水泥纯低温余热发电技术的应用分析
2014-09-17贾刚
摘要：水泥纯低温余热发电技术是运用水泥生产过程中排出的废气来发电的技术，这项技术可明显减少企业的能源使用数量，降低生产成本，提高企业经济效益。文章先介绍了纯低温余热发电技术，然后分析了该技术在水泥工业的应用情况，纯低温余热发电应用双压技术情况，最后指出在水泥工业中应用纯低温余热发电技术取得的良好经济、社会效益。
关键词：水泥工业；纯低温余热发电；玻璃企业；节能降耗
中图分类号：TV541 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）27-0100-03
纯低温余热发电技术和大中型火力发电有所不同，其主要是利用回收水泥、钢铁等企业每天连续性地向大气中排放<（300℃～400℃）的中低温废烟气、蒸汽等低品位的热量进行发电，并将企业在生产环节中生成的废弃热能进一步转化形成电能，其实质是一种变废为宝的高效节能技术。这种技术的关键在于低温非标汽轮机与高效换热器，只有在这两方面取得重大进展，才可能降低企业生产成本，获得良好的经济效益。
1 水泥纯低温余热发电技术概述
1.1 原理
首先用除氧器将温度为30℃的软化水实施除氧，再用窑头型号为AQC的锅炉省煤器开始加热，当温度达到190℃时，将饱和水分成两部分进行处理。一部分放置在窑头AQC锅炉汽包中，通过过热器处理后，形成规格为310℃、1.2MPa的热蒸汽；另一部分则放置在窑尾SP锅炉汽包内，形成同样规格的热蒸汽。然后将这两部分的蒸汽汇集在
一起放置在汽轮机中开始做功，确保乏冷进入冷凝器，再用除氧器实施除氧，进入下一个热力循环。从窑尾SP锅炉排出来的废气温度能够达到220℃，可当作烘干的生料。
1.2 特点
纯低温余热发电技术的热源品味较低，可直接用水泥工业中废气余热进行发电不需补充燃料，这一点和常规火力发电有很大区别。并且在水泥工业中排出的废气和其他行业截然不同。（1）废气的品味较低，工况波动很大。通常而言窑头废气温度在（250～350）℃之间，而窑尾的废气温度在（320～400）℃之间。窑头篦冷机的热惯性较小，对窑况变化非常敏感，废气参数波动较大，温度波动在（100～150）℃之间。但窑尾不同，窑尾系统热容量非常大，废气参数较稳定，热惯性较强，温度波动通常低于15℃，热差异在旧式篦冷机上表现更明显。（2）水泥工业所排放的废气中通常含有大量的粉尘，且粉尘浓度较高，有强烈的腐蚀性。窑头与窑尾的废气中含有的粉尘量存在明显差异，其中窑头废气中粉尘浓度达到（30～50）g/Nm3，且粉尘有较强的腐蚀性；窑尾废气中粉尘浓度达到（60～80）g/Nm3，且粉尘很粘。此外，纯低温余热发电的整个系统能够充分利用余热，凭借窑头、窑尾就可达到良好的应用效果。
2 纯低温余热发电技术应用在水泥工业的分析
水泥工业作为中国目前典型的能源消耗产业，随着地球上可利用资源越来越少，将会对水泥工业的发展带来严重的影响。早在2004年，我国就出现了石油、水电及煤炭能源资源紧张的不良情况，特别是煤荒、电荒非常严重，在这种形势下，国内的煤炭市场上出现了较多的劣质煤，而以次充好的劣质煤不但制约了发电企业的发展，还阻碍了国内水泥工业的生产、加工及发展。根据以往统计数据显示，在2006年我国一整年水泥工业总产量达到9.4亿吨，消耗煤矿资源达1.5亿吨。在使用资源的过程中可能会产生大量的粉尘、废气，并且水泥工业中排放的粉尘数量占据我国所有工业行业排放粉尘量的40%左右；且二氧化碳的排放量占据我国所有工业行业排放二氧化碳量的20%左右，水泥工业的高排放量、高耗能对我国环保、能源均带来了沉重的压力，故需要改变这种单方面借助能源来生产的不良现状，不断改进技术，保护环境，提高能源利用率。