兩種水泥窯余熱鍋爐蒸汽利用技術(shù)的比對(duì)分析

尹 號(hào) 李 堅(jiān)

（上海凱盛節(jié)能工程技術(shù)有限公司 上海 200333）

兩種水泥窯余熱鍋爐蒸汽利用技術(shù)的比對(duì)分析

尹 號(hào) 李 堅(jiān)

（上海凱盛節(jié)能工程技術(shù)有限公司 上海 200333）

針對(duì)水泥窯余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽，通過純低溫余熱發(fā)電技術(shù)和蒸汽拖動(dòng)汽輪機(jī)技術(shù)加以利用，以國內(nèi)1條5000t/d的新型干法水泥生產(chǎn)線為例，采用純低溫余熱發(fā)電和純低溫余熱發(fā)電—蒸汽拖動(dòng)汽輪機(jī)兩種設(shè)計(jì)方案，比對(duì)分析其能效性。結(jié)果表明，純低溫余熱發(fā)電—蒸汽拖動(dòng)汽輪機(jī)系統(tǒng)的能效性更高，具有較高的推廣價(jià)值。

水泥工業(yè)；余熱；蒸汽；技術(shù)；能效

0引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源緊缺的問題日益突顯。工業(yè)生產(chǎn)和生活用熱主要來自于能源的一次性使用，而由此產(chǎn)生的大量工業(yè)低溫余熱、廢氣得不到進(jìn)一步的利用，導(dǎo)致能源的利用效率較低。煤炭、石油、天然氣作為獲取電能和熱能的最主要高品級(jí)能源，在能量轉(zhuǎn)化的過程中，效率不高，轉(zhuǎn)換過程中所產(chǎn)生的廢氣余熱、粉塵、有害氣體對(duì)環(huán)境污染很大[1]。如此嚴(yán)重的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染不僅不利于國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且給人們的生命健康造成了危害。

利用中低溫的廢氣產(chǎn)生低品位蒸汽，以此驅(qū)動(dòng)低參數(shù)的汽輪機(jī)組發(fā)電是純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的核心，對(duì)于節(jié)能減排和環(huán)保有著重要意義。純低溫余熱發(fā)電技術(shù)不需要消耗一次能源，同時(shí)不產(chǎn)生額外的廢氣、廢渣和粉塵，既能減少能源消耗，又能有效控制大氣污染，保護(hù)臭氧層，對(duì)于企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭力，減少CO2氣體排放和保護(hù)環(huán)境有著積極的作用，也是切實(shí)貫徹我國實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。在當(dāng)前形勢(shì)下，各行各業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)都集中在如何運(yùn)用新技術(shù)和新設(shè)備來進(jìn)一步提高能源利用效率。

1 水泥工業(yè)能源使用現(xiàn)狀

水泥工業(yè)作為僅次于冶金、化工行業(yè)的第三大能源消耗大戶，對(duì)能源需求緊迫。近年來，隨著國內(nèi)煤電油全面緊張，煤炭和電力供應(yīng)矛盾加劇，而水泥生產(chǎn)對(duì)煤炭的品質(zhì)有著嚴(yán)格的要求，市場(chǎng)上優(yōu)質(zhì)煤供應(yīng)不足，劣質(zhì)煤則達(dá)不到水泥生產(chǎn)的技術(shù)要求，這導(dǎo)致了大多數(shù)水泥企業(yè)為了保證水泥質(zhì)量而不得不調(diào)整水泥生產(chǎn)物料配方[2]。此外，劣質(zhì)煤的供應(yīng)導(dǎo)致了火力發(fā)電站發(fā)電量下降，間接影響了水泥企業(yè)的生產(chǎn)。

近年來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，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。但從長遠(yuǎn)角度出發(fā)，我國的水泥工業(yè)節(jié)能形式依然嚴(yán)峻，進(jìn)一步節(jié)省能源是未來水泥企業(yè)發(fā)展的方向。

2016年我國水泥總產(chǎn)量約23.48億噸，能源總耗量為2.6億多噸標(biāo)煤。水泥生產(chǎn)在消耗煤炭、電力的同時(shí)還產(chǎn)生大量的廢氣和粉塵，CO2的排放量占我國CO2排放總量的近20%，能源緊缺和環(huán)境保護(hù)是水泥工業(yè)發(fā)展所面臨的嚴(yán)峻考驗(yàn)。目前水泥熟料的熱耗隨著干法工藝的采用而大幅下降，但窯頭和窯尾排出的廢氣溫度仍然在350℃左右，其熱量約占水泥生產(chǎn)系統(tǒng)總熱量的30%。如何有效地回收利用廢氣余熱能源是當(dāng)前我國水泥工業(yè)面臨的重要問題。

