一、项目概要

91水泥窑纯低温余热发电技术评价方法的探讨大连易世达新能源发展股份有限公司唐金泉前言近年来，随着我国水泥工业工艺及装备技术得以迅速发展，数百条数千吨级新型干法水泥熟料生产线（以下简称PC窑）的陆续投产，为PC窑纯低温余热发电技术及装备的开发、推广、应用创造了市场条件。在这个背景条件下，目前国内具有PC窑余热发电工程设计、技术开发能力的数家单位，推出了几种PC窑纯低温余热发电的热力循环系统并已在水泥工业陆续推广应用。自2001年至2006年，水泥行业利用国产设备和技术在数10条1200t/d级、2500t/d级、5000t/d级PC窑上配套建设了装机容量分别为2.0MW、2.5MW、3.0MW、4.5MW、6.0MW、7.5MW、9.0MW的纯低温余热电站，形成了国产成熟的PC窑纯低温余热发电技术及装备，为我国水泥工业节能降耗、提高经济效益、形成循环经济提供了技术手段。目前在开发、应用PC窑纯低温余热发电技术及装备过程当中有许多新的情况产生。例如：从装机容量上，同样是5000t/d级的PC窑，水泥生产条件、废气参数条件也类似,但装机容量却有6.0MW、7.5MW、9.0MW等多种；从蒸汽参数上，有0.689～1.27MPa—280～330℃、1.57～3.43MPa-340～435℃等多种；从实际发电能力上，有的宣称2500t/d窑装机已达6000kW或发电功率已超过4000kW,有的宣称5500t/d窑发电已达10000kW等。从宣传上，一些设计、承建单位为说明自己有先进的PC窑纯低温余热发电技术从而有很高的发电量，采用不报熟料热耗、利用三次风或其它水泥生产用的高温气体来发电、降低物料烘干用废气温度、在发电机功率表上做文章、低报熟料实际产量、低报熟料热耗等不正当手段进行宣传。由于上述新情况的产生，同时也由于为了规范纯低温余热发电技术及装备的研究、开发、工程设计、工程建设工作，目前制定科学的PC窑纯低温余热发电技术的评价方法尽而为编制《PC窑纯低温余热发电工程设计规范》创造条件是十分必要的。1目前水泥行业已经推广应用的几种纯低温余热发电技术目前水泥行业已经推广应用的几种纯低温余热发电技术，以蒸汽参数来分，基本上有两类：一类为0.689～1.27MPa—280～330℃的低压低温系统，一类为1.57～3.43MPa—340～435℃的次中压中温92系统。1.10.689～1.27MPa—280～330℃的低压低温系统1.1.1热力系统模式对于0.689～1.27MPa—280～330℃的低压低温系统，其热力系统构成有如下三种模式：一是单压不补汽式纯余热发电技术，见图1；二是复合闪蒸补汽纯余热发电技术，见图2；三是多压补汽式纯余热发电技术，见图3。图1：单压不补汽式纯余热发电热力循环系统、循环参数及废气取热方式图2：复合闪蒸补汽式纯余热发电热力循环系统、循环参数及废气取热方式93图3：多压补汽式纯余热发电热力循环系统、废气取热方式1.1.2技术要点(1)利用PC窑窑尾预热器排出的350℃以下废气设置一台窑尾预热器余热锅炉（简称SP锅炉），利用PC窑窑头熟料冷却机排出的400℃以下废气设置一台熟料冷却机废气余热锅炉（简称AQC炉）；两台锅炉设置一台蒸汽轮机。(2)发电系统主蒸汽参数为：0.689～1.27MPa—280～330℃。(3)上述三种技术没有本质的区别，共同的特点是：利用了在窑头熟料冷却机中部增设抽废气口或直接利用冷却机尾部废气出口的400℃以下废气及窑尾预热器排出的300～350℃的废气余热，最重要的特点是采用0.689～1.27MPa—280～330℃低压低温主蒸汽。主要区别仅在于：图1模式窑头只生产0.689～1.27MPa—280～330℃低压低温蒸汽及满足AQC锅炉、SP锅炉所需要的150～180℃的热水；图2模式窑头除生产0.689～1.27MPa—280～330℃低压低温蒸汽及满足AQC锅炉、SP锅炉所需要的150～180℃的热水外将多余的150～180℃热水降压产生少量的0.1～0.5MPa—饱和温度的蒸汽；图3模式窑头除生产0.689～1.27MPa—280～330℃低压低温蒸汽，还同时再生产0.1～0.5MPa—饱和～160℃低压低温蒸汽及满足AQC锅炉、SP锅炉所需要的100～105℃热水。