与此同时，新型干法水泥生产线技术的进步，进一步降低了水泥生产的热耗程度，但存在明显的问题，窑头熟料的冷却剂与窑尾预热器排放出大量的低于350℃的废气，废气热量占整个水泥制作总耗热量的30%左右，故仍需深入改进技术，以更加充分利用废气，缓解水泥工业的生产压力，在这种形势下，纯低温余热发电技术产生了。这种技术可以运用钢铁企业的炼铁/钢、烧结以及轧钢、冲渣等环节产生的大批量低值或者废弃的热能发电，生产出熟料，余热回收的发电率能够达到（35～40）kW。假设每天生产3000吨熟料水泥窑，窑尾预热器废气参数是330℃，176000标m3/h；在窑尾烘干所用的废气温度高达210℃，窑头篦冷机总废气达到100000标m3/h，约296℃。窑头AQC与窑尾SP锅炉所产生的高压蒸汽来发电，这种纯低温余热发电技术为钢铁企业带来了可观的经济、社会效益。若年产钢铁量达500万吨的企业都合理运用发电余热，那么1年可节约2亿多度电量，进一步促使企业增收8000多万元。鉴于应用纯低温余热发电技术的种种优势，目前国家大力提倡推广该项技术。
3 纯低温余热发电应用双压技术的分析
依照水泥窑余热的具体条件，特别是窑尾的排烟温度，分别是>230℃的双压系统，<230℃的双压系统，<200℃的双压系统，在上述三个系统的基础上进一步扩展形成了更复杂的热力系统。在窑头余热锅炉的高/低压蒸汽段设置省煤器，此时余热锅炉的两种压力段省煤器出水温度不同，运用余热变得更有针对性。但不足的是运用温度高、做功能力强的废气进行生产高压段余热锅炉给水，从热量使用角度看是个较大的损失。加之水泥窑工况极易发生波动，若用复杂的热力系统则会促使电站的运行、调节变得更加复杂。
3.1 余热发电热力系统的热力学机理
能量守恒是热力学第一定律，能量在转移/转换的过程中，其总量保持不变。从这个理论角度看水泥窑余热发电，其只能通过获得较多的热量才有可能获得较多的余热进行发电。但是能量在转换过程中有质的不同，体现在能量转换的方向性，与一种能量转变成另一种能量的功能。从水泥窑余热发电的角度思考，可以说只有废气的温度足够高才可能产生高参数的主蒸汽，进而获得很高的余热发电能力。为了尽可能获得充足的余热发电量，水泥窑余热发电用温度较高的废气生产出高参数主蒸汽，再用低参数废气生产出低参数的热水或者低压蒸汽。endprint
3.2 锅炉生产蒸汽相关理论
余热锅炉通常包括过热器、蒸发器、锅筒以及省煤器。锅炉给水主要通过省煤气吸收废气的预期，温度提高后送至锅筒中。锅筒相当于一个汽水共存的容器，锅筒中的汽水混合物、或者通过蒸发器形成的饱和蒸汽再次经过锅筒，此时热水在蒸发器中会吸收热量，将饱和水转变成饱和汽，在吸热过程中，所有工质的温度并未发生明显变化，只有少部分工质因吸热而发生了一定变化，在锅筒内部发生了汽水分离。锅炉的饱和蒸汽由加热器加热后形成了符合要求的主蒸汽流入汽轮机进行做功发电。其中工质决定了主蒸汽形成产量的过程必须出现在蒸发器内，在这个过程中，工质出现相变，吸热量非常大。针对放热体即废气，它的温度需大于热力系统中的工质，即存在一定的温度差，当锅炉给水温度通过加热上升至饱和温度时，在给水的温度条件下连续吸热逐渐汽化形成饱和蒸汽，而饱和的蒸汽在连续吸热后又变成合格的过热主蒸汽。烟气流程呈现出线性下降的发展
趋势，而窄点温度差直接决定了换热过程是否困难。
3.3 计算双压系统的发电能力
