水泥工業低溫余熱發電技術現狀
日本水泥工業在PC窯系統余熱發電方面是最先進的。1995年其噸熟料的純低溫余熱發電量就達到35kWh左右,當時大約有50%的水泥窯都配有余熱發電裝置,全國回收的電能約為水泥工業電耗的30%。2003年日本全國投產的水泥窯有64臺,全部均為PC窯,多數是4級預熱器,生產熟料8030萬噸,有近80%的水泥窯都有純低溫余熱發電系統,全國平均熟料發電量近40kWh/t,全國回收電能已達水泥工業電耗的48%。也就是說,水泥工業將近一半的電能是自供的。這是一個很大的科技進步。
分析日本水泥工業之所以在10年間能夠取得這樣的成果,首先是PC窯裝備系統的大型化,上述64臺窯的平均能力為4180t/d。為余熱發電系統效率的提高創造了有利條件。其次是余熱發電系統的普遍應用,普及率達80%,今后的計劃是根據需要可以到100%。第三才是余熱發電技術本身的改進,應該說近年在發電技術方面的改進并沒有重大的突破,仍然是采用多段混壓凝氣式汽輪機為主。其重要的成果主要表現為:在小幅提高鍋爐和汽輪機效率的基礎上,較顯著地提高了整個余熱發電系統的可靠性和運轉率,自用電的比例也有較大下降,由10年前的12~15%降到了現今的8%以下,整套技術裝備更益成熟實用了。茲將目前水泥工業先進的純低溫余熱發電系統的典型參數列于表1中,其中一套數據是2003年韓國某水泥廠新投產的余熱發電系統的實際情況,另一套數據則是日本NKK公司為4200t/d。 PC窯余熱發電系統的最新報價資料。可以看出,其熟料發電量已可達45kWh/t左右。
序號 |
公司及廠名 |
窯產量(t/d) |
窯廢氣 |
蒸汽參數 |
裝機 |
發電量(kW) |
單位熟料發電量 (kWh/t) | |||||||
鍋爐 |
氣體量(Nm3/h) |
進爐溫度 (℃) |
出爐溫度 (℃) |
汽量 (t/h) |
汽壓 (kPa) |
溫度 (℃) |
汽輪機 |
發電機 |
公稱 |
扣自用后凈值 | ||||
1 |
韓國 某水泥廠 |
5500 |
AQC |
238400 |
360 |
120 |
35 19 |
2500 200 |
340 133 |
14級混壓凝氣式 11000 kW |
12500 kVA 8600V |
11000 |
10120 |
44 |
2 |
日本 NKK公司最新報價 |
4200 |
SP |
245000 |
340 |
125 |
18.9 12.6 |
1800 |
320 |
多級混壓凝氣式 |
9000 kW |
9000 |
8280 |
46 |
AQC |
167000 |
360 |
108 |
8.2 7.0 |
550 130 |
154.7 100.5 |
1999年德國巴州海德堡水泥公司所屬的萊格福特水泥廠在一臺3000t/d的熟料篦冷機上,利用其電收塵器排出的(150000m3/h,275℃)的廢氣余熱,采用低沸點(36.1℃)介質戌烷C5H12進行蘭肯循環,實現純低溫余熱發電。這是一條工業試驗生產線。6年的生產實踐表明,該系統運行可靠,單位熟料發電量可達10.5kWh/t。以此推算,如果同時回收320℃的預熱器廢氣余熱,采用相同措施,將有可能提高熟料發電量達45~50kWh/t。可惜由于德國水泥市場歷年連續減縮,其進一步的研發試驗工作因此中斷,未能實現預期效果。
1995年美國電氣與電子工程師學會(IEEE)的水泥專業委員會曾對低溫余熱發電技術進行了專門的研討,并制定了一個目標,即就是在20年內(2015年前)實現水泥工業的余熱發電量達到60kWh/t熟料或更高。因為按5級預熱器計,每臺PC窯及其篦冷機系統廢氣余熱排放約為4.18×200kJ/kg熟料,這些熱量如果全部轉化為電能的話,則理論值應為230kWh/t熟料,而當時的平均先進水平僅為35kWh/t。說明整個余熱發電系統的效率只有15%,熱—電的實際轉化效率很低。如果以平衡來核算,雖然300℃廢氣的量只有其熱量的1/3,其發電系統的效率仍有較大潛力,達到60kWh/t熟料是有可能的。以上就是美國IEEE水泥專業委員會1995年研討得出的意見。10年過去了,卻始終未見美國IEEE在這方面有所作為。根據最近的信息,美國方面有關人士給筆者的答復是,首先是美國水泥工業沒有這樣的市場需求,所以不宜著力去研發。但是以現有的先進成熟的鍋爐與汽輪機發電技術及其裝備為基礎。如果中國水泥工業有較大市場需求的話,美國公司現在就可以提供全套技術裝備,保證單位熟料發電量接近50kWh/t。筆者又將這一信息與德國、日本的有關人士進行了交流核實,均得到認同。他們也表示了可以向中國水泥界提供先進的余熱發電全套技術裝備。
綜上所述,根據日本、德國和美國的實踐,可以預言,現代水泥工業廢氣余熱發電是頗具潛力的一項節能技術,尤其是對于象我國這樣電力供應緊缺的情況,市場需求空間相當大,無疑將會對我國在這方面的技術與裝備研發和應用發揮積極的促進作用。我國目前在這方面與國際先進水平的差距還比較大。1999年2月投產的江西萬年青2000t/d的純低溫余熱發電系統。全部為國產設備,熟料發電量為22~23kWh/t。寧國海螺4000t/d的余熱發電系統采用日本川崎設備,1998年2月投產,熟料發電量達35~36kWh/t。2004年10月投產的柳州魚峰3200t/d的余熱發電系統,采用日本川崎技術及關鍵設備,部分設備國內分交制造。熟料發電量達36~38kWh/t。2004年9月中信重機與浙江客戶簽訂了二條5000t/d純低溫余熱發電工程總承包合同,全部采用國產設備,熟料發電量為26kWh/t。另外,長期以來,天津院在水泥窯余熱發電方面做了許多工作,除補燃方案外,在純低溫余熱發電項目中,2003年6月,上海萬安總公司PC窯4級預熱器1300t/d熟料生產線上采用了全部國產的余熱發電系統,發電機容量為2500kW,窯頭及窯尾廢氣是380℃。實際發電能力達1500~1800kW,相當于28~33kWh/t熟料。對于5級預熱器的PC窯,因窯尾廢氣溫度較低,約310℃,其熟料單位發電量相應地減少為27kWh/t左右。這基本上反映了我國目前的水平。南京院、成都院以及其他有些公司的情況大致相同,不贅述。總體來說,我國在純低溫余熱發電方面,首先是全套技術裝備水平與國際先進相比尚有較大差距,需要全面配套的跨躍式發展,加速迎頭趕上。其次是水泥工業純低溫余熱發電系統的應用相對于PC窯的發展而言,數量太少,對整個水泥工業的節電實效不大。但是在試圖解決這一矛盾時,筆者也不贊同那些所謂大干快上,低水平重復的做法,應該積極創新和引進相結合,力爭高起點跨躍式發展,要加快引進消化吸收國際最先進的有關技術裝備,勇于創新。全套國產系統的水平應盡快達到5000t/d。 五級預熱器,PC窯上熟料發電量30kWh/t以上。作為一項近期目標,筆者相信是可以實現的。
編輯:gaoh
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