度表示;對于窯尾余熱,可以以C1筒出口溫度和煙氣量,以及高溫風機入口需要煙氣溫度等三個參數基本決定,如果更準確些,則需要增加煙氣分組。余熱資源與熟料性質和配比、燃煤性質,燒成工藝,生料和燃煤粉磨系統配置,實際熟料產量,熟料燒成等系統的運行維護水平,以及其它要素的影響,這些要素為非發電系統本身要素。各因素及其影響相對大小見表3。

      對給定的水泥生產線,如具有相同的噸熟料發電量,由于自用電不同,對外的供電也將不同,所以“發得好”固然重要,但是“供得好”更重要。

      以噸熟料發電評判余熱發電系統,不科學,不完整,難以準確全面比較不同發電系統,因為其受許多余熱發電系統之外的因素影響?疾煸u價余熱發電系統,應摒棄除非發電系統要素,從發電系統本身出發。當然投資的差異,也會對發電系統產生影響。

      需要說明,噸熟料發電量這一指標以其簡單直觀而具有固有的優勢,可以使用在同一條線的不同方案比較,以及同一條線的不同時間段發點狀況的比較,也可以用在各水泥廠的統計以及行業統計。

      三、水泥余熱發電的發展方向

      1、 加大研究力度,提高對熱源特性的把握

      水泥窯余熱發電系統負荷率不高,一般為裝機的60~80%之間,考慮到余熱發電機組沒用燃燒系統,同時沒有調度限負荷,而是按能力發電,因此與電力系統火電機組比較,差距明顯。其原因較多,但莫過于對熱源特性認識掌握不足,有照葫蘆畫瓢之嫌。一些水泥發電服務商開展了篦冷機工作特性研究,在此基礎上對不同AQC鍋爐取熱方式進行了不同優化,等等,但是從整個行業來看,仍然需要加強繼續努力,加強在下列方面的研究工作:

      1) 篦冷機工作特性的研究;

      2) AQC鍋爐不同取風方式對篦冷機影響的研究;

      3) 懸浮預熱器出口煙氣量和煙氣溫度的影響因素研究;

      4) 余熱鍋爐和燒成系統的能量耦合和優化研究。

      2、熟料燒成和余熱發電作為一個整體,通過用能協調優化,追求整體能耗最小

      余熱發電對水泥熟料生產為較新的系統,為水泥熟料生產的必要配置和附屬系統,回收熟料燒成余熱,降低水泥熟料能耗。因此,簡單追求熟料燒成熱耗或余熱發電量都有失偏頗,更不用說水泥燒成和余熱發電爭風搶熱,甚至完全對立了。

      配置余熱發電后,必然對水泥熟料燒成產生影響。窯頭鍋爐的阻力使頭排風機電耗增大,窯頭鍋爐的降溫使頭排風機電耗減小,窯頭鍋爐設置而使漏風增加。在窯尾,煙氣由增濕塔改走余熱鍋爐,無疑阻力增大,漏入空氣量增多,但是不用噴水。凡此種種,必然影響頭排風機和高溫風機工作,影響其電耗。同時窯頭鍋爐和二三次風等存在爭風搶熱現象。所有這些影響,在招標和設計中均應予以充分考慮。

      同時余熱發電系統的本身用電需要引起重視,再設計和考核中應納入其中。

      所以,對于配置了余熱發電的水泥熟料燒成系統,理應考察熟料生產總體能耗,包括燃煤消耗,輔機電耗(或水泥生產電耗)和余熱發電回收電能,三者的代數和最小,即包括熟料生產系統綜合能耗最小。但對企業,單位熟料能源采購費用最小也很重要。

      1)單位熟料綜合能耗

      單位綜合能耗Eintg定義為

      其中Wxons為包括余熱發電系統在內的熟料生產系統電耗,kW;

      Wwrhg為余熱發電系統的發電功率,kW;

      (或者Wxons為不包括發電系統的熟料生產電耗,kW;Wwrhg為余熱發電系統供電功率,kW)

      Gcl為單位時間內的熟料產量,kg/s

      Q為單位熟料生產所消耗燃煤具有的熱能,kW。

    (其中Gcoal為單位時間內消耗原煤量,kg/s,Qnet為燃煤低位發熱量,kj/kg。)

      2) 單位熟料能源購置費用

      其中α為購電成本,元/kWh;

      β為原煤成本,元/t

      其它參數同上。

      3、加強熱力系統配置和優化的研究

      多年來,多家水泥窯余熱發電技術和設備服務商做了大量的研究工作,不論是在系統優化,余熱鍋爐和汽輪機開發,以及參數優化和選擇,這些工作有力推動了水泥余熱發電快速發展,但同時由于市場的快速發展,在一定程度上也影響研究工作的更深入發展,所以有必要在以下方向繼續做好進一步的研究:

      1)AQC鍋爐和SP鍋爐的協調;

      2)AQC鍋爐熱量利用方式優化;

      3)SP鍋爐與懸浮預熱器熱量優化;

      4)給水除氧系統優化;

      5)循環冷卻系統優化。

      4、科學規范余熱發電評價指標

      余熱發電系統設置,必然會對水泥燒成系統產生影響,除了使水泥廠外購電減少的積極影響外,對窯頭除塵器、頭排風機、煤磨、燒成、高溫風機和生料研磨等環節都會產生作用。

      如前面所分析的,水泥企業終極追求為燒成綜合能耗最低或燒成能源購置費用最低。而對獨立的余熱發電系統,該如何全面評價呢?顯然噸熟料發電、發電熱效率等均不夠完整,難以全面評價或衡量其用能效果,也難以對不同水泥余熱發電裝置間進行比較。為此,應引入發電(火用)效率、自用電和供電(火用)效率等三個指標。