以某工厂为例，该工厂余热条件：窑头篦冷机中部取风以后有153915m3/h的废气进入窑头余热锅炉，窑尾废气参数是342011m3/h进入窑尾余热锅炉，要求其出口废气温度≥200℃，用来烘干后续生料。对锅炉生产单压及双压的蒸汽计算余热发电量，结果如下表1所示：
双压系统窑尾余热锅炉产汽数量要比单压系统低，它用窑头温度较低的废气余热，窑尾主蒸汽段提供热水，低压蒸汽段的压力很低促使锅筒饱和温度低，故给水温度也较低，为了确保窑尾物料烘干的相关要求，必须降低双压系统窑尾余热锅炉主蒸汽产量。双压系统排烟系统和温度与单压系统相比较低，表明双压系统吸收了较多的热量，且双压系统的发电量比单压系统高很多。在生产低压蒸汽的过程中，低压段排烟温度需要高于低压蒸汽段锅筒饱和温度，再加上窄点温度，则低压段排烟温度至少达到143℃，故需要进一步约束低压蒸汽产量。双压系统因受到低压蒸汽段排烟温度的影响，导致低压蒸汽段的蒸
汽产量较低，故双压系统的发电能力未必最高。
4 纯低温余热发电技术应用效益分析
在水泥工业中应用的纯低温余热发电技术，是以蒸汽为动力进行循环发电的技术，其未带补燃锅炉，在使用的整个过程中不必用燃料，故不会造成不必要的环境污染。同时，纯低温余热发电技术对于蒸汽参数的要求相对较低，操作起来较简单，运行安全系数高。可以说在水泥工业中应用纯低温余热发电技术可以有效降低生产运营成本，提高经济效益。目前在水泥工业中主要采用的技术是：窑外分解新型干法水泥生产线配套纯低温余热发电技术。从企业发展的角度看，配套纯低温余热发电技术有利于企业获得最大经济利益。例如：一条3000吨/天的新型干法水泥生产线，窑头与窑尾配备有余热锅炉，用的是凝汽式汽轮机，该系统设计出来效果为每小时的平均发电总量为3500kW，参照发电机组的真实规格，必须用3000kW的汽轮机组。某项目的总投资数额高达60万元，一年平均运转300多天，则1年的发电总量可达到2270万kWh。这种情况下和采用标准煤生产相比，能够节约1.3万吨的煤，减少约2.2万吨二氧化碳的排放量，然后除掉系统自身耗费电量的10%，则每年供电量能够达到1905万kWh，而1吨熟料的发电能力能够达到26.5kWh。相比之下，应用纯低温余热发电技术来发电，整个发电系统一共投资1962万元，外界购电价格按照0.5元/kWh进行计算，除去余热电站供电所花费的成本，则每吨熟料的成本大约能下降11.5元，进一步降低了水泥工业生产成本，提升企业在市场上的竞争力。固然纯低温余热发电系统的投资非常高，但在短短几年中基本上可收回成本，可以说构建出低温余热电站，既能变废为宝，充分利用能源，降低对环境的污染，又能增加企业受益，可谓一举两得。
5 结语
在水泥工业中应用纯低温余热发电技术，一方面可利用水泥生产过程中的废气发电，降低生产水泥过程中的能源消耗，降低企业生产成本，增加企业收益；另一方面，这项技术可减少废气中二氧化碳的排放量，降低废气中粉尘含量，有利于降低水泥工业对大气环境的污染，保护当前日益恶化的生态环境。由此可以推理，纯低温余热发电技术所取得的良好经济、社会效益促使其在未来水泥工业中必然会得到广泛应用，进一步推动水泥工业的又好又快发展。
参考文献
[1] 张邓杰.水泥窑余热发电技术的分析及优化[J].动力工程，2009，8（9）.
[2] 李柱，刘哲.水泥窑纯低温余热发电节能减排指标简化算法[J].中国水泥，2009，8（9）.
[3] 刘长毅.浅析水泥纯低温余热发电原则热力系统方案[J].硅谷，2009，7（11）.
[4] 刘宾.闪蒸余热发电系统在中联水泥南阳分公司的应用[J].水泥，2010，6（8）.
