水泥窯余熱發(fā)電研究進展

李敬德（成都昊特新能源技術(shù)股份有限公司，四川　成都　610041）

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水泥窯余熱發(fā)電研究進展

李敬德
（成都昊特新能源技術(shù)股份有限公司，四川成都610041）

摘要：本文總結(jié)了水泥窯低溫余熱發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展歷程，闡述了水泥窯發(fā)電量與能耗的關(guān)系，同時指出了現(xiàn)階段水泥窯低溫余熱發(fā)電技術(shù)存在的問題，以期為我國水泥窯行業(yè)的發(fā)展提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水泥窯；余熱回收；進展

1 引言

中國是世界上水泥主要生產(chǎn)國，2010年中國水泥產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的60%。水泥行業(yè)也是高耗能產(chǎn)業(yè)之一。當前，我國水泥工業(yè)中立窯、干法中空窯等落后技術(shù)裝備還占相當比重，可持續(xù)發(fā)展面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

2 水泥窯余熱發(fā)電國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

針對高溫廢熱發(fā)電的研究已持續(xù)相當長的時期，自能源危機以后，低溫余熱發(fā)電才引起各國的關(guān)注。日本、美國、德國等在水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域較早涉入，且技術(shù)較為成熟。

1981年，日本住友公司岐阜水泥廠首先利用冷卻機低溫廢氣進行發(fā)電。目前，日本有超過一半的新型干法水泥生產(chǎn)線已安裝了余熱發(fā)電裝置，且穩(wěn)定性強、發(fā)電效率高，位于余熱回收技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先水平。同時，德國也引進以色列ORMAT公司的技術(shù)和裝備，實現(xiàn)了冷卻機的廢氣余熱發(fā)電。以色列利用ORC系統(tǒng)針對水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的150℃～350℃低溫煙氣進行余熱發(fā)電，該技術(shù)被美國、日本、俄羅斯等國家引進。美國的Recurrent公司開發(fā)了一套以氨和水的混合液為工質(zhì)的汽輪機余熱回收發(fā)電系統(tǒng)，技術(shù)較為領(lǐng)先。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展較晚，解放前其還處于空白狀態(tài)。我國水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)主要經(jīng)歷了以下四個階段。

第一階段：20世紀50年代～80年代。首先，為了解決水泥需求量增加和電力緊張的難題，我國開始進行干法中空窯余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的研發(fā)。后來，參照日本引進德國技術(shù)在中國建立的中空窯余熱發(fā)電裝備，對現(xiàn)有技術(shù)進行改造升級，實現(xiàn)中空窯余熱發(fā)電技術(shù)的突破。

第二階段：20世紀90年代。隨著我國新型干法工藝的發(fā)展，廢氣溫度已降至400℃左右，但前期問題仍未解決。國家安排三項科技攻關(guān)課題，實現(xiàn)了我國水泥窯余熱利用技術(shù)的跨越。

第三階段：20世紀90年代～21世紀初。此階段主要為第二階段余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的普及與示范化應用。

第四階段：21世紀初之后。隨著人們節(jié)能和環(huán)保意識的不斷提高，單純以發(fā)電量為目標的余熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)不能滿足水泥余熱發(fā)電的需求，使水泥窯余熱發(fā)電進入蓬勃發(fā)展時期。

3 水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)概述

在水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展過程中，涌現(xiàn)出三代余熱發(fā)電技術(shù)。

第一代余熱發(fā)電技術(shù)：窯頭和窯尾設置余熱鍋爐，分別回收預熱器一級出口和篦冷機排出的350℃～400℃的廢氣余熱。主要包括單壓不補汽式系統(tǒng)、雙壓補汽式系統(tǒng)、復合閃蒸式系統(tǒng)，其均通過產(chǎn)生低壓的蒸汽來進行做功發(fā)電。

第二代余熱發(fā)電技術(shù)：在窯頭篦冷機上設置兩個抽氣口，高溫口排出的500℃廢氣余熱供過熱器回收，低溫口排出的360℃以下的廢氣余熱供余熱鍋爐回收；窯尾直接回收預熱器一級出口排出的350℃廢氣余熱，在二級預熱器內(nèi)設置過熱器進行回收。與第一代相比，第二代技術(shù)回收了在窯尾二級預熱器中的廢氣余熱，且在窯頭篦冷機處采用分級抽氣，實現(xiàn)了溫度對口、梯級利用，提高余熱回收效率。

第三代余熱發(fā)電技術(shù)：第三代技術(shù)主要對第二代技術(shù)進行改造升級，增設窯頭篦冷機的抽氣口，保證高溫、中溫、低溫廢氣余熱的梯級回收。

4 水泥窯發(fā)電量與能耗之間的關(guān)系

部分專家提出余熱發(fā)電上限，認為目前的純低溫余熱發(fā)電已經(jīng)達到40kWh/t熟料，余熱資源回收空間十分狹小，余熱利用的意義不大。對于水泥行業(yè)，200℃以下的大量低品質(zhì)余熱尚未得以利用，且如窯筒體散熱等，余熱回收潛力也十分巨大。

水泥熟料的理論熱耗在390kcal/kg～430kcal/kg，以目前的先進生產(chǎn)工藝，熟料熱耗能可以達到710kcal/kg。即熟料燒成的熱效率約為54.93%～60.56%，折算成標煤約為40000g～45710g標煤/t熟料，經(jīng)折算可發(fā)電130kWh/t～114kWh/t熟料。但目前的純低溫余熱發(fā)電僅回收40kWh/t熟料，再增加發(fā)電量就會導致煤耗的增加。國家規(guī)定的發(fā)電對標系數(shù)為350g/kWh，如果多燒350g煤可以多發(fā)2kWh的電，也必然是可行的。但實際上，可以采取相應措施，增加發(fā)電量的同時并不增加煤耗。比如說：首先是純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的突破，余熱回收的溫限進一步擴大；采用“補燃（或變相補燃）”，不消耗煤，而采用生活垃圾、工業(yè)垃圾、農(nóng)業(yè)秸稈、食品工業(yè)的排渣等作為補燃材料。

5 水泥窯余熱發(fā)電存在的問題

目前，低溫余熱發(fā)電技術(shù)主要存在以下幾個問題：

（1）汽輪機發(fā)電機組方面。為了充分利用350℃以下純低溫廢氣余熱發(fā)電，國內(nèi)還亟待解決一系列問題，比如多級低參數(shù)混壓進汽式汽輪機組的設計、制造等問題。

（2）水泥生產(chǎn)工藝與余熱發(fā)電技術(shù)結(jié)合方面。水泥窯窯尾廢氣溫度控制范圍、窯頭熟料冷卻劑能否與余熱鍋爐實現(xiàn)一體化、篦冷機余風的最佳溫度等問題，還需進一步研究。

（3）熱鍋爐中管束的磨損與積灰也是一個難題。廢氣含塵量大、粉塵硬度高，極易產(chǎn)生積灰和磨損，不僅影響水泥窯的穩(wěn)定運行，也影響電站的發(fā)電功率。

（4）自動化控制系統(tǒng)也不容忽視。當前，水泥熟料線DCS控制系統(tǒng)、余熱發(fā)電DCS控制系統(tǒng)是完全獨立控制系統(tǒng)，常發(fā)生因多發(fā)電而導致水泥質(zhì)量不穩(wěn)定、熟料能耗增加等問題。

參考文獻

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中圖分類號：TQ172

文獻標識碼：A