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水泥工業(yè)低溫余熱發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

高 長(zhǎng) 明 · 2005-03-11 00:00

    日本水泥工業(yè)在PC窯系統(tǒng)余熱發(fā)電方面是最先進(jìn)的。1995年其噸熟料的純低溫余熱發(fā)電量就達(dá)到35kWh左右,當(dāng)時(shí)大約有50%的水泥窯都配有余熱發(fā)電裝置,全國(guó)回收的電能約為水泥工業(yè)電耗的30%。2003年日本全國(guó)投產(chǎn)的水泥窯有64臺(tái),全部均為PC窯,多數(shù)是4級(jí)預(yù)熱器,生產(chǎn)熟料8030萬(wàn)噸,有近80%的水泥窯都有純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng),全國(guó)平均熟料發(fā)電量近40kWh/t,全國(guó)回收電能已達(dá)水泥工業(yè)電耗的48%。也就是說,水泥工業(yè)將近一半的電能是自供的。這是一個(gè)很大的科技進(jìn)步。
    分析日本水泥工業(yè)之所以在10年間能夠取得這樣的成果,首先是PC窯裝備系統(tǒng)的大型化,上述64臺(tái)窯的平均能力為4180t/d。為余熱發(fā)電系統(tǒng)效率的提高創(chuàng)造了有利條件。其次是余熱發(fā)電系統(tǒng)的普遍應(yīng)用,普及率達(dá)80%,今后的計(jì)劃是根據(jù)需要可以到100%。第三才是余熱發(fā)電技術(shù)本身的改進(jìn),應(yīng)該說近年在發(fā)電技術(shù)方面的改進(jìn)并沒有重大的突破,仍然是采用多段混壓凝氣式汽輪機(jī)為主。其重要的成果主要表現(xiàn)為:在小幅提高鍋爐和汽輪機(jī)效率的基礎(chǔ)上,較顯著地提高了整個(gè)余熱發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)轉(zhuǎn)率,自用電的比例也有較大下降,由10年前的12~15%降到了現(xiàn)今的8%以下,整套技術(shù)裝備更益成熟實(shí)用了。茲將目前水泥工業(yè)先進(jìn)的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的典型參數(shù)列于表1中,其中一套數(shù)據(jù)是2003年韓國(guó)某水泥廠新投產(chǎn)的余熱發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際情況,另一套數(shù)據(jù)則是日本NKK公司為4200t/d。 PC窯余熱發(fā)電系統(tǒng)的最新報(bào)價(jià)資料。可以看出,其熟料發(fā)電量已可達(dá)45kWh/t左右。

        水泥工業(yè)當(dāng)今先進(jìn)的余熱發(fā)電系統(tǒng)典型參數(shù)
                    1

序號(hào)

公司及廠名

窯產(chǎn)量(t/d)

窯廢氣

蒸汽參數(shù)

裝機(jī)

發(fā)電量(kW)

單位熟料發(fā)電量

(kWh/t)

鍋爐

氣體量(Nm3/h)

進(jìn)爐溫度

()

出爐溫度

()

汽量

(t/h)

汽壓

(kPa)

溫度

()

汽輪機(jī)

發(fā)電機(jī)

公稱

扣自用后凈值

1

韓國(guó)

某水泥廠

5500

AQC

238400

360

120

35

19

2500

200

340

133

14級(jí)混壓凝氣式

11000

kW

12500

kVA

8600V

11000

10120

44

2

日本

NKK公司最新報(bào)價(jià)

