水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及其效益分析

成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 陳濤 曹華 · 2005-03-11 00:00 留言

摘要  水泥工業(yè)國(guó)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(duì)純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(guó)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(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,能源緊缺的矛盾日趨突出。多個(gè)地區(qū)鬧煤荒、電荒。但我國(guó)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(duì)能源沒(méi)有“量才而用”,普遍地把煤炭、石油、天然氣等高品級(jí)能源“降級(jí)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(shí),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(jí)能源均是獲取電能、熱能的源泉,但是它們?cè)谵D(zhuǎn)換成電能、熱能的過(guò)程中,效率不高,且轉(zhuǎn)換過(guò)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。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(lái)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(lái)推動(dòng)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(shì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(guó)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(duì)能源緊缺有切膚之痛。2003年下半年以來(lái),國(guó)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(chǎng)。水泥企業(yè)對(duì)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(lái)我國(guó)水泥工業(yè)技術(shù)取得了長(zhǎng)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(jiàn),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(guó)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(guó)CO2排放總量的20%,粉塵排放量占我國(guó)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(jí)能源,成為當(dāng)今我國(guó)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(lái)越受到人們的高度重視。從國(guó)務(wù)院制定并出臺(tái)的一系列開(kāi)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(guó)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(guó)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(duì)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(guò)引進(jìn)日本川崎重工的技術(shù),我國(guó)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(guó)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(jí)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(jì)噸熟料發(fā)電量33.8kWh/t,自投入正常生產(chǎn)運(yùn)行以來(lái),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(duì)于燒成系統(tǒng)在90%以上。廣西柳州水泥廠3200t/d的四級(jí)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(guó)產(chǎn)凝汽式汽輪機(jī),余熱電站裝機(jī)容量6000kW。投產(chǎn)以來(lái)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(guó)水泥工業(yè)開(kāi)始了國(guó)產(chǎn)化的道路。1999年,國(guó)產(chǎn)化第一條純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)在江西萬(wàn)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(guó)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(guó)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(jiǎn)介
3.1基本原理
    30℃左右的軟化水經(jīng)過(guò)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(guò)各自鍋爐的蒸發(fā)器、過(guò)熱器產(chǎn)生1.2MPa、310℃左右的過(guò)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(gè)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(lái)發(fā)電,因此所采用的技術(shù)和設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng),尤其是窯頭廢氣參數(shù)波動(dòng)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(gè)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(guó)產(chǎn)主機(jī)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化余熱發(fā)電技術(shù)的前提,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)的設(shè)備廠家經(jīng)過(guò)多年的研究,已經(jīng)開(kāi)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(guó)產(chǎn)化余熱發(fā)電項(xiàng)目來(lái)看,運(yùn)行情況基本良好。主機(jī)設(shè)備的選型原則如下:
 ?。?)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(duì)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(duì)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(jì)中避免粉塵堆積和管線磨損。從寧國(guó)、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(wàn)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(guò)設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)較低;補(bǔ)汽式汽輪機(jī)是發(fā)展的方向,但采用國(guó)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(dòng)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(jì)
     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(duì)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(jì)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(dòng)相對(duì)較大。新建生產(chǎn)線配套余熱發(fā)電系統(tǒng)時(shí),一定要對(duì)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(shí),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(shí)要求余熱電站在正常運(yùn)行時(shí)不能影響原水泥生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)。
     各個(gè)水泥廠的條件不同,對(duì)純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jiàn)圖1)。系統(tǒng)簡(jiǎn)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(jiàn)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(guó)水泥廠得到很好使用。國(guó)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(gè)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(duì)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(jiǎn)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(dòng)力循環(huán)發(fā)電技術(shù)方案。由于該方案不使用燃料來(lái)補(bǔ)燃,因此不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生附加污染;其次沒(méi)有補(bǔ)燃鍋爐,蒸汽參數(shù)較低,其運(yùn)行操作簡(jiǎn)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(jiǎn)單,對(duì)用戶來(lái)說(shuō)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(guó)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(jì)小時(shí)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(shí)發(fā)電量按3000kWh計(jì)。以年運(yùn)轉(zhuǎn)300d計(jì)算,年發(fā)電量2160萬(wàn)kWh,相當(dāng)于節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約1.1萬(wàn)t,減少CO2排放約2萬(wàn)t??鄢到y(tǒng)自耗電10%,年供電量1944萬(wàn)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(guó)產(chǎn)裝備,純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)總投資約1950萬(wàn)元。按照外購(gòu)電價(jià)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(jiàn),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(jìng)爭(zhēng)力,為企業(yè)帶來(lái)良好的效益,企業(yè)和社會(huì)做到雙贏。   
5、結(jié)束語(yǔ)
     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(gè)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(shí),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(shí),減少CO2排放,對(duì)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(chǎng)供應(yīng),對(duì)水泥窯的安全運(yùn)轉(zhuǎn)也帶來(lái)較大隱患。有關(guān)專家預(yù)測(cè),電力緊張局面至少要3~4年才可緩解。因此,國(guó)家制定并出臺(tái)了一系列開(kāi)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(lì)利用工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(guò)程中的能源消耗,節(jié)能效果顯著。同時(shí),廢氣通過(guò)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(duì)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(huì)效益的技術(shù),必將具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景,成為我國(guó)水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要舉措。

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