一、项目概要

1、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94、八前言数百条数千吨级新型干法水泥熟料生近年来， 随着我国水泥工业工艺及装备技术得以迅速发展，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 2.5M

2、W 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6.0MW7.5MW 9.0MW等多种；从蒸汽参数上,有 0.689 1.27MPa 280330 C、1.57 3.43MPa-340 435C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

3、率已超过 4000kW， 有的宣称5500t/d窑发电已达lOOOOkW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

4、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0.6891.27MPa 280330C的低压低温系统，一类为1.573.43MPa 340435C的次中压中温系统。1.1 0.6891.27 MPa 280330 C的低压低温系统1.1.1热力系统模式对于0.6891.27MPa 280330C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。1 . 11-t匚r0t-n I龟I flF宀!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

5、气取热方式r i彳IJr ：-； JI I 什.?K r s yrL ,.-. . r. J VIlli!J.l- Jl-.勺堪.tMS_ i_hsnr旳I匚-rjXI rIE :匚I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|U冷#鸟n In：-CCVL JI阴I|1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 C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 C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

6、系统主蒸汽参数为：0.6891.27MPa 280330 C。(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400C以下废气及窑尾预热器排出的300350 C的废气余热，最重要的特点是采用 0.6891.27MPa 280330 C低压低温主蒸汽。主要区别仅在于：图1模式窑头只生产0.6891.27MPa 280330 C低压低温蒸汽及满足 AQC锅炉、SP锅炉所需要的150180C的热水；图2模式窑头除生产 0.6891.27MPa 280330 C低压低温蒸汽及满足 AQC锅炉、SP锅炉所需要的150180C的热水外将多

7、余的 150180C热水降压产生少量的0.10.5M Pa饱和温度的蒸汽;图3模式窑头除生产 0.6891.27MPa 280330 C低压低温蒸汽，还同时再生产0.10.5MPa饱和160C低压低温蒸汽及满足 AQC锅炉、SP锅炉所需要的100105 C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。1.2 1.573.43M Pa 330435 C的次中压中温系统1.2.1 热力系统模式对于1.573.43MPa 330435C的次中压中温系统，其热力系统构成有

8、如下两种模式：一是冷5。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1 ”卜-s.rr 1 卜图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1.2.2 技术要点（1）利用PC窑窑尾预热器排出的 350C以下废气（图4）设置一台窑尾预热器余热锅炉（简称5）。SP锅炉）或同时利用窑尾 C2级预热器内筒设置过热器（图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 C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 C以下废气设置一台熟料冷却机废气余热过热器（简称ASH过

9、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1.573.43M Pa340435 C、补汽参数为 00.2 MPa饱和160C。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:不能影响水泥的正常生产；不能增加水

10、泥熟料的烧成热耗及电耗；不改变水泥生产用原燃料的烘干热源；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（2）利用熟料冷却机排出的 400C以下废气设置一台熟料冷却机废气余热锅炉（简称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。（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

11、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

12、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。为了提高发电量而采用抽取三次风或窑头对 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

13、、纯低温余热发电热力循环系统配置技术及设备条件下， 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，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PC窑纯余热发电，影响吨熟料发电量的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发电量的影响，

14、这是目前产生许多新情况的主要原因。对于因素很多。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

15、要的，条件也是成熟的，而且也是急需的。3 PC 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 第一部分一一实用部分，即“每kg熟料热耗一吨熟料余热发电量”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

16、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105（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

17、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；（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 X 4.1868kJ/kg ,而另一条窑为780 X 4.1868kJ/kg ;或一条窑的生料烘干废气温度为200 C,而另一条窑为230 C）时,采用“吨熟料余热发电量”进行比较则是不准确、不

18、可靠的。因为根据研究及实际生产情况，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78X 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 11.12kg标准煤的燃料。显然，熟料热耗的大小对余热发电能力的影响很大，热耗大发电能力自然大，但总能源浪费大，这是不可取。3.2 第二部分理论部分，即混合热效率 （简称热效率 ）如前所述， PC 窑纯低温余热发电技术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，因此，采用理论上的“混合热效率”（ 既不是绝对热效率，也不是相对