(4)根据不同的热力系统模式，采用补汽式或不补汽式汽轮机。(5)图2复合闪蒸补汽式适用于汽轮机房与冷却机距离较远的情况；图3多压补汽式适用于汽轮机房与冷却机距离较近的情况。941.21.57～3.43MPa—330～435℃的次中压中温系统1.2.1热力系统模式对于1.57～3.43MPa—330～435℃的次中压中温系统，其热力系统构成有如下两种模式：一是冷却机多级取热纯余热发电技术，见图4；二是冷却机多级取热及循环风纯余热发电技术，见图5。图4：冷却机多级取热余热发电热力系统图5：冷却机多级取热及循环风余热发电热力系统951.2.2技术要点（1）利用PC窑窑尾预热器排出的350℃以下废气（图4）设置一台窑尾预热器余热锅炉（简称SP锅炉）或同时利用窑尾C2级预热器内筒设置过热器（图5）。（2）利用熟料冷却机排出的400℃以下废气设置一台熟料冷却机废气余热锅炉（简称AQC炉）；或者通过改变窑头熟料冷却机废气排放方式，利用熟料冷却机排出的部分360℃以下废气设置一台AQC余热锅炉、利用熟料冷却机排出的部分500℃以下废气设置一台熟料冷却机废气余热过热器（简称ASH过热器）。（3）将AQC炉排出的废气部分或全部返回冷却机，窑头熟料冷却机冷却风采用循环风方式。（4）利用两台锅炉或者增设的余热过热器设置补汽式蒸汽轮机，发电系统主蒸汽参数为1.57～3.43MPa—340～435℃、补汽参数为0～0.2MPa—饱和～160℃。2研究、开发、应用纯低温余热发电技术应注意的几个原则性问题2.1应遵循的基本原则PC窑纯低温余热发电技术是以节能降耗从而降低水泥生产成本为目的，它的内涵是：将水泥生产过程中产生的并且水泥生产过程本身已不能再利用的余热回收从而转化为电能的技术。因此，研究、开发、应用PC窑纯低温余热发电技术应遵循的基本原则为：①不能影响水泥的正常生产；②不能增加水泥熟料的烧成热耗及电耗；③不改变水泥生产用原燃料的烘干热源；④不改变水泥生产的工艺流程及设备。2.2对水泥生产影响的控制PC窑配套建设余热电站，原则上要求不影响水泥生产；但由于在一条完整的熟料生产线窑头、窑尾各串接相应的余热锅炉。因此，余热电站对水泥生产不产生任何影响是不可能的。根据已投产的余热电站实际生产运行情况，对于遵循上述原则配套建设的余热电站，投入运行后对水泥生产的影响主要集中在以下几方面。96（1）对窑尾高温风机的影响：在窑尾SP锅炉漏风控制、结构设计、受热面配置、清灰设计、除灰设计、废气管道设计合适的条件下，电站投入运行后，窑尾高温风机负荷将有所降低，这种影响是正面的。（2）对增湿塔的影响：将随着电站的投入或解出来调整喷水量，直至停止或全开喷水。（3）对生料磨及煤磨的影响：随着电站的投入或解出，烘干废气温度将产生较大幅度的变化，需要根据烘干废气温度的变化调整烘干废气量或磨的运行方式。（4）对窑尾电收尘影响：如果窑尾采用电收尘，电站投入运行后对其收尘效果总是有影响的，只是由于地区不同、配料不同、燃料不同或其它条件不同，对收尘效果的影响程度不同。但当窑尾采用袋收尘时，电站投入运行对提高收尘效果是有显著作用的。（5）对窑头电收尘器的影响：电站投入运行后，窑头电收尘器工作温度大为降低，粉尘负荷也相应降低。（6）对窑系统操作的影响：由于窑系统增加了两台余热锅炉，而余热锅炉废气不但取自还要送回PC窑系统，因此势必需要增加窑系统窑头、窑尾、废气处理、生料粉磨、煤制备系统的操作环节。对PC窑生产造成的上述几方面的影响，综合起来为两个方面：一是增加了PC窑生产的操作环节（例如：随着电站的投入、运行和解出，PC窑需调整窑尾高温风机、增湿塔喷水、生料磨及煤磨、窑头排风机等系统的运行参数）；二是如果窑尾采用电收尘，电站投入运行后对其收尘效果总是有或大或小的影响。