4200

SP

245000

340

125

18.9

12.6

1800

320

多級(jí)混壓凝氣式

9000

kW

9000

8280

46

AQC

167000

360

108

8.2

7.0

550

130

154.7

100.5


    1999年德國(guó)巴州海德堡水泥公司所屬的萊格福特水泥廠在一臺(tái)3000t/d的熟料篦冷機(jī)上,利用其電收塵器排出的(150000m3/h,275℃)的廢氣余熱,采用低沸點(diǎn)(36.1℃)介質(zhì)戌烷C5H12進(jìn)行蘭肯循環(huán),實(shí)現(xiàn)純低溫余熱發(fā)電。這是一條工業(yè)試驗(yàn)生產(chǎn)線。6年的生產(chǎn)實(shí)踐表明,該系統(tǒng)運(yùn)行可靠,單位熟料發(fā)電量可達(dá)10.5kWh/t。以此推算,如果同時(shí)回收320℃的預(yù)熱器廢氣余熱,采用相同措施,將有可能提高熟料發(fā)電量達(dá)45~50kWh/t??上в捎诘聡?guó)水泥市場(chǎng)歷年連續(xù)減縮,其進(jìn)一步的研發(fā)試驗(yàn)工作因此中斷,未能實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。
    1995年美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)的水泥專業(yè)委員會(huì)曾對(duì)低溫余熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了專門的研討,并制定了一個(gè)目標(biāo),即就是在20年內(nèi)(2015年前)實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)的余熱發(fā)電量達(dá)到60kWh/t熟料或更高。因?yàn)榘?級(jí)預(yù)熱器計(jì),每臺(tái)PC窯及其篦冷機(jī)系統(tǒng)廢氣余熱排放約為4.18×200kJ/kg熟料,這些熱量如果全部轉(zhuǎn)化為電能的話,則理論值應(yīng)為230kWh/t熟料,而當(dāng)時(shí)的平均先進(jìn)水平僅為35kWh/t。說明整個(gè)余熱發(fā)電系統(tǒng)的效率只有15%,熱—電的實(shí)際轉(zhuǎn)化效率很低。如果以平衡來核算,雖然300℃廢氣的量只有其熱量的1/3,其發(fā)電系統(tǒng)的效率仍有較大潛力,達(dá)到60kWh/t熟料是有可能的。以上就是美國(guó)IEEE水泥專業(yè)委員會(huì)1995年研討得出的意見。10年過去了,卻始終未見美國(guó)IEEE在這方面有所作為。根據(jù)最近的信息,美國(guó)方面有關(guān)人士給筆者的答復(fù)是,首先是美國(guó)水泥工業(yè)沒有這樣的市場(chǎng)需求,所以不宜著力去研發(fā)。但是以現(xiàn)有的先進(jìn)成熟的鍋爐與汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)及其裝備為基礎(chǔ)。如果中國(guó)水泥工業(yè)有較大市場(chǎng)需求的話,美國(guó)公司現(xiàn)在就可以提供全套技術(shù)裝備,保證單位熟料發(fā)電量接近50kWh/t。筆者又將這一信息與德國(guó)、日本的有關(guān)人士進(jìn)行了交流核實(shí),均得到認(rèn)同。他們也表示了可以向中國(guó)水泥界提供先進(jìn)的余熱發(fā)電全套技術(shù)裝備。
    綜上所述,根據(jù)日本、德國(guó)和美國(guó)的實(shí)踐,可以預(yù)言,現(xiàn)代水泥工業(yè)廢氣余熱發(fā)電是頗具潛力的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù),尤其是對(duì)于象我國(guó)這樣電力供應(yīng)緊缺的情況,市場(chǎng)需求空間相當(dāng)大,無疑將會(huì)對(duì)我國(guó)在這方面的技術(shù)與裝備研發(fā)和應(yīng)用發(fā)揮積極的促進(jìn)作用。我國(guó)目前在這方面與國(guó)際先進(jìn)水平的差距還比較大。1999年2月投產(chǎn)的江西萬(wàn)年青2000t/d的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)。全部為國(guó)產(chǎn)設(shè)備,熟料發(fā)電量為22~23kWh/t。寧國(guó)海螺4000t/d的余熱發(fā)電系統(tǒng)采用日本川崎設(shè)備,1998年2月投產(chǎn),熟料發(fā)電量達(dá)35~36kWh/t。2004年10月投產(chǎn)的柳州魚峰3200t/d的余熱發(fā)電系統(tǒng),采用日本川崎技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備,部分設(shè)備國(guó)內(nèi)分交制造。熟料發(fā)電量達(dá)36~38kWh/t。2004年9月中信重機(jī)與浙江客戶簽訂了二條5000t/d純低溫余熱發(fā)電工程總承包合同,全部采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備,熟料發(fā)電量為26kWh/t。另外,長(zhǎng)期以來,天津院在水泥窯余熱發(fā)電方面做了許多工作,除補(bǔ)燃方案外,在純低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目中,2003年6月,上海萬(wàn)安總公司PC窯4級(jí)預(yù)熱器1300t/d熟料生產(chǎn)線上采用了全部國(guó)產(chǎn)的余熱發(fā)電系統(tǒng),發(fā)電機(jī)容量為2500kW,窯頭及窯尾廢氣是380℃。實(shí)際發(fā)電能力達(dá)1500~1800kW,相當(dāng)于28~33kWh/t熟料。對(duì)于5級(jí)預(yù)熱器的PC窯,因窯尾廢氣溫度較低,約310℃,其熟料單位發(fā)電量相應(yīng)地減少為27kWh/t左右。這基本上反映了我國(guó)目前的水平。南京院、成都院以及其他有些公司的情況大致相同,不贅述??傮w來說,我國(guó)在純低溫余熱發(fā)電方面,首先是全套技術(shù)裝備水平與國(guó)際先進(jìn)相比尚有較大差距,需要全面配套的跨躍式發(fā)展,加速迎頭趕上。其次是水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用相對(duì)于PC窯的發(fā)展而言,數(shù)量太少,對(duì)整個(gè)水泥工業(yè)的節(jié)電實(shí)效不大。但是在試圖解決這一矛盾時(shí),筆者也不贊同那些所謂大干快上,低水平重復(fù)的做法,應(yīng)該積極創(chuàng)新和引進(jìn)相結(jié)合,力爭(zhēng)高起點(diǎn)跨躍式發(fā)展,要加快引進(jìn)消化吸收國(guó)際最先進(jìn)的有關(guān)技術(shù)裝備,勇于創(chuàng)新。全套國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)的水平應(yīng)盡快達(dá)到5000t/d。 五級(jí)預(yù)熱器,PC窯上熟料發(fā)電量30kWh/t以上。作為一項(xiàng)近期目標(biāo),筆者相信是可以實(shí)現(xiàn)的。

 

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