隨著我國政府對(duì)環(huán)境保護(hù)和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整重視度的不斷加強(qiáng)，越來越多的政策被相繼出臺(tái)，以鼓勵(lì)企業(yè)實(shí)施節(jié)能改造項(xiàng)目。近幾年，國內(nèi)外大多數(shù)的水泥企業(yè)普遍采用余熱發(fā)電的方式對(duì)生產(chǎn)線排放的大量余熱資源加以回收利用，并已取得了相當(dāng)成功的經(jīng)驗(yàn)和較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 水泥工業(yè)余熱利用技術(shù)

在水泥窯生產(chǎn)過程中所排余熱主要來自兩個(gè)部分：（1）窯頭篦冷機(jī)所排熱空氣；（2）窯尾預(yù)熱器所排廢氣，充分回收利用這兩部分熱量可顯著降低水泥生產(chǎn)能耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)。目前對(duì)于以上這兩部分余熱，國內(nèi)普遍采用純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，通過設(shè)置窯頭余熱鍋爐、窯尾余熱鍋爐回收并產(chǎn)生過熱蒸汽，通過汽輪機(jī)做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

2.1純低溫余熱發(fā)電技術(shù)

2.1.1 工藝流程

純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)主要由AQC余熱鍋爐，SP余熱鍋爐及汽輪機(jī)組成，如圖1所示。軟化水經(jīng)過除氧器除氧后，分別進(jìn)入AQC余熱鍋爐和SP余熱鍋爐，水泥生產(chǎn)線排放的廢氣與經(jīng)過兩個(gè)鍋爐的水進(jìn)行熱交換，水吸熱后轉(zhuǎn)化為蒸汽，并通過蒸汽管道引入汽輪機(jī)，汽輪機(jī)做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生電能。

2.1.2 技術(shù)特點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)火力發(fā)電廠采用的高溫、高壓、超臨界發(fā)電技術(shù)不同，純低溫余熱不需要借助任何補(bǔ)燃，而是直接利用水泥生產(chǎn)線產(chǎn)生的低

圖1 純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)簡圖

溫廢氣余熱進(jìn)行發(fā)電，較低的熱源品質(zhì)決定了其所采用的技術(shù)和設(shè)計(jì)原則與傳統(tǒng)火力發(fā)電有所不同。水泥工業(yè)產(chǎn)生的廢氣具有以下特點(diǎn)：

（1）廢氣溫度較低，生產(chǎn)線排氣工況波動(dòng)較大；

（2）廢氣的含塵量高，對(duì)鍋爐等設(shè)備造成的磨損嚴(yán)重；

（3）系統(tǒng)利用的余熱來自窯頭、窯尾兩個(gè)部分；

（4）由于系統(tǒng)流程較為復(fù)雜，對(duì)設(shè)備的要求較高。

2.2蒸汽拖動(dòng)汽輪機(jī)技術(shù)

2.2.1 工藝流程

蒸汽拖動(dòng)汽輪機(jī)組技術(shù)是利用工業(yè)汽輪機(jī)直接拖動(dòng)水泥生產(chǎn)線的風(fēng)機(jī)、磨機(jī)等高能耗設(shè)備。該技術(shù)配合純低溫余熱發(fā)電技術(shù)共同運(yùn)行，能夠有效的提高能源的利用率。

圖2所示為純低溫余熱發(fā)電—蒸汽拖動(dòng)汽輪機(jī)系統(tǒng)，AQC余熱鍋爐和SP余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽一部分進(jìn)入汽輪機(jī)，推動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電，剩余的部分進(jìn)入拖動(dòng)汽輪機(jī)組直接驅(qū)動(dòng)高溫風(fēng)機(jī)運(yùn)行，兩部分產(chǎn)生的凝結(jié)水共用一個(gè)真空除氧器、兩臺(tái)鍋爐給水泵。

圖2 純低溫余熱發(fā)電—蒸汽拖動(dòng)汽輪機(jī)系統(tǒng)簡圖

當(dāng)水泥窯啟動(dòng)時(shí)，余熱回收系統(tǒng)還沒有過熱蒸汽產(chǎn)生，拖動(dòng)汽輪機(jī)通過離合器與系統(tǒng)脫開，此時(shí)電機(jī)投入使用，電機(jī)單獨(dú)拖動(dòng)高溫風(fēng)機(jī)工作，水泥窯進(jìn)入正常工作狀態(tài)，有熱煙氣產(chǎn)生；然后將熱煙氣送入余熱鍋爐產(chǎn)生過熱蒸汽，將部分過熱蒸汽送至拖動(dòng)汽輪機(jī)入口，使其膨脹做功。

