水泥余热发电

一、水泥窑纯低温余热发电背景

随着水泥熟料煅烧技术的发展，发达国家水泥工业节能技术水平发展很快，低温余热在水泥生产过程中被回收利用，水泥熟料热能利用率已有较大的提高。但我国由于节能技术、装备水平的限制和节能意识影响，在窑炉工业企业中仍有大量的中、低温废气余热资源未被充分利用，能源浪费现象仍然十分突出。新型干法水泥熟料生产企业中由窑头熟料冷却机和窑尾预热器排出的350℃左右废气，其热能大约为水泥熟料烧成系统热耗量的35％，低温余热发电技术的应用，可将排放到大气中占熟料烧成系统热耗35％的废气余热进行回收，使水泥企业能源利用率提高到95％以上。项目的经济效益十分可观。

我国是世界水泥生产和消费的大国，近年来新型干法水泥生产发展迅速，技术、设备、管理等方面日渐成熟。目前国内已建成运行了大量2000t/d以上熟料生产线，新型干法生产线与其他窑型相比在热耗方面有显著的降低，但新型干法水泥生产对电能的消耗和依赖依然强劲，因此，新型干法水泥总量的增长对水泥工业用电总量的增长起到了推动作用，一定程度上加剧了电能的供应紧张局面。而目前国内运行的新型干法水泥熟料生产线采用余热发电技术来节能降耗的企业极少，再者，国内由于经济潜力增长加剧了电力短缺的矛盾，刺激了煤电项目的增长，一方面煤电的发展会加速煤炭这种有限资源的开采、消耗，另一方面煤电生产产生大量的CO2等温室气体，加剧了对大气的环境污染。因此在水泥业发展余热发电项目是行业及国家经济发展的必然。此外，为了提高企业的市场竞争力，扩大产品的盈利空间，国内的许多水泥生产企业在建设熟料生产线的同时，也纷纷规划实施余热发电项目。

随着世界经济快速发展、新型节能技术的推广应用，充分利用有限的资源和发展水泥窑余热发电项目已经成为水泥业发展的一种趋势，也完全符合国家产业政策。

截至2009年，全国新型干法熟料生产线为934条,熟料产能7.6亿吨, 预计到2010年全国新型干法熟料生产线为1080条左右，熟料生产能力为8.6亿吨左右。虽然在水泥行业余热发电推广和普及迅速,除已建和在建外，到2010年全国还有50%的全国新型干法熟料生产线可以配置余热发电装置,如果以上新型干法熟料线全部配套余热发电，每年可实现节电270亿度，相当于节约煤炭消耗1000万吨（标煤），可减排CO2约24400万吨。

根据国家现行产业政策和“八部委”文件要求，截止2010 年国内新型干法水泥生产线配套建设纯低温余热电站的比例将达到40％，即到2010 年底以前还将有约400多座纯低温余热电站建成并投入运行。

二、新型干法水泥窑纯低温余热发电的兴起

1998年3月，日本政府赠送的中国首套水泥纯低温余热发电机组在海螺建成投运，十年来，该项目取得了良好的社会和经济效益，起到了很好的示范作用。海螺集团公司集成创新，在原有的基础上，针对水泥工艺特性改进设计，自行研发DCS系统，个性化设计，国产化装备。所开发的纯低温水泥窑余热发电技术余热回收效率高、发电过程中无需补充燃料，不产生任何污染，已处于国际领先地位。该技术是符合国家产业政策的绿色发电技术，是一种环保的、节能减排的、符合可持续发展要求的循环经济技术，经济效益也非常显著。

海螺集团水泥纯低温余热发电装机容量居全球水泥企业之首。2005年，海螺开始大规模建设余热发电项目，为了落实国家关于节能减排的号召和政策，承担应尽的社会责任，海螺引进川崎先进的余热发电技术，结合海螺的工程设计、设备成套能力、项目实施能力和调试运行经验，和川崎成套设备工程株式会社合资成立了安徽海螺川崎工程有限公司和安徽海螺川崎节能设备制造有限公司，以便更好的在中国推广纯低温余热发电技术。

2006年8月，首条自主设计、自行成套的日产5000吨水泥熟料余热发电项目在宁国水泥厂建成投运；到09年上半年，海螺集团内已建成投运28套余热发电机组，装机规模达到465.5兆瓦，在建机余热发电组15套，装机规模达到162兆瓦。总装机规模达到627兆瓦,上述机组全部投运后年发电量47.69亿度，按火力发电同口径计算，年可以节约标煤172万吨，减少二氧化碳排放413万吨。

到2009年5月，安徽海螺川崎工程有限公司还向其他国内外20家水泥企业集团进行了推广应用，共97套机组，涉及156条水泥熟料生产线，装机规模达到1334.6兆瓦，上述项目全部建成后预计年发电量101.48亿度，将减排 880万吨，节约标煤365.5万吨，环保效益和经济效益十分显著。

其中国内除海螺外，海螺川崎工程公司还向其他14家水泥企业进行了推广，涉及71条水泥熟料生产线配套余热发电项目，共49套机组,装机规模达到618兆瓦。余热发电市场已覆盖到全国21个省、市。

