1、中国水泥技术交流QQ群:89794396现  欢迎加入!!!     2、请关注河北水泥网官方微博:http://t.sina.com.cn/hbcement     3、河北88家水泥企业9月底前淘汰落后产能     4、中国水泥技术交流QQ群:89794396现  欢迎加入!!!     5、河北涉县金隅水泥被授予2011年度河北省发展散装水泥工作先进单位     6、现在注册会员,就可以免费查看发布供求信息、项目信息、企业黄页、产品信息     7、新闻发布,广告咨询: QQ:110400570    电话:13735578759  
河北鼎基钢铁铸件有限公司
  您的位置: 河北水泥网 >> 技术研讨 >> 余热利用

阅读信息


试论水泥窑余热回收发电技术现状、问题及其发展

【河北水泥网】  【时间:2011-03-24】  【关闭本页】  【打印本页
[字体:字体颜色]

  一、水泥窑余热发电以其良好的经济性和环境效益而快速发展

  1、发展势头迅猛

  随着国内技术和设备日臻成熟,近年来新型干法水泥窑余热发电迅速发展。据统计[1],到2009年底有498条新型干法熟料生产线余热发电投运,总装机容量3317MW,预计2010年底将有687条新型干法熟料生产线配置余热发电系统,装机容量将达到4785MW。容量超过三峡电站总装机的四分之一,而发电量超过三峡电站的三分之一。水泥余热发电的快速发展得益于其良好的经济效益和环境效益。

  2、 经济效益

  表1 5000t/d熟料生产线能源消耗情况及余热发电影响

序号

内容

单位

数值1

数值2

数值3

数值4

数值5

数值6

1

熟料产量

t/d

5625

2

熟料热耗

kJ/kg.cl

3179

3

熟料电能消耗

kWh/t.cl

58

4

熟料发电

kWh/t.cl

42

40

38

34

30

0

 

 

kJ/kg.cl

151.2

144

136.8

122.4

108

0

5

熟料综合能耗

kJ/kg.cl

3237

3244

3251

3265

3280

3388

6

原煤热量

%

98.22

98.00

97.79

97.35

96.93

93.84

7

熟料电耗

%

6.45

6.44

6.42

6.39

6.37

6.16

8

熟料发电

%

-4.57

-4.44

-4.21

-3.75

-3.29

0.00

9

燃煤支出比例

%

90.40

89.33

88.28

86.26

84.33

72.21

10

发电收益比例

%

-25.19

-23.71

-22.26

-19.46

-16.79

0.00

11

辅机电耗比例

%

34.79

34.38

33.98

33.20

32.45

27.79

注:熟料发电和发电收益比例为负值,表示其与其它项的贡献相反。

  表1为配备余热发电系统的某厂5000t/d线能源消耗组成,吨熟料发电的影响,以及对水泥厂的贡献。当吨熟料发电34kWh/t.cl时,发电回收电能占总能耗(电能与燃煤热能之和)比例不大,只有3.75%,但是余热发电可以满足水泥厂用电的一半以上,在能源采购成本中占有19.46%的份额,这与电能的高品位相一致。

  当吨水泥熟料发电量由34kWh/t.cl提高到42kWh/t.cl时,发电对熟料的能源采购成本贡献将由19.46%提高到25.19%,可见改善余热发电性能,提高发电的重要性和必要性。表2为某配置余热发电的5000t/d水泥熟料生产线能源实际消耗状况及其核算。

  投资余热发电,一半3~4年可回收投资。据估算[2],2008年水泥行业余热发电全年利润总额285亿元,创造的经济效益约33亿元,占总行业利润总额的11.6%。

  3、 环境效益明显

  水泥余热发电的环境效益主要体现在二个方面,首先以电力形式回收余热,实现SO2、CO2、NOx等气体的排放;其次由于回收水泥部分余热量,直接减少了排入环境的热量,减少了热污染。

  水泥窑利用余热发电满足生产线供电需求,相当于减少了发电燃煤,减少了燃煤产生的SO2、CO2、NOx等有害气体的对大气的污染。2008年水泥行业利用余热发电量按71亿kWh计[2],则全年减排CO2707万吨,SO221万吨,NOx11万吨,粉尘193万吨。

  同时,水泥废气经过余热发电回收部分热量,排入大气热量减少,少向环境排放约15%的窑头和窑尾总余热。

  二、存在的问题

  水泥余热发电对于水泥生产贡献良多,经济和环境成效显著,但也存在一些问题,主要表现在:

  1、 发电量高低差异明显

  余热发电系统可以随熟料生产线运转而运转,即与熟料几乎保持同步,可靠性高。但负荷率较低,一般在60~80%之间。考虑到余热发电机组没有燃烧系统,同时发电不受电网调度限负荷,按能力发电,故与电力行业燃煤发电机组比较,差距明显。

  某水泥厂能源消耗状况

序号

内容

单位

数值

1

熟料产量

t/d

5625

2

燃料热耗

kJ/kg.cl

3179

3

原煤热值

kJ/kg

25962

4

原煤消耗

t/d

28.70

5

燃煤耗量

t/t.cl

0.12

6

熟料发电

kWh/t.cl

34.00

7

 

kJ/kg.cl

122.40

8

熟料电能消耗

kWh/t.cl

58.00

9

 

kJ/kg.cl

208.80

10

熟料综合能耗

kJ/kg.cl

3265

11

原煤消耗

%

97.35

12

熟料电耗

%

6.39

13

熟料发电

%

3.75

14

熟料综合能耗

%

100.00

15

燃煤单价

元/t

800

16

电价

元/ kWh

0.65

17

燃煤支出

元/t.cl

97.96

18

发电收益

元/t.cl

-22.10

19

辅机电耗支出

元/t.cl

37.70

20

综合能源支出

元/t.cl

113.56

21

燃煤支出比例

%

86.26

22

发电收益比例

%

-19.46

23

辅机电耗比例

%

33.20

  发电量低,不仅发电低于目标值或保证值,而且小于装机容量。

  目前吨熟料发电量大多在30~38 kWh/t.cl之间,有些更低些。如5000t/d的熟料生产线,

  普遍装机为9或10MW,实际熟料生产量一般高于名义产量10%以上,按5600t/d计算,则保证发电功率为7.933MW;而相当部分机组最大发电小于7.5MW,按平均发电计算7kW计算,则发电为30kWh/t.cl,如果按平均发电6.5MW计算,则27.9kWh/t.cl,与理论计算值38~42 kWh/t.cl,比较尚有较大的差距。

  发电高低差异原因有三:

  第一发电水泥余热热源差别。以5000t/d熟料生产线为例,由于熟料配比、燃煤的因素,生料预热器出口烟气温度具有一定差值,通常在330~300℃之间,甚至更低;而烟气量也不同,有些高达37万Nm3,有些只有31.5万Nm3;而生料粉磨系统不同,烘干所需的烟气温度也不完全相同,综合以上因素,相同标称产量的熟料生产线提供的余热发电可利用热能可以相差30%。表3为有关因素对对余热发电量影响的评估表,其中以熟料特性和烧成系统影响为大。

  如果由于可利用热能不足而使发电低,无法满足设置的装机容量,则显然设备闲置,造成浪费,相应维护费用升高。如5000t/d熟料生产线可利用热能只能满足6.5~7MW,按7.5MW而不是9MW配置发电机组,简单计算,相差16.7%的装机容量和相应的投资,而如果按7MW配置机组,则相差更大,为22.2%。

  第二,技术能力存在差异。换言之各服务商在热源利用,发电系统拟合,设备选型,平面布置等方面存在区别和差异,不仅造成发电量差异,而且也将直接对投资、设备性能、可靠性以及维护等诸多方面产生影响,此外运营维护人员也亦参差不齐。

  第三,运营商差异。有些企业把关较好,而有些不是以技术方案、性价比、实力等为重要考察要素,而是单纯以报价、以报出吨熟料发电量来评判服务商,并作为招标的依据,如此出现发电量低等问题就不足为奇了。

  表3 影响余热发电量因素评估

序号

影响因素

影响参数

发电影响

1

生料磨系统

SP炉出口温度

一般

2

分离器特性

SP炉入口温度

SP炉烟气量

一般

3

熟料烧成系统性能

AQC炉入口温度

较大

AQC炉空气量

较大

4

篦冷机性能

AQC炉空气量

较大

AQC炉空气温度

一般

5

生料特性

AQC炉空气温度

AQC炉空气量

一般

SP炉烟气量

较大

6

实际产量

以上各参数

较大

  2、简单追求吨熟料发电量或吨熟料热耗

  部分水泥企业片面追求发电量,并以吨熟料发电量指标的高低评判发电服务商。而部份服务商为迎合水泥企业的意愿,在废气取气点上做文章,手段主要是与二三次风争风抢热或利用其它高温热能。其结果是可能发电量提高了,但是单位熟料热耗也提高了。