隨著過熱蒸汽量逐漸增大，拖動(dòng)汽輪機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)速也逐漸增大，當(dāng)拖動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度時(shí)，離合器自動(dòng)嚙合，汽機(jī)與電機(jī)、風(fēng)機(jī)連接投入使用；當(dāng)汽輪機(jī)輸出功率足夠時(shí)，切斷電機(jī)電源，汽輪機(jī)單獨(dú)拖動(dòng)高溫風(fēng)機(jī)工作。

2.2.2 技術(shù)特點(diǎn)

與純低溫余熱發(fā)電技術(shù)相同，蒸汽拖動(dòng)汽輪機(jī)技術(shù)直接利用水泥生產(chǎn)所排出的廢氣余熱，該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)路程簡單，能量轉(zhuǎn)化過程的中間損失少，利用率高；

（2）汽輪機(jī)直接拖動(dòng)設(shè)備運(yùn)行便于操作，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高；

（3）汽輪機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)生產(chǎn)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)比較成熟。

3 兩種技術(shù)方案的能效對(duì)比

從能源有效利用的角度看，蒸汽拖動(dòng)汽輪機(jī)組經(jīng)過以下能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：蒸汽—汽輪機(jī)—轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備；純低溫發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)為：蒸汽—汽輪機(jī)—發(fā)電機(jī)—電力傳輸網(wǎng)絡(luò)—電動(dòng)機(jī)—轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備。兩者相比，蒸汽拖動(dòng)機(jī)組減少了能量轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)，其能源的有效利用率更高。

表1 兩種余熱利用方式的裝置傳動(dòng)效率對(duì)比

蒸汽拖動(dòng)汽輪機(jī)組相比于純低溫發(fā)電機(jī)組降低了發(fā)電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎碗妱?dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的兩次能量轉(zhuǎn)變過程所產(chǎn)生的損失，同時(shí)還減少了電能傳輸過程中的線路損失。

兩種技術(shù)的節(jié)能性能主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的傳動(dòng)效率上，蒸汽拖動(dòng)機(jī)組比純低溫發(fā)電機(jī)組效率損失少6.5～7.5%，具體比較見表1。

以國內(nèi)1條5000t/d的新型干法水泥生產(chǎn)線為例，設(shè)計(jì)兩套余熱利用方案。方案一：采用純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，為其配備裝機(jī)容量10MW的汽輪發(fā)電機(jī)組；方案二：采用純低溫余熱發(fā)電—蒸汽拖動(dòng)汽輪機(jī)系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量為7.5MW，高溫風(fēng)機(jī)拖動(dòng)汽輪機(jī)系統(tǒng)裝機(jī)容量2.8MW。

以年運(yùn)行6500h計(jì)算，方案一建成后年發(fā)電量6299萬kWh，扣除自用電后年供電量達(dá)到5890萬kWh，相當(dāng)于年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2.0027萬t，每年減少CO2排放量約5.2萬t。采用方案二的設(shè)計(jì)，建成后發(fā)電機(jī)組年直接發(fā)電量為4615萬kWh，除去系統(tǒng)的自用電量，每年的有效供電量為4315萬kWh，高溫風(fēng)機(jī)運(yùn)行年節(jié)約用電量為1820萬kWh，合計(jì)節(jié)約電量6135萬kWh，當(dāng)于年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2.0859萬t，年減少CO2排放量5.4萬t，方案二的節(jié)能性明優(yōu)于方案一。由此可見，采用純低溫余熱發(fā)電—蒸汽拖動(dòng)汽輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，能夠更好的實(shí)現(xiàn)企業(yè)的節(jié)能減排，提高企業(yè)的效益。此外，當(dāng)發(fā)電機(jī)組設(shè)備出現(xiàn)故障需要停機(jī)檢修時(shí)，該方案中的高溫風(fēng)機(jī)設(shè)備仍可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，相比于單獨(dú)的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)靈活性更高。

4 結(jié)語

回收利用水泥生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢氣余熱，不僅減少了對(duì)環(huán)境的影響，而且有效的降低了發(fā)電成本，有助于緩解用電緊張。近年來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，國家相關(guān)政策的出臺(tái)，水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)大量普及，并取得了顯著的效果。但采用純低溫余熱發(fā)電—蒸汽拖動(dòng)汽輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在節(jié)能性和系統(tǒng)靈活性方面更具優(yōu)勢(shì)，可以為企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這種設(shè)計(jì)方案具有較高的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景，未來可以向水泥及冶金等高能耗產(chǎn)業(yè)推廣。

[1]許紅軍.水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用及其經(jīng)濟(jì)性分析[J].四川水泥, 2016(1)：9.

[2]陳濤，曹華.水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及其效益分析[J].新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào), 2005, 11(2)：1-4.

TQ172.6

B

1007-6344（2017）05-0005-02

尹號(hào)，男，1982年12月17日，江蘇南京，大學(xué)本科，熱能與動(dòng)力工程，助理工程師，上海凱盛節(jié)能工程技術(shù)有限公司