19、热效率 ）来对不同的纯低温余热发电技术的热量转换效果进行评价是科学、准确、可靠的，这种评价方法可以消除熟料热耗、 熟料形成热、 原燃料烘干所需废气参数、 电站热力系统构成方式及蒸汽参数、熟料实际产量和规模、废热取热方式等因素的影响。3.2.1 定义PC窑纯低温余热系统热效率是指可用于发电的PC窑总余热量转化为电能的比例，其数学表达式为：热效率n=（发电功率 DX 860 X 4.1868 ） /可用于发电的总余热量刀 Q3.2.2物理意义发电功率D就是余热发电系统输出功率，单位为kW EQ是可用于发电的总余热量。刀Q由以下几部分组成，即： MQ=Qp+Qq+Q+Qt(1) Qp为可用于发电的窑

20、尾废气余热，其计算方法为:Qp =VZs( Tjs Cjs - Ths Cths)+ Vys ( Cths Ths-135 X 1.42) o上式中：Qp为可用于发电的窑尾总废气热量，kJ/h ; VZs窑尾预热器排出的总的标况废气量,m/h ； Tjs 窑尾预热器排出的废气平均温度，C；Cs 对应于Ts的窑尾标况废气比热，kJ/m3 C；Ths物料烘干所需要的废气平均温度，C；Chs 对应于Ths的窑尾标况废气比热，kJ/m C； W扣除物料烘干所需窑尾废气量后剩余的窑尾标况废气量,m3/h ; 135扣除物料烘干所需窑尾废气量后剩余的窑尾废气进入电收尘器允许的最低温度，135 C; 1.4

21、2 对应于135 C的窑尾标况废气比热,3kJ/m - Co(2) Qqc为可用于发电的窑头废气余热，其计算方法为：Qq=VZa- TjAGa式中：QAq(可用于发电的窑头总废气余热量，kJ/h ； VZa电站不投入运行时(或电站投产前)冷却机总排入大气的标况废气量，m/h ； Ta电站不投入运行时(或电站投产前)冷却机总排入大气的废气平均温度，C； CjA 对应于Ta的冷却机排入大气标况废气比热，kJ/m3 Co(3) Q为用于发电的窑胴体废热热量，单位为 kJ/h o对于窑胴体废热热量，目前有部分水泥厂进行了部分回收，但未用于发电，其它绝大部分水泥厂都未回收。当将窑胴体废热热量回收并用于发

22、 电时，计算发电系统热效率应按实际回收的窑胴体废热热量计算。Qgt为用于发电的其它热量，单位为 kJ/h o对于不同的余热发电技术或不同的水泥厂，其用于三次风热量计发电的热量除前述废热热量外，有可能还利用其它热量。如：为了多发电，利用窑的部分二次风或三 次风， 这样势必增加熟料热耗， 因此应将熟料增加的热耗或抽取的用于发电的二次风， 入发电用热量。又如：为了多发电，改变物料烘干方式，将原本用于烘干的废气全部用于发电而改变物料烘干热源，即或者改用燃烧燃料的方法烘干物料，或者用其它方法烘干物料。但无论采用何种方式，均应将物料烘干所用的热量计入发电用热量。此外， 水泥生产线因配套建设余热电站所增加的

23、其它能源消耗，换算为热量后均应计入发电用热量。3.2.3 应用举例下列举例中，均以熟料产量为 5500t/d 的PC窑为例。废气参数中的废气量均为标况废气量。353600ni/h210 C;煤烘干采用冷却机废气，废气参数为:30000m3/h 290 C；窑尾预热器排出的废气参数353600m3/h 330 C,窑头冷却机扣除煤烘干所需废气后排入大气的废气参数310000ni/h 290 C；仅利用窑头、窑尾废气余热配套余热电站。当电站分别采用 2.29 MP a 380 C、0.98 MP a 310 C主蒸汽参数时,热效率计算结果见表 1。主蒸汽参数0.98 MPa310 C2.29 MP

24、a 380 C窑尾 废气 余热预热器排出的 废气参数废气量/ ( m3 h-1)353600353600废气温度/C330330生料烘干所需 废气参数废气量/ ( m3 h-1)353600353600废气温度/C210210用于发电的窑尾废气热量Qsp/(X 104kJ h-)6504.366504.36窑头 废气 余热冷却机排入大 气废气参数废气量/ ( m3 h-1)310000310000废气温度/C290290用于发电的窑头废气热量Qaq(/(X 104kJ h-1)11837.5711837.57用于发电的总废热量/( X 104kJ h-1)18341.9318341.93发电机