  恰恰相反,有些企业不断追求吨熟料热耗的降低,和没有配置余热发电系统时一样。如某水泥厂,熟料热耗下降了15 kJ/kg.cl,但是余热发电也由7000~8000kW降到了4000~4500kW。

  这两种现象具有一定的普遍性,均追求局部效益,而未考虑整体,有失偏颇,不可取。余热发电作为水泥熟料生产系统的子系统,其与烧成系统在目标本质上是统一的,需要服从于总能耗最小原则,而局部最优不一定整体最优。

  3、重视发电量而忽视供电量

  众所周知,有三个考察火力发电站经济性的指标,发电煤耗、供电煤耗和自用电率,这三者并不独立,由发电煤耗和厂用电率决定了供电煤耗,供电煤耗为机组或发电站能源利用水平的衡量指标,既用于不同机组之间用能评判,也用于同一机组综合评判,企业、行业用其进行比较和统计。

  类似地,余热发电站在强调发电量时不能忽略自用电,衡量发电站贡献的是向外界提供了多少电能,而不是发了多少电能。事实上,有些供应商选择一些能耗高价格低的设备,发电站自用电量升高,当然供电量下降。因此,吨熟料供电量比吨熟料发电更全面,考核和统计更合适。

  4、以吨熟料发电量评价余热发电系统不够全面

  吨熟料发电量由于简单和直观而被大量使用,但其难以实现不同生产线间发电系统比较,也难以较好反映发电系统的完善程度。笼统的说吨熟料发电高,则“发得好”,吨熟料发电低,则“发得不好”,则又不够全面。

  规模相当的水泥线,所配置余热发电系统发电量差别很大,如5000t/d线,有些发电8500kW,有些只有7000kW,差别明显。如果单纯以吨熟料发电来说二者相差明显,似乎高下立判。前已述及,对相同熟料生产能力的不同生产线,所配置的SP锅炉可利用热能,可能相差30%。对于本例,如果发电7000kW的机组可利用热能比8500kW的机组低20%,则应是7000kW机组“发得好”,所以吨熟料指标难以全面衡量热能利用状况。

  众所周知,余热发电受可利用余热质量的影响非常大,其次与发电系统的技术水平和运行维护相关。关于可利用余热资源的质量,对窑头余热,可用两个参数即可利用热空气量和温度表示;对于窑尾余热,可以以C1筒出口温度和烟气量,以及高温风机入口需要烟气温度等三个参数基本决定,如果更准确些,则需要增加烟气分组。余热资源与熟料性质和配比、燃煤性质,烧成工艺,生料和燃煤粉磨系统配置,实际熟料产量,熟料烧成等系统的运行维护水平,以及其它要素的影响,这些要素为非发电系统本身要素。各因素及其影响相对大小见表3。

  对给定的水泥生产线,如具有相同的吨熟料发电量,由于自用电不同,对外的供电也将不同,所以“发得好”固然重要,但是“供得好”更重要。

  以吨熟料发电评判余热发电系统,不科学,不完整,难以准确全面比较不同发电系统,因为其受许多余热发电系统之外的因素影响。考察评价余热发电系统,应摒弃除非发电系统要素,从发电系统本身出发。当然投资的差异,也会对发电系统产生影响。

  需要说明,吨熟料发电量这一指标以其简单直观而具有固有的优势,可以使用在同一条线的不同方案比较,以及同一条线的不同时间段发点状况的比较,也可以用在各水泥厂的统计以及行业统计。

  三、水泥余热发电的发展方向

  1、 加大研究力度,提高对热源特性的把握

  水泥窑余热发电系统负荷率不高,一般为装机的60~80%之间,考虑到余热发电机组没用燃烧系统,同时没有调度限负荷,而是按能力发电,因此与电力系统火电机组比较,差距明显。其原因较多,但莫过于对热源特性认识掌握不足,有照葫芦画瓢之嫌。一些水泥发电服务商开展了篦冷机工作特性研究,在此基础上对不同AQC锅炉取热方式进行了不同优化,等等,但是从整个行业来看,仍然需要加强继续努力,加强在下列方面的研究工作:

  1) 篦冷机工作特性的研究;

  2) AQC锅炉不同取风方式对篦冷机影响的研究;

  3) 悬浮预热器出口烟气量和烟气温度的影响因素研究;

