水泥窑余热发电问题的分析与改进及优化探讨

在环境保护不断被重视和大气治理不断深化的背景下，高能耗行业节能减排已成为社会关注焦点。余热发电作为高能耗企业节能减排的重要措施之一，在水泥行业经多年发展，技术和运行日渐成熟，各大水泥集团和系统设备供应商均已形成了各具特色的余热发电系统，实现了一定程度的节能创效。但在实际生产运营中，同一水泥集团同类余热发电系统的运行水平存在较大差距，不同集团不同类系统的运行差距则更大。本文针对余热发电系统运行水平参差不齐的现状，从水泥行业余热发电工作原理、生产操作、技术管理方面进行系统剖析，以促进发电系统的提升改进。

1　余热发电技术

　　1）工作原理。在干法水泥生产线中，通过余热锅炉将水泥窑窑头、窑尾排出的大量低品位废气余热进行回收换热，产生过热蒸汽和饱和蒸汽推动汽轮机，实现热能和机械能的转换，再带动发电机发出电能，供给水泥生产过程中的用电负荷，能量转换如图1所示。

图1　余热发电能量转换原理示意

　　2）工艺流程。余热发电系统由余热锅炉、汽轮机、发电机、闪蒸器、水冷却系统和化学水处理系统组成。工质（水）通过窑尾SP锅炉和窑头AQC锅炉内省煤器、蒸发器、过热器和汽包，从水泥窑废气中吸取余热，成为过热蒸汽。过热蒸汽进入汽轮机，推动汽轮机叶轮转动，带动发电机发电。做过功后的乏汽经过凝汽器冷凝后形成凝结水重新参与热力循环。余热发电系统工艺流程如图2所示。

图2　熟料生产线余热发电工艺流程

　　3）经济效益。余热发电系统对窑尾和窑头废气中约占熟料热耗30%的余热进行回收发电，循环用于水泥生产，可减少熟料生产中 50%的购电量，约降低吨熟料成本15元，大大提高了熟料生产中能源的利用水平，保护环境同时也提升了企业成本竞争力，提高了水泥企业的经济效益。

　　4）余热发电系统热耗构成。目前先进水泥生产企业熟料热耗平均水平约为3100kJ/kg，但熟料形成热约为1720kJ/kg，水泥窑的热利用效率约为55%，其余热量除系统表面散失和熟料残余热（约11%）带走外，大部分（约34%）通过窑尾和冷却机以废气的形式排出窑系统。某公司2500t/d和5000t/d熟料生产线热能消耗构成情况热工标定数据见表1。

表1　某公司2500t/d和5000t/d熟料生产线热工标定数据

2　余热发电问题分析

2.1　热力分析

　　表2为余热发电系统热力分析数据。

表2　余热发电系统热力分析

　　两条窑系统热力分析同实际运行情况基本相符，该类发电系统单位熟料发电量通常在27~40kWh/t，实际发电量波动很大。通过以上热力分析计算可知：发电只利用窑尾和窑头废气进入余热发电系统热焓降约21%，其余热能被余热发电乏水排放掉了。窑尾锅炉可利用的废气温差较小，锅炉热利用效率只有40%左右，窑头锅炉对废气热利用效率达到75%左右，汽轮机对工质热焓升热利用效率只有21%左右。因此，水泥行业余热发电总体热能利用效率并不高。

2.2　效率分析

　　发电量由余热资源（量和质）、锅炉热交换、汽轮机机械能转换及发电多个环节效率共同决定，系统总热能利用效率是数个环节效率的叠加。从表1系统标定结果中可看出，两熟料生产线熟料烧成热耗和系统各部分热耗分布相差不大，但两余热发电系统熟料发电量竟差距达37.29-27.55=9.74kWh/t。表3为余热发电效率分析数据。

表3　余热发电效率分析

　　由表3可知，窑尾锅炉熟料热源相差74.17×104-68.84×104=5.33×104kJ/t，少发电量=5.33×104×39.04%×20.60%/3　600=1.191kWh/t；窑头锅炉熟料热源相差48.02×104-28.19×104=19.83×104kJ/t，少发电量=19.83×104×75.42%×20.60%/3600=8.558kWh/t，导致共少发电量1.191+8.558=9.749kWh/t。由此可见，影响发电量低的最大因素是热源量和品质，其产生原因主要包括操作、技术、管理和工厂体制等方面。

