兩種水泥窯余熱鍋爐蒸汽利用技術的比對分析

尹 號 李 堅

（上海凱盛節能工程技術有限公司 上海 200333）

兩種水泥窯余熱鍋爐蒸汽利用技術的比對分析

尹 號 李 堅

（上海凱盛節能工程技術有限公司 上海 200333）

針對水泥窯余熱鍋爐產生的蒸汽，通過純低溫余熱發電技術和蒸汽拖動汽輪機技術加以利用，以國內1條5000t/d的新型干法水泥生產線為例，采用純低溫余熱發電和純低溫余熱發電—蒸汽拖動汽輪機兩種設計方案，比對分析其能效性。結果表明，純低溫余熱發電—蒸汽拖動汽輪機系統的能效性更高，具有較高的推廣價值。

水泥工業；余熱；蒸汽；技術；能效

0引言

隨著我國經濟的高速發展，能源緊缺的問題日益突顯。工業生產和生活用熱主要來自于能源的一次性使用，而由此產生的大量工業低溫余熱、廢氣得不到進一步的利用，導致能源的利用效率較低。煤炭、石油、天然氣作為獲取電能和熱能的最主要高品級能源，在能量轉化的過程中，效率不高，轉換過程中所產生的廢氣余熱、粉塵、有害氣體對環境污染很大[1]。如此嚴重的能源浪費和環境污染不僅不利于國家經濟的發展，而且給人們的生命健康造成了危害。

利用中低溫的廢氣產生低品位蒸汽，以此驅動低參數的汽輪機組發電是純低溫余熱發電技術的核心，對于節能減排和環保有著重要意義。純低溫余熱發電技術不需要消耗一次能源，同時不產生額外的廢氣、廢渣和粉塵，既能減少能源消耗，又能有效控制大氣污染，保護臭氧層，對于企業降低生產成本，提高產品市場競爭力，減少CO2氣體排放和保護環境有著積極的作用，也是切實貫徹我國實施可持續發展的戰略。在當前形勢下，各行各業關注的焦點都集中在如何運用新技術和新設備來進一步提高能源利用效率。

1 水泥工業能源使用現狀

水泥工業作為僅次于冶金、化工行業的第三大能源消耗大戶，對能源需求緊迫。近年來，隨著國內煤電油全面緊張，煤炭和電力供應矛盾加劇，而水泥生產對煤炭的品質有著嚴格的要求，市場上優質煤供應不足，劣質煤則達不到水泥生產的技術要求，這導致了大多數水泥企業為了保證水泥質量而不得不調整水泥生產物料配方[2]。此外，劣質煤的供應導致了火力發電站發電量下降，間接影響了水泥企業的生產。

近年來，隨著技術的不斷進步，我國水泥工業技術取得了長足進步，系統能耗有所降低。但從長遠角度出發，我國的水泥工業節能形式依然嚴峻，進一步節省能源是未來水泥企業發展的方向。

2016年我國水泥總產量約23.48億噸，能源總耗量為2.6億多噸標煤。水泥生產在消耗煤炭、電力的同時還產生大量的廢氣和粉塵，CO2的排放量占我國CO2排放總量的近20%，能源緊缺和環境保護是水泥工業發展所面臨的嚴峻考驗。目前水泥熟料的熱耗隨著干法工藝的采用而大幅下降，但窯頭和窯尾排出的廢氣溫度仍然在350℃左右，其熱量約占水泥生產系統總熱量的30%。如何有效地回收利用廢氣余熱能源是當前我國水泥工業面臨的重要問題。

隨著我國政府對環境保護和能源結構調整重視度的不斷加強，越來越多的政策被相繼出臺，以鼓勵企業實施節能改造項目。近幾年，國內外大多數的水泥企業普遍采用余熱發電的方式對生產線排放的大量余熱資源加以回收利用，并已取得了相當成功的經驗和較好的經濟效益。

2 水泥工業余熱利用技術

在水泥窯生產過程中所排余熱主要來自兩個部分：（1）窯頭篦冷機所排熱空氣；（2）窯尾預熱器所排廢氣，充分回收利用這兩部分熱量可顯著降低水泥生產能耗，實現可持續發展和循環經濟。目前對于以上這兩部分余熱，國內普遍采用純低溫余熱發電技術，通過設置窯頭余熱鍋爐、窯尾余熱鍋爐回收并產生過熱蒸汽，通過汽輪機做功帶動發電機發電。

2.1純低溫余熱發電技術

2.1.1 工藝流程

純低溫余熱發電系統主要由AQC余熱鍋爐，SP余熱鍋爐及汽輪機組成，如圖1所示。軟化水經過除氧器除氧后，分別進入AQC余熱鍋爐和SP余熱鍋爐，水泥生產線排放的廢氣與經過兩個鍋爐的水進行熱交換，水吸熱后轉化為蒸汽，并通過蒸汽管道引入汽輪機，汽輪機做功，驅動發電機轉動，產生電能。