[5] 李耀亭.EMC模式在水泥项目节能减排中的应用[J].建筑经济，2011，4（3）.
[6] 葛炜.对水泥行业发展低碳经济的思考[J].产业与科技论坛，2010，6（9）.
[7] 张雷.水泥行业节能减排综合测评指标体系的构建[J].河北理工大学学报（自然科学版），2010，3（2）.
[8] 孔祥忠.余热发电技术在中国水泥行业节能减排中的贡献[J].中国水泥，2009，6（4）.
作者简介：贾刚（1958-），男，黑龙江哈尔滨人，中技国际工程有限公司工程师。endprint
3.2 锅炉生产蒸汽相关理论
余热锅炉通常包括过热器、蒸发器、锅筒以及省煤器。锅炉给水主要通过省煤气吸收废气的预期，温度提高后送至锅筒中。锅筒相当于一个汽水共存的容器，锅筒中的汽水混合物、或者通过蒸发器形成的饱和蒸汽再次经过锅筒，此时热水在蒸发器中会吸收热量，将饱和水转变成饱和汽，在吸热过程中，所有工质的温度并未发生明显变化，只有少部分工质因吸热而发生了一定变化，在锅筒内部发生了汽水分离。锅炉的饱和蒸汽由加热器加热后形成了符合要求的主蒸汽流入汽轮机进行做功发电。其中工质决定了主蒸汽形成产量的过程必须出现在蒸发器内，在这个过程中，工质出现相变，吸热量非常大。针对放热体即废气，它的温度需大于热力系统中的工质，即存在一定的温度差，当锅炉给水温度通过加热上升至饱和温度时，在给水的温度条件下连续吸热逐渐汽化形成饱和蒸汽，而饱和的蒸汽在连续吸热后又变成合格的过热主蒸汽。烟气流程呈现出线性下降的发展
趋势，而窄点温度差直接决定了换热过程是否困难。
3.3 计算双压系统的发电能力
以某工厂为例，该工厂余热条件：窑头篦冷机中部取风以后有153915m3/h的废气进入窑头余热锅炉，窑尾废气参数是342011m3/h进入窑尾余热锅炉，要求其出口废气温度≥200℃，用来烘干后续生料。对锅炉生产单压及双压的蒸汽计算余热发电量，结果如下表1所示：
双压系统窑尾余热锅炉产汽数量要比单压系统低，它用窑头温度较低的废气余热，窑尾主蒸汽段提供热水，低压蒸汽段的压力很低促使锅筒饱和温度低，故给水温度也较低，为了确保窑尾物料烘干的相关要求，必须降低双压系统窑尾余热锅炉主蒸汽产量。双压系统排烟系统和温度与单压系统相比较低，表明双压系统吸收了较多的热量，且双压系统的发电量比单压系统高很多。在生产低压蒸汽的过程中，低压段排烟温度需要高于低压蒸汽段锅筒饱和温度，再加上窄点温度，则低压段排烟温度至少达到143℃，故需要进一步约束低压蒸汽产量。双压系统因受到低压蒸汽段排烟温度的影响，导致低压蒸汽段的蒸
汽产量较低，故双压系统的发电能力未必最高。
4 纯低温余热发电技术应用效益分析
在水泥工业中应用的纯低温余热发电技术，是以蒸汽为动力进行循环发电的技术，其未带补燃锅炉，在使用的整个过程中不必用燃料，故不会造成不必要的环境污染。同时，纯低温余热发电技术对于蒸汽参数的要求相对较低，操作起来较简单，运行安全系数高。可以说在水泥工业中应用纯低温余热发电技术可以有效降低生产运营成本，提高经济效益。目前在水泥工业中主要采用的技术是：窑外分解新型干法水泥生产线配套纯低温余热发电技术。从企业发展的角度看，配套纯低温余热发电技术有利于企业获得最大经济利益。例如：一条3000吨/天的新型干法水泥生产线，窑头与窑尾配备有余热锅炉，用的是凝汽式汽轮机，该系统设计出来效果为每小时的平均发电总量为3500kW，参照发电机组的真实规格，必须用3000kW的汽轮机组。某项目的总投资数额高达60万元，一年平均运转300多天，则1年的发电总量可达到2270万kWh。