  4) 余热锅炉和烧成系统的能量耦合和优化研究。

  2、熟料烧成和余热发电作为一个整体,通过用能协调优化,追求整体能耗最小

  余热发电对水泥熟料生产为较新的系统,为水泥熟料生产的必要配置和附属系统,回收熟料烧成余热,降低水泥熟料能耗。因此,简单追求熟料烧成热耗或余热发电量都有失偏颇,更不用说水泥烧成和余热发电争风抢热,甚至完全对立了。

  配置余热发电后,必然对水泥熟料烧成产生影响。窑头锅炉的阻力使头排风机电耗增大,窑头锅炉的降温使头排风机电耗减小,窑头锅炉设置而使漏风增加。在窑尾,烟气由增湿塔改走余热锅炉,无疑阻力增大,漏入空气量增多,但是不用喷水。凡此种种,必然影响头排风机和高温风机工作,影响其电耗。同时窑头锅炉和二三次风等存在争风抢热现象。所有这些影响,在招标和设计中均应予以充分考虑。

  同时余热发电系统的本身用电需要引起重视,再设计和考核中应纳入其中。

  所以,对于配置了余热发电的水泥熟料烧成系统,理应考察熟料生产总体能耗,包括燃煤消耗,辅机电耗(或水泥生产电耗)和余热发电回收电能,三者的代数和最小,即包括熟料生产系统综合能耗最小。但对企业,单位熟料能源采购费用最小也很重要。

  1)单位熟料综合能耗

  单位综合能耗Eintg定义为

  其中Wxons为包括余热发电系统在内的熟料生产系统电耗,kW;

  Wwrhg为余热发电系统的发电功率,kW;

  (或者Wxons为不包括发电系统的熟料生产电耗,kW;Wwrhg为余热发电系统供电功率,kW)

  Gcl为单位时间内的熟料产量,kg/s

  Q为单位熟料生产所消耗燃煤具有的热能,kW。

(其中Gcoal为单位时间内消耗原煤量,kg/s,Qnet为燃煤低位发热量,kj/kg。)

  2) 单位熟料能源购置费用

  其中α为购电成本,元/kWh;

  β为原煤成本,元/t

  其它参数同上。

  3、加强热力系统配置和优化的研究

  多年来,多家水泥窑余热发电技术和设备服务商做了大量的研究工作,不论是在系统优化,余热锅炉和汽轮机开发,以及参数优化和选择,这些工作有力推动了水泥余热发电快速发展,但同时由于市场的快速发展,在一定程度上也影响研究工作的更深入发展,所以有必要在以下方向继续做好进一步的研究:

  1)AQC锅炉和SP锅炉的协调;

  2)AQC锅炉热量利用方式优化;

  3)SP锅炉与悬浮预热器热量优化;

  4)给水除氧系统优化;

  5)循环冷却系统优化。

  4、科学规范余热发电评价指标

  余热发电系统设置,必然会对水泥烧成系统产生影响,除了使水泥厂外购电减少的积极影响外,对窑头除尘器、头排风机、煤磨、烧成、高温风机和生料研磨等环节都会产生作用。

  如前面所分析的,水泥企业终极追求为烧成综合能耗最低或烧成能源购置费用最低。而对独立的余热发电系统,该如何全面评价呢?显然吨熟料发电、发电热效率等均不够完整,难以全面评价或衡量其用能效果,也难以对不同水泥余热发电装置间进行比较。为此,应引入发电(火用)效率、自用电和供电(火用)效率等三个指标。

1) 发电
效率对于确定参数的废热,其单位最大做功能力可以用热力学
参数来表示,回收得到能量即发电量占可利用废热
的百分比定义为发电
效率,发电
效率表示了系统对余热的利用充分程度,可衡量余热发电系统和装置性能,即该系统的电能转换能力。系统
效率为:
其中Wgen为通过发电系统获得的
,即发电量; Ex为发电系统可利用的外界总
效率与热效率η的关系为
其中E为系统可利用的总能量,其由
Ex和无用能En两部分组成; λ为能质系数,表示在可利用的总能量E中,可以转化为功即
的部分所占份额。

  2)自用电率

  余热发电系统发出的电能,其中的少量被自己消耗,对外输送电能减少,以自用电率p表示发电系统自消耗的电能Wcons占所发出电能Wgen的百分数;

3)供电
效率以供电
效率表示发电系统向外界提供的电能占发电系统可用能的百分比。以
效率能够全面评价余热发电系统电能转换程度。
以上三个指标中,自用电率的计算简单直观,而发电
效率和供电
效率稍抽象,比自用电率和热效率计算稍复杂,在火力发电行业,由于普遍使用煤炭发电,热效率大致足够,所以
效率没有被大量推广使用,只在某些必要的分析过程使用。但对于余热发电系统,热效率的局限较突出,所以为了全面评价和比较不同热源的不同发电系统有必要推广使用
效率。