2.1.2 技術特點

相比于傳統火力發電廠采用的高溫、高壓、超臨界發電技術不同，純低溫余熱不需要借助任何補燃，而是直接利用水泥生產線產生的低

圖1 純低溫余熱發電系統簡圖

溫廢氣余熱進行發電，較低的熱源品質決定了其所采用的技術和設計原則與傳統火力發電有所不同。水泥工業產生的廢氣具有以下特點：

（1）廢氣溫度較低，生產線排氣工況波動較大；

（2）廢氣的含塵量高，對鍋爐等設備造成的磨損嚴重；

（3）系統利用的余熱來自窯頭、窯尾兩個部分；

（4）由于系統流程較為復雜，對設備的要求較高。

2.2蒸汽拖動汽輪機技術

2.2.1 工藝流程

蒸汽拖動汽輪機組技術是利用工業汽輪機直接拖動水泥生產線的風機、磨機等高能耗設備。該技術配合純低溫余熱發電技術共同運行，能夠有效的提高能源的利用率。

圖2所示為純低溫余熱發電—蒸汽拖動汽輪機系統，AQC余熱鍋爐和SP余熱鍋爐產生的蒸汽一部分進入汽輪機，推動汽輪機做功發電，剩余的部分進入拖動汽輪機組直接驅動高溫風機運行，兩部分產生的凝結水共用一個真空除氧器、兩臺鍋爐給水泵。

圖2 純低溫余熱發電—蒸汽拖動汽輪機系統簡圖

當水泥窯啟動時，余熱回收系統還沒有過熱蒸汽產生，拖動汽輪機通過離合器與系統脫開，此時電機投入使用，電機單獨拖動高溫風機工作，水泥窯進入正常工作狀態，有熱煙氣產生；然后將熱煙氣送入余熱鍋爐產生過熱蒸汽，將部分過熱蒸汽送至拖動汽輪機入口，使其膨脹做功。

隨著過熱蒸汽量逐漸增大，拖動汽輪機輸出功率和轉速也逐漸增大，當拖動汽輪機轉速達到一定程度時，離合器自動嚙合，汽機與電機、風機連接投入使用；當汽輪機輸出功率足夠時，切斷電機電源，汽輪機單獨拖動高溫風機工作。

2.2.2 技術特點

與純低溫余熱發電技術相同，蒸汽拖動汽輪機技術直接利用水泥生產所排出的廢氣余熱，該技術具有以下特點：

（1）系統路程簡單，能量轉化過程的中間損失少，利用率高；

（2）汽輪機直接拖動設備運行便于操作，系統穩定性較高；

（3）汽輪機生產企業在工業拖動汽輪機生產方面積累了豐富的經驗，技術比較成熟。

3 兩種技術方案的能效對比

從能源有效利用的角度看，蒸汽拖動汽輪機組經過以下能量轉換環節：蒸汽—汽輪機—轉動設備；純低溫發電機組的能量轉換環節為：蒸汽—汽輪機—發電機—電力傳輸網絡—電動機—轉動設備。兩者相比，蒸汽拖動機組減少了能量轉換的中間環節，其能源的有效利用率更高。

表1 兩種余熱利用方式的裝置傳動效率對比

蒸汽拖動汽輪機組相比于純低溫發電機組降低了發電機的機械能轉變為電能和電動機的電能轉變為機械能的兩次能量轉變過程所產生的損失，同時還減少了電能傳輸過程中的線路損失。

兩種技術的節能性能主要體現在系統的傳動效率上，蒸汽拖動機組比純低溫發電機組效率損失少6.5～7.5%，具體比較見表1。

以國內1條5000t/d的新型干法水泥生產線為例，設計兩套余熱利用方案。方案一：采用純低溫余熱發電技術，為其配備裝機容量10MW的汽輪發電機組；方案二：采用純低溫余熱發電—蒸汽拖動汽輪機系統，發電系統裝機容量為7.5MW，高溫風機拖動汽輪機系統裝機容量2.8MW。

以年運行6500h計算，方案一建成后年發電量6299萬kWh，扣除自用電后年供電量達到5890萬kWh，相當于年節約標準煤2.0027萬t，每年減少CO2排放量約5.2萬t。采用方案二的設計，建成后發電機組年直接發電量為4615萬kWh，除去系統的自用電量，每年的有效供電量為4315萬kWh，高溫風機運行年節約用電量為1820萬kWh，合計節約電量6135萬kWh，當于年節約標準煤2.0859萬t，年減少CO2排放量5.4萬t，方案二的節能性明優于方案一。由此可見，采用純低溫余熱發電—蒸汽拖動汽輪機系統設計方案，能夠更好的實現企業的節能減排，提高企業的效益。此外，當發電機組設備出現故障需要停機檢修時，該方案中的高溫風機設備仍可以正常運轉，相比于單獨的純低溫余熱發電系統靈活性更高。

4 結語

回收利用水泥生產中產生的廢氣余熱，不僅減少了對環境的影響，而且有效的降低了發電成本，有助于緩解用電緊張。近年來，隨著技術的不斷進步，國家相關政策的出臺，水泥窯純低溫余熱發電技術大量普及，并取得了顯著的效果。但采用純低溫余熱發電—蒸汽拖動汽輪機系統設計在節能性和系統靈活性方面更具優勢，可以為企業帶來更好的經濟效益和社會效益。這種設計方案具有較高的推廣價值和應用前景，未來可以向水泥及冶金等高能耗產業推廣。

[1]許紅軍.水泥窯余熱發電技術的應用及其經濟性分析[J].四川水泥, 2016(1)：9.

[2]陳濤，曹華.水泥工業純低溫余熱發電技術及其效益分析[J].新世紀水泥導報, 2005, 11(2)：1-4.

TQ172.6

B

1007-6344（2017）05-0005-02

尹號，男，1982年12月17日，江蘇南京，大學本科，熱能與動力工程，助理工程師，上海凱盛節能工程技術有限公司