这种情况下和采用标准煤生产相比，能够节约1.3万吨的煤，减少约2.2万吨二氧化碳的排放量，然后除掉系统自身耗费电量的10%，则每年供电量能够达到1905万kWh，而1吨熟料的发电能力能够达到26.5kWh。相比之下，应用纯低温余热发电技术来发电，整个发电系统一共投资1962万元，外界购电价格按照0.5元/kWh进行计算，除去余热电站供电所花费的成本，则每吨熟料的成本大约能下降11.5元，进一步降低了水泥工业生产成本，提升企业在市场上的竞争力。固然纯低温余热发电系统的投资非常高，但在短短几年中基本上可收回成本，可以说构建出低温余热电站，既能变废为宝，充分利用能源，降低对环境的污染，又能增加企业受益，可谓一举两得。
5 结语
在水泥工业中应用纯低温余热发电技术，一方面可利用水泥生产过程中的废气发电，降低生产水泥过程中的能源消耗，降低企业生产成本，增加企业收益；另一方面，这项技术可减少废气中二氧化碳的排放量，降低废气中粉尘含量，有利于降低水泥工业对大气环境的污染，保护当前日益恶化的生态环境。由此可以推理，纯低温余热发电技术所取得的良好经济、社会效益促使其在未来水泥工业中必然会得到广泛应用，进一步推动水泥工业的又好又快发展。
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[2] 李柱，刘哲.水泥窑纯低温余热发电节能减排指标简化算法[J].中国水泥，2009，8（9）.
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[7] 张雷.水泥行业节能减排综合测评指标体系的构建[J].河北理工大学学报（自然科学版），2010，3（2）.
[8] 孔祥忠.余热发电技术在中国水泥行业节能减排中的贡献[J].中国水泥，2009，6（4）.
作者简介：贾刚（1958-），男，黑龙江哈尔滨人，中技国际工程有限公司工程师。endprint
3.2 锅炉生产蒸汽相关理论
余热锅炉通常包括过热器、蒸发器、锅筒以及省煤器。锅炉给水主要通过省煤气吸收废气的预期，温度提高后送至锅筒中。锅筒相当于一个汽水共存的容器，锅筒中的汽水混合物、或者通过蒸发器形成的饱和蒸汽再次经过锅筒，此时热水在蒸发器中会吸收热量，将饱和水转变成饱和汽，在吸热过程中，所有工质的温度并未发生明显变化，只有少部分工质因吸热而发生了一定变化，在锅筒内部发生了汽水分离。锅炉的饱和蒸汽由加热器加热后形成了符合要求的主蒸汽流入汽轮机进行做功发电。其中工质决定了主蒸汽形成产量的过程必须出现在蒸发器内，在这个过程中，工质出现相变，吸热量非常大。针对放热体即废气，它的温度需大于热力系统中的工质，即存在一定的温度差，当锅炉给水温度通过加热上升至饱和温度时，在给水的温度条件下连续吸热逐渐汽化形成饱和蒸汽，而饱和的蒸汽在连续吸热后又变成合格的过热主蒸汽。烟气流程呈现出线性下降的发展
趋势，而窄点温度差直接决定了换热过程是否困难。
3.3 计算双压系统的发电能力
以某工厂为例，该工厂余热条件：窑头篦冷机中部取风以后有153915m3/h的废气进入窑头余热锅炉，窑尾废气参数是342011m3/h进入窑尾余热锅炉，要求其出口废气温度≥200℃，用来烘干后续生料。对锅炉生产单压及双压的蒸汽计算余热发电量，结果如下表1所示：