  5、余热发电模式多样化

  先余热发电均为常规模式,即水和水蒸气的朗肯循环。无疑,由于水和水蒸气价格低廉,无毒无污染以及在高位区段良好的性能而被广泛采用。但是水泥循环发电效率较低,这是由于水泥的工程热物理特性所决定的,由于水的临界温度低而临界压力高,同时在环境温度下饱和压力很低,而在低压下饱和温度较高,等等,所以目前水蒸气朗肯最高的循环效率也只有40%左右,而余热发电系统的循环效率则更低,所以开发适合发电的新工质,特别是低温发电工质,受到普遍的重视,近数十年来,利用有机工质朗肯系统发电,以及其它形式发电的研究工作正在逐渐展开,主要为HFC-245fa、R123、R113等工质。除了单一工质循环,采用混合工质如氨水混合物的Klina循环,充分利用各工质的热力学特性,为另一个研究方向,据报道,已在低温工业废热回收发电和地热发电方面获得一定的应用[3]。而且国内有关大专院校,以及技术服务公司已开始研究或引进相关技术。

  作为常规水和水蒸气工质发电的必要补充,开展有机热工质以及其它形式的发电技术研究,开发适合水泥余热,以及其它余热的发电工质、技术和设备,对于我们这样的资源不足,而工业规模庞大和种类繁多的大国很有必要。

  6、余热回收利用形式多样化

  目前水泥厂的余热利用基本都是采用余热发电。无疑,由于电力的清洁,传输便捷和发电系统的相对成熟,以电力形式回收余热通常具有较大的优势。其实余热利用可以有多种形式,且各有所长,并非华山自古一条道。除了发电,可以制冷,采暖,同时部分余热可以考虑被水泥生产工艺直接回收,各种利用形式也可以互补或存在,而事实上有些单位正在进行有价值的研究和尝试,且效果明显。

  四、结论

  1、水泥窑余热发电以其良好的经济效益和环境效益而获得快速发展。

  2、水泥窑余热发电成效显著,但问题不少,突出表现在由于种种原因而使发电远小于装机容量,没有充分挖掘余热资源,或余热不足造成投资浪费;以及简单追求吨发电或水泥熟料热耗,没有把二者作为整体,追求整体利益最大;同时对余热发电系统的评价也不够全面和完整。

  3、为了水泥窑余热发电系统的更好发展,需要加强对于热源特性、热力系统优化和热源优化方面的研究工作,充分挖掘和优化利用余热资源。

4、发电
效率、自用电率、供电
效率等指标,能够客观全面而有效的衡量余热发电系统的完善程度。

  5、水泥余热发电为水泥熟料生产的子系统,与熟料烧成等系统组成熟料生产系统,追求水泥熟料综合热耗或吨水泥熟料能源成本最小或最满意,为配置余热发电的熟料生产系统目标。

  6、通过完善水和水蒸气朗肯循环余热发电系统,引入其它模式余热发电系统,余热利用多样化,以及协调烧成和余热发电用能等手段,降低水泥熟料生产消耗,追求配置余热发电的水泥熟料生产企业收益最大化。

  参考文献

  [1]曾学敏.与共和国共铸辉煌——水泥行业余热发电事业发展报告,中国水泥,2009.10 18~22

  [2]曾学敏.余热发电再创辉煌,中国水泥网

(河北水泥网 转载请注明出处)
长兴国盛耐火材料有限公司
南京圣火水泥工程有限公司
【来源:中国水泥网】
复制 】 【 打印
  我要评论
  相关新闻

信息检索

    
南京圣火水泥工程有限公司
浙江瑞泰圣奥耐火材料有限公司
中国环保网

最新信息

推荐新闻

关于我们 | 招聘信息 | 广告合作 | 联系我们 | 网络服务 | 会员说明 | 付费方式 | 友情链接 |
本站部分信息是由企业自行提供,该企业负责信息内容的真实性,准确性,合法性。河北水泥网对此不承担任何保证责任
版权所有:Copyright 2009-2010 河北水泥网 Inc All Rights Reserved.
主办单位:河北水泥网
技术及内容支持数字水泥网
E—Mail:[email protected] 咨询电话:13735578759
杭州网络警
察报警平台
不良信息
举报中心