其中在国外，承担了泰国、巴基斯坦等国水泥企业共11条水泥熟料生产线配套的6套余热发电总包工程项目，装机规模达到90兆瓦。

二、水泥窑纯低温余热发电技术介绍

1、水泥窑余热发电技术

是直接对水泥窑在熟料煅烧过程中窑头窑尾排放的余热废气进行回收，通过余热锅炉产生蒸汽带动汽轮发电机发电。

一条日产5000吨水泥熟料生产线每天可利用余热发电21-24万度，可解决约60%的熟料生产自用电，产品综合能耗可下降约18%，每年节约标准煤约2.5万吨，减排二氧化碳约6万吨。

水泥纯低温余热发电技术是指在新型干法水泥熟料生产线生产过程中，通过余热回收装置——余热锅炉将水泥窑窑头、窑尾排出大量的低品位废气余热进行热交换回收，产生过热蒸汽推动汽轮机实现热能向机械能的转换，从而带动发电机发出电能，

窑头锅炉

所发电能供水泥生产过程中使用。

三、目前国内预分解水泥窑采用纯低温余热发电的主机设备配置主要为：

1、窑头采用余热锅炉（或热交换器），简称为AQC炉，国内都为立式；国外也是。

2、窑尾采用余热锅炉（或热交换器），国内大多采用的是立式，简称SP

锅炉，安徽海螺川崎工程有限公司采用的是卧式，简称PH锅炉；国外为卧式。卧式锅炉和立式锅炉的性能比较见下表：

PH锅炉SP锅炉

工质循环

方式

强制循环自然循环

体积小，现场

布置方便

大，现场

布置不方

便

重量轻重

积灰废气流动

的方向和

换热管垂

直，不易

积灰，清

灰效果好

废气流动

的方向和

换热管水

平，易积

灰，清灰

难度大

维护量少多换热端差小大

蒸发量比立式高

15%~30%

比卧式低

15%~30%

换热效率比立式高

8%~10%

比卧式低

8%~10%

上表中的换热端差是指锅炉入口废气温度与过热器出口蒸汽温度之间的差值，其值越小，表明锅炉过热器换热充分，传热效率高，蒸汽热焓高，热能利用率高。PH锅炉换热端差约为10℃，而SP锅炉的换热端差接近30℃。

3、汽轮机，国内采用补汽凝汽式汽轮机；国外为混压式汽轮机。

4、发电机，国内采用空冷式发电机；国外也是。

5、水处理设备。

6、循环冷却设备。

7、DCS控制设备。

四、常用的余热发电热力系统

常用的有单压不补汽、闪蒸（单压补汽）、双压补汽余热发电三种方式；

1、单压不补汽系统指窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉产生相近参数的主蒸汽，混合后进入汽轮机；窑头余热锅炉生产的热水供窑头余热锅炉蒸汽段和窑尾余热锅炉。柜内的技术代表有中材节能—天津院和南京凯盛公司。

2、双压补汽系统指余热锅炉生产较高压力和较低压力的蒸汽，分别进入汽轮机的高、低压进汽口。国内的技术代表有洛阳中信和大连易事达。

3、闪蒸系统指锅炉产生一定压力的主蒸汽和热水，主蒸汽进入汽轮机高压进汽口，热水经过闪蒸，生产低压的饱和蒸汽，补入补汽式汽轮机的低压进汽口。国内的技术代表有安徽海螺川崎工程有限公司。

五、案例介绍

纯低温余热发电技术的关键问题，一是面对中、低品位的热源如何提高发电效率；二是余热锅炉如何适应低温的、含尘浓度高的废气，因为废气温度低就要增加换热面积，废气的含尘浓度高会带来传热性能降低，并加快设备磨损，尤其是窑头余热锅炉的磨损，甚至恶性堵灰事故造成的系统可靠性降低。

一条4500t/d熟料生产线窑尾预热器及窑头熟料冷却机废气余热联合生产低压过热蒸汽进行发电设计指标如下：

发电机装机容量： 10 MW

设计小时发电功率： 9000 kW

年向水泥厂供电：6361×10kWh

废气余热资源表

内容 4500t/d熟料生产线

窑尾废气参数窑尾废气量 360，000Nm/h

窑尾废气温度330℃

窑尾废气负压 7000mmH2O

窑尾锅炉出口温度213℃

窑尾废气含尘度 80g/Nm

窑头废气参数窑头废气量 222，000Nm/h

窑头废气温度360℃

窑头废气含尘浓度 30/Nm

通过对上表生产线废气余热资源表的分析、热平衡计算，余热发电机组设计发电量为9000kW。

生产工艺是一个能量转化的过程。给水通过PH余热锅炉和AQC余热锅炉，将4500t/d水泥熟料生产线排放的低温余热的热能进行回收，使其转化为蒸汽，再通过蒸汽管道导入蒸汽轮机，在汽轮机中热能转化为动能，使汽轮机转子高速旋转，驱动发电机转动，从而转化为最终的产品-----电能。