双压系统窑尾余热锅炉产汽数量要比单压系统低，它用窑头温度较低的废气余热，窑尾主蒸汽段提供热水，低压蒸汽段的压力很低促使锅筒饱和温度低，故给水温度也较低，为了确保窑尾物料烘干的相关要求，必须降低双压系统窑尾余热锅炉主蒸汽产量。双压系统排烟系统和温度与单压系统相比较低，表明双压系统吸收了较多的热量，且双压系统的发电量比单压系统高很多。在生产低压蒸汽的过程中，低压段排烟温度需要高于低压蒸汽段锅筒饱和温度，再加上窄点温度，则低压段排烟温度至少达到143℃，故需要进一步约束低压蒸汽产量。双压系统因受到低压蒸汽段排烟温度的影响，导致低压蒸汽段的蒸
汽产量较低，故双压系统的发电能力未必最高。
4 纯低温余热发电技术应用效益分析
在水泥工业中应用的纯低温余热发电技术，是以蒸汽为动力进行循环发电的技术，其未带补燃锅炉，在使用的整个过程中不必用燃料，故不会造成不必要的环境污染。同时，纯低温余热发电技术对于蒸汽参数的要求相对较低，操作起来较简单，运行安全系数高。可以说在水泥工业中应用纯低温余热发电技术可以有效降低生产运营成本，提高经济效益。目前在水泥工业中主要采用的技术是：窑外分解新型干法水泥生产线配套纯低温余热发电技术。从企业发展的角度看，配套纯低温余热发电技术有利于企业获得最大经济利益。例如：一条3000吨/天的新型干法水泥生产线，窑头与窑尾配备有余热锅炉，用的是凝汽式汽轮机，该系统设计出来效果为每小时的平均发电总量为3500kW，参照发电机组的真实规格，必须用3000kW的汽轮机组。某项目的总投资数额高达60万元，一年平均运转300多天，则1年的发电总量可达到2270万kWh。这种情况下和采用标准煤生产相比，能够节约1.3万吨的煤，减少约2.2万吨二氧化碳的排放量，然后除掉系统自身耗费电量的10%，则每年供电量能够达到1905万kWh，而1吨熟料的发电能力能够达到26.5kWh。相比之下，应用纯低温余热发电技术来发电，整个发电系统一共投资1962万元，外界购电价格按照0.5元/kWh进行计算，除去余热电站供电所花费的成本，则每吨熟料的成本大约能下降11.5元，进一步降低了水泥工业生产成本，提升企业在市场上的竞争力。固然纯低温余热发电系统的投资非常高，但在短短几年中基本上可收回成本，可以说构建出低温余热电站，既能变废为宝，充分利用能源，降低对环境的污染，又能增加企业受益，可谓一举两得。
5 结语
在水泥工业中应用纯低温余热发电技术，一方面可利用水泥生产过程中的废气发电，降低生产水泥过程中的能源消耗，降低企业生产成本，增加企业收益；另一方面，这项技术可减少废气中二氧化碳的排放量，降低废气中粉尘含量，有利于降低水泥工业对大气环境的污染，保护当前日益恶化的生态环境。由此可以推理，纯低温余热发电技术所取得的良好经济、社会效益促使其在未来水泥工业中必然会得到广泛应用，进一步推动水泥工业的又好又快发展。
参考文献
[1] 张邓杰.水泥窑余热发电技术的分析及优化[J].动力工程，2009，8（9）.
[2] 李柱，刘哲.水泥窑纯低温余热发电节能减排指标简化算法[J].中国水泥，2009，8（9）.
[3] 刘长毅.浅析水泥纯低温余热发电原则热力系统方案[J].硅谷，2009，7（11）.
[4] 刘宾.闪蒸余热发电系统在中联水泥南阳分公司的应用[J].水泥，2010，6（8）.
[5] 李耀亭.EMC模式在水泥项目节能减排中的应用[J].建筑经济，2011，4（3）.
[6] 葛炜.对水泥行业发展低碳经济的思考[J].产业与科技论坛，2010，6（9）.
[7] 张雷.水泥行业节能减排综合测评指标体系的构建[J].河北理工大学学报（自然科学版），2010，3（2）.
[8] 孔祥忠.余热发电技术在中国水泥行业节能减排中的贡献[J].中国水泥，2009，6（4）.
作者简介：贾刚（1958-），男，黑龙江哈尔滨人，中技国际工程有限公司工程师。endprint
