水泥厂废热利用的最新趋势

2014-03-03陈友德

水泥技术 2014年1期

水泥厂废热利用的最新趋势

近些年来，因电价上涨及环保需求，水泥厂为减少生产电费和CO2排放，兴建发电装置已成为最新的发展趋势。全世界2009年已投产的废热发电525台套，2012年底上升至865台套。这些装备的资金回收时间一般低于5年，而用CDM款项所建的生产装备则超过12年。

废热发电主要有三种方式，即

Rankline蒸汽循环（常规蒸汽循环方式）；

Rankline有机物循环（ORC）；

Kalina循环。

目前，常规蒸汽循环方式兴建的废热发电装备占总量的98%，但此方式效率较低，仅为20%～25%（现代大型电厂的效率约60%），ORC采用有机物循环，效率高些，而Kalina则更高些。

1 废热利用技术参数

水泥窑废热发电数量与窑的生产规模有关，1000t/d熟料装机能力大致为1.8～1.9MW（图1）。

废热发电的装机功率与预热器级数和原料水分有关，也与废气温度和废气量有关（表1）。

预热器废气温度为220～380℃，其中0～100℃温度段的废气无法利用，100～（150～210℃）温度段的废气用于烘干原料水分，（150～210℃）～（220～380℃）温度段的废热可以利用。

熟料冷却机尾部废气温度为250℃，中部抽取为450℃，其中100℃温度段的废气无法利用，100～（250～450）℃温度段的废热可以用于发电（图2）。

表1 窑系统所需热能

表2 烧成系统可利用废热，kJ/kg熟料

图1 中国废热发电的装机功率范围

图2 废热发电温度范围

废热发电热量的计算情况如下：设定预热器废气热量为670kJ/kg熟料，用于烘干原料和不可利用的热量为400kJ/kg，可利用的则为270kJ/kg熟料。冷却机废气热量为450kJ/kg，不可利用热量为120kJ/kg，可利用的热量则为330kJ/kg熟料。预热器和冷却机不可利用废气相加为600kJ/kg。按照25%的废气热量转换为电能为150kJ/kg熟料，折算为41kWh/t熟料。

即：270+330kJ/kg=600kJ/kg×0.25=150kJ/kg，相当于41.7kWh/t熟料。

2 市场状况

2.1 世界废热发电数量

至2012年，世界废热发电总数为865台套，中国最多，为739台套，其中亚洲（包括中东）为849台套，欧美为12台套（图3）。

2.2 中国废热利用状况

中国政府部门制定了支持水泥厂废热发电政策，21

世纪得以快速发展，至2012年底，已投入生产线的废热发电装备为739台套（图4），占世界总量的85.4%。

2012年末，中国已有985条预分解窑生产线安装废热发电，总计生产能力为1160百万吨熟料，总发电装机功率为6575MW，平均每台套为8.9MW。在739台套装备中，766台套为常规蒸汽循环方式，3台套为ORC和循环。

2008年以来，新建的废热发电装置数量逐年下降，目前60%的预分解窑已安装废热发电装置，未安装的40%生产线中，估计仅25%符合安装要求。也就是说，近期投入的新装备数量将迅速下降。值得注意的是中国的有关设计、装备制造公司废热发电装备的海外市场在迅速增加，其数量为2010年7台套，2011年上升至17台套，2012年总量为19台套。

图3 世界各国废热发电数量

图4 历年中国投入生产的废热发电数量

图5 采用中国制造装备的废热发电投资

3 废热发电的技术状况

常规蒸汽循环方式通常蒸汽压力为2.5MPa，废汽温度为350～370℃，随着篦冷机中部取风温度提高，以及锅炉效率的增加，现单位熟料装机功率可提高至45kWh/t熟料。

有机物循环（ORC）工作介质为高分子化合物，如硅酮油、碳氢化合物或制冷剂，这些化合物的挥发温度较水低，因而发电量高些。而Kalina循环采用水-氨混合作工作介质，挥发温度更低些，发电量更高些。上述两种系统在地热发电站广泛应用，其装机功率为1～10MW，但技术装备较常规蒸汽循环复杂，因而在水泥工业推广受到限制。随着水泥窑热耗的进一步降低，可用于发电的废热越来越少，为提高经济效率，未来兴建的废热发电装置有可能向这两种转变。