对PC窑生产造成的影响应当而且必须控制在上述范围以内。在目前水泥熟料烧成工艺技术及设备、纯低温余热发电热力循环系统配置技术及设备条件下，为了提高发电量而采用抽取三次风或窑头罩等高温风，或生料或燃料烘干改用燃烧燃料而将原来用于烘干的废气用于发电等措施都是不可取的。采用这些措施，表面上增加了发电量，实际不但不会有助于水泥生产综合能耗的降低，反而由于熟料热耗的增加会使水泥生产综合能耗增加（但当水泥厂建设余热电站不是以节能为主要目的时，在1kg标准煤的价格与1kWh电的购电价格之比小于0.7的条件下，采用这些措施可以增加水泥生产综合效益）。2.3准确的余热发电技术发电能力指标目前对于余热发电技术发电能力指标，大家往往只注意每吨熟料发电量，而很少注意相关因素对97发电量的影响，这是目前产生许多新情况的主要原因。对于PC窑纯余热发电，影响吨熟料发电量的因素很多。如：熟料热耗（涉及窑头、窑尾废气温度等）；熟料形成热（涉及生料配料成分）；原料、燃料烘干所需要的废气温度、废气量（涉及可用于发电的余热量）；电站热力系统构成方式及蒸汽参数（涉及发电系统循环效率）；熟料实际产量和规模（涉及锅炉、汽轮机等设备效率）；废热取热方式（涉及对窑生产及熟料热耗的影响）等等。由于影响余热发电能力的上述因素,加之这些因素在实际生产中的复杂性，仅采用吨熟料余热发电量来评价纯低温余热发电技术是不科学、不完整、不准确的，不能全面代表纯低温余热发电技术水平。因此，根据目前的情况，研究、确定PC窑纯低温余热发电技术的评价方法既是必要的,条件也是成熟的，而且也是急需的。3PC窑纯低温余热发电技术的评价方法初探尽管影响余热发电能力的因素较多也比较复杂，但水泥熟料煅烧过程及纯低温余热发电必定都是热工过程，因此，研究、确定出全面、科学、准确的纯低温余热发电技术评价方法是可能的。本文提出的评价方法是初步的，仅供同行讨论、参考。该评价方法由二部分构成，介绍如下。3.1第一部分——实用部分,即“每kg熟料热耗—吨熟料余热发电量”目前水泥行业已经习惯用吨熟料余热发电量来做为衡量余热发电技术水平的指标，因此，评价方法中保留这个指标是必要的。但由于吨熟料余热发电量没有考虑熟料热耗、熟料形成热、原燃料烘干所需废气温度及废气量等因素对发电量的影响，因此，为了考虑影响余热发电量的主要因素即熟料热耗对余热发电能力的影响，应改为采用“每kg熟料热耗—吨熟料余热发电量”(以下仍简称“吨熟料余热发电量”)这一指标来评价。尽管如此，这个指标仍然没有考虑全面，如未考虑熟料形成热、原燃料烘干所需废气温度及废气量等对发电能力的影响。对于“吨熟料余热发电量”这一评价指标，笔者认为:(1)在建设余热电站之前比较、确定余热电站技术方案时，在熟料产量、熟料热耗、用于发电的废气参数(废气温度、废气量、含尘浓度等，下同)、用于原燃料烘干的废气参数条件都相同的条件下，采用“吨熟料余热发电量”来对不同的余热发电技术方案进行评价是准确、可靠的；(2)对于已投产的余热电站，采用“吨熟料余热发电量”来对余热电站及PC窑自身进行综合考核同样也是准确、可靠的；98(3)对于已投产的不同PC窑间的余热电站进行比较时，当熟料产量、熟料热耗、用于发电的废气参数、用于原燃料烘干的废气参数等生产条件大体相同的条件下，采用“吨熟料余热发电量”进行比较是相对准确、可靠的；但当上述生产条件差别较大（如:一条窑的熟料热耗是750×4.1868kJ/kg，而另一条窑为780×4.1868kJ/kg；或一条窑的生料烘干废气温度为200℃，而另一条窑为230℃）时，采用“吨熟料余热发电量”进行比较则是不准确、不可靠的。因为根据研究及实际生产情况，一般来讲，电站采用目前的蒸汽参数时，当熟料热耗增加或减少7～8×4.1868kJ/kg时，吨熟料余热发电量也相应增加或减少1kWh以上；也就是说，余热电站每多发1kWh电，窑系统将多消耗1～1.12