25、功率D/ kW78008880热效率n / %15.317.42吨熟料余热发电量熟料热耗/(kJ kg-1)31403140吨熟料发电量/kWh/t3438.7表1: A工艺不同余热发电系统方案的热效率计算例2 B工艺。熟料热耗小于3140kJ/kg。生料烘干采用窑尾废气，但废气参数调整为:272000m3/h 270 C；煤烘干采用冷却机废气，废气参数为：30000卅巾290C ;窑尾预热器排出的废气参数353600ni/h 330 C,窑头冷却机扣除煤烘干所需废气后排入大气的废气参数310000ni/h 290 C；利用窑头、窑尾废气余热配套余热电站。当电站分别采用 2.29MPa 380

26、C、0.98MPa 310C主蒸汽参数时，热效率计算结果见到表 2。主蒸汽参数0.98 MPa310 C2.29 MPa 380 C窑尾 废气预热器排出的 废气参数废气量/ ( m3 h-1)353600353600废气温度/C330330生料烘干所需废气量/ ( m3 h-1)272000272000表2 : B工艺不同余热发电系统方案的热效率计算例1 A工艺。熟料热耗小于3140kJ/kg ;生料烘干采用窑尾废气，废气参数为:余热废气参数废气温度/C270270扣除生料烘十 所需窑尾废气 量后剩余的窑 尾废气参数废气量/( m3 h-1)8160081600废气温度/C270270用于发电

27、的窑尾废气热量Qsp/(X 104kJ h-1)5085.275085.27窑头 废气 余热冷却机排入大 气废气参数废气量/ ( m3 h-1)310000310000废气温度/C290290用于发电的窑头废气热量Qaq*X 104kJ h-1)11837.5711837.57用于发电的总废热量/(X 10kJ h-)16922.8416922.84发电机功率D/ kW70008040热效率n / %14.917.1吨熟料发电量熟料热耗/(kJ kg-1)31403140吨熟料发电量/ kWh/t30.535.1353600ni/h 210 C；煤烘干采用冷却机例3C工艺。生料烘干采用窑尾废气

28、，废气参数为:废气，废气参数为：30000ni/h 290C ;窑尾预热器排出的废气参数353600ni/h 330C，窑头冷却机扣除煤烘干所需废气后排入大气的废气参数31OOOOm7h 290 C；利用窑头、窑尾废气余热同时抽取窑三次风 35000m7h 900C配套余热电站，因抽取三次风，熟料热耗由3140kJ/kg升至3360kJ/kg 。3。当电站分别采用 2.29 MP a 380 C 0.98 MP a 310 C主蒸汽参数时，热效率计算结果见表表3 : C工艺不同余热发电系统方案的热效率计算主蒸汽参数0.98 MPa 310C2.29 MP a 380 C预热器排出 的废气参数废

29、气量/ (m3 h-1)353600353600废气温度/ C330330生料烘干所 需废气参数废气量/ (m3 h-1)353600353600废气温度/ C210210用于发电的窑尾废气热量Qsp/( X104kJ h-1)6504.366504.36冷却机排入 大气废气参 数废气量/ (m3 h-1)310000310000废气温度/ C290290用于发电的窑头废气热量QAQC/( X104kJ h-1)11837.5711837.57抽抽取的三次风参数废气量/ (m3 5-1)3500035000废气温度/ C9001 900用于发电的三次风热量/(X 104kJ h-1)5063.

30、045063.04因抽取三次风增加熟料热耗/(kJ kg-1)220220用于发电的总废热量/(X 104kJ - h-1)23404.9723404.97发电机功率D/ kW917510455热效率n /%14.1116.08吨熟料发电量熟料热耗/(kJ kg-1)33603360吨熟料发电量/ kWh/t401 45.64评价方法的应用4.1评价方法应用分析从评价方法的构成、热效率的物理意义及所举三个实例计算结果来看:(1)例1,例2，例3均表明，对于同一条 PC窑，发电用热热源相同，当发电热力循环系统采用不同的主蒸汽参数时，参数越高热效率越高，相应地吨熟料余热发电量也越高。这说明：根据热源 温度的不同，实现热量根据其温度进行梯级利用的原理对提高余热发电能力的重要性;(2)对于同一条PC窑，发电用热热源不相同但主蒸汽参数相同时，热源温度越高，吨熟料余热发电量也越高，但电站热效率越低(如例3)。这说明：利用PC窑生产本身可以回用的高温热量来提高PC窑的发电量，虽然发电量可以提高，但节能效果确降低，因此是不能提倡的;(3)对比例1和例2可知，对于同一条PC窑，发电用热热源相同但物料所需烘干热源温度不同时,烘干所需热源温度越高， 吨熟料余热发电量越低，电站热效率也越低。 这说明：从吨熟料余热发电