    1) 發電
    效率對于確定參數的廢熱,其單位最大做功能力可以用熱力學
    參數來表示,回收得到能量即發電量占可利用廢熱
    的百分比定義為發電
    效率,發電
    效率表示了系統對余熱的利用充分程度,可衡量余熱發電系統和裝置性能,即該系統的電能轉換能力。系統
    效率為:
    其中Wgen為通過發電系統獲得的
    ,即發電量; Ex為發電系統可利用的外界總
    。
    效率與熱效率η的關系為
    其中E為系統可利用的總能量,其由
    Ex和無用能En兩部分組成; λ為能質系數,表示在可利用的總能量E中,可以轉化為功即
    的部分所占份額。

      2)自用電率

      余熱發電系統發出的電能,其中的少量被自己消耗,對外輸送電能減少,以自用電率p表示發電系統自消耗的電能Wcons占所發出電能Wgen的百分數;

    3)供電
    效率以供電
    效率表示發電系統向外界提供的電能占發電系統可用能的百分比。以
    效率能夠全面評價余熱發電系統電能轉換程度。
    以上三個指標中,自用電率的計算簡單直觀,而發電
    效率和供電
    效率稍抽象,比自用電率和熱效率計算稍復雜,在火力發電行業,由于普遍使用煤炭發電,熱效率大致足夠,所以
    效率沒有被大量推廣使用,只在某些必要的分析過程使用。但對于余熱發電系統,熱效率的局限較突出,所以為了全面評價和比較不同熱源的不同發電系統有必要推廣使用
    效率。

      5、余熱發電模式多樣化

      先余熱發電均為常規模式,即水和水蒸氣的朗肯循環。無疑,由于水和水蒸氣價格低廉,無毒無污染以及在高位區段良好的性能而被廣泛采用。但是水泥循環發電效率較低,這是由于水泥的工程熱物理特性所決定的,由于水的臨界溫度低而臨界壓力高,同時在環境溫度下飽和壓力很低,而在低壓下飽和溫度較高,等等,所以目前水蒸氣朗肯最高的循環效率也只有40%左右,而余熱發電系統的循環效率則更低,所以開發適合發電的新工質,特別是低溫發電工質,受到普遍的重視,近數十年來,利用有機工質朗肯系統發電,以及其它形式發電的研究工作正在逐漸展開,主要為HFC-245fa、R123、R113等工質。除了單一工質循環,采用混合工質如氨水混合物的Klina循環,充分利用各工質的熱力學特性,為另一個研究方向,據報道,已在低溫工業廢熱回收發電和地熱發電方面獲得一定的應用[3]。而且國內有關大專院校,以及技術服務公司已開始研究或引進相關技術。

      作為常規水和水蒸氣工質發電的必要補充,開展有機熱工質以及其它形式的發電技術研究,開發適合水泥余熱,以及其它余熱的發電工質、技術和設備,對于我們這樣的資源不足,而工業規模龐大和種類繁多的大國很有必要。

      6、余熱回收利用形式多樣化

      目前水泥廠的余熱利用基本都是采用余熱發電。無疑,由于電力的清潔,傳輸便捷和發電系統的相對成熟,以電力形式回收余熱通常具有較大的優勢。其實余熱利用可以有多種形式,且各有所長,并非華山自古一條道。除了發電,可以制冷,采暖,同時部分余熱可以考慮被水泥生產工藝直接回收,各種利用形式也可以互補或存在,而事實上有些單位正在進行有價值的研究和嘗試,且效果明顯。

      四、結論

      1、水泥窯余熱發電以其良好的經濟效益和環境效益而獲得快速發展。

      2、水泥窯余熱發電成效顯著,但問題不少,突出表現在由于種種原因而使發電遠小于裝機容量,沒有充分挖掘余熱資源,或余熱不足造成投資浪費;以及簡單追求噸發電或水泥熟料熱耗,沒有把二者作為整體,追求整體利益最大;同時對余熱發電系統的評價也不夠全面和完整。

      3、為了水泥窯余熱發電系統的更好發展,需要加強對于熱源特性、熱力系統優化和熱源優化方面的研究工作,充分挖掘和優化利用余熱資源。

    4、發電
    效率、自用電率、供電
    效率等指標,能夠客觀全面而有效的衡量余熱發電系統的完善程度。

      5、水泥余熱發電為水泥熟料生產的子系統,與熟料燒成等系統組成熟料生產系統,追求水泥熟料綜合熱耗或噸水泥熟料能源成本最小或最滿意,為配置余熱發電的熟料生產系統目標。

      6、通過完善水和水蒸氣朗肯循環余熱發電系統,引入其它模式余熱發電系統,余熱利用多樣化,以及協調燒成和余熱發電用能等手段,降低水泥熟料生產消耗,追求配置余熱發電的水泥熟料生產企業收益最大化。

      參考文獻

      [1]曾學敏.與共和國共鑄輝煌——水泥行業余熱發電事業發展報告,中國水泥,2009.10 18~22

      [2]曾學敏.余熱發電再創輝煌,中國水泥網

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