　　1）操作原因。包括以下两个方面：①进冷却机的热源难稳定、波动大。配料、均化及窑的微小调整，均会造成物料在窑内的运动速度和结粒情况变化，进而造成在不同时段进冷却机熟料量和热能的波动，引起料床厚度和通风阻力的变化，因此冷却机和窑的操作匹配困难，再加上冷却机各段鼓风量、抽风量的实际变化和推速等操作调整，均会加剧窑头废气量和品质的波动。②冷却机的进风和出风控制相互影响变量多，操作员大多凭借经验进行调节，控制逻辑和依据较模糊。通常冷却机的鼓风量大致在2.0Nm3/kg，其中应用于燃烧空气量约为0.8Nm3/kg，可应用于余热发电的约为0.9Nm3/kg，冷却机尾部排空的约为0.3Nm3/kg。这些风的进出分配，通过3台系统风机（窑头风机、ID风机和煤磨风机）和近20台风阀/变频器来调节控制，这单靠操作员凭思维判断来操作，根本无法做到稳定。另外，余热发电系统大多将改善蒸汽品质、提高汽轮机效率的过热器设置在窑头，即便是单纯将窑头余热分解成可供余热发电系统应用的热源和冷却机尾部低温排风这种单一操作，在实际生产中也很难找到真正有效的最佳控制逻辑，如2500t/d熟料生产线熟料发电量只有27.55kWh/t，其根源就是窑头分离出的可利用总热焓过低，只有28.19×104kJ/t，大部分被无效排放了。窑头锅炉的废气热源无法稳定，必然导致发电量的巨幅波动。

　　2）技术原因。水泥窑余热发电系统是“以热定电”的热电联产系统，热能优先满足窑的需求，同时部分余热还要供给原燃材料烘干。这种电站系统其热源热力分析较纯热力燃烧系统复杂得多，系统效率可提升空间较大，因此对技术管理人员的要求就比单纯小发电站的技术管理人员要高得多，而多数水泥企业缺乏能贯通熟料生产和余热发电两个专业的技术人才。

　　3）投建动机。余热发电系统在设计投建时，通常只是出于利用余热资源补充来考虑，甚至有些企业是迫于政策压力才投入的。正是出于这种定位和动机，本着节省投资的前提，系统的设计都是基于简单易于操作，材料材质选择仅限于满足使用，再加之国内各设备供应商之间的恶性成本竞争，导致锅炉体积和用钢量不能满足要求，同时设计上又要局限于尽可能不影响到水泥生产系统的原有布局。种种制约因素，就造成余热发电系统大多从投建开始，就不是将最高效率地利用系统热资源作为出发点。一旦系统余热资源偏离设计参数，锅炉系统就无法合理、高效运行，必然导致余热发电系统的热利用效率大幅降低，造成系统运行波动加大。

　　4）管理原因。在水泥企业里，余热发电是作为熟料烧成的辅助补充系统，是水泥企业节能降成本的重要手段。生产中以熟料生产系统为偏重，资源和人员配置上也是如此，一旦生产上出现不顺，首先牺牲的也是发电效率。在目前减员增效的大环境下，余热发电部门在工厂管理中往往处于弱势群体，想在系统维护保养和高效运行上真正做到位，还有很大差距，这在一定程度上也加剧了余热发电系统的运行不稳定。

3　改进措施

　　1）注重管理，积极培养精通衔接熟料生产和余热发电两个专业的技术人才。将熟料生产和余热发电结合起来，激发技术管理和操作人员的积极性，在保证熟料产质量的前提下，最大化利用好能源，实现效益最大化。只有明确了目标和方向，技术管理和操作才能做到有的放矢。

　　2）实际操作中平衡好余热资源的质和量，提高蒸汽的品质，保证锅炉效率和汽轮机发电效率的均衡，从而使余热发电系统的综合热利用效率最大化。

　　3）加强锅炉定期检查和维护。加强锅炉清灰，避免热传递阻力加大；加强汽轮发电机的日常维护管理，保证发电效率；加强原燃材料进厂水分的管理，降低烘干热源的需求量；减少漏风、漏气和加强热保温，减少系统的热损失和热资源的品质降低。

4　余热发电技术的优化探讨

　　目前国内水泥行业余热发电的发展模式，导致技术改进升级推动力不足，余热发电热能利用效率不高，系统余热能源利用效率仅12%左右，并且发电量波动大。鉴于这种现状，国外一些水泥企业在这方面做了许多大胆尝试，取得了大量实践成果，吨熟料发电量最高可达80kWh。结合国内外的实践经验，余热发电技术可从以下几个方面进行优化：

　　1）优化工质提高锅炉余热回收效率。采用沸点低的工质，易产生蒸汽，利于低温余热的回收。资料介绍，国外已考虑利用低沸点的烷类有机物或氨（NH3）和水的混合液取代水产生蒸汽，推动汽轮机运转发电，按常规从熟料生产线抽取废气方式，吨熟料发电量可达50kWh，较我国现平均水平提高较多。

　　2）优化蒸汽的参数提高汽轮发电机发电效率。余热发电均为中低温参数，导致发电系统热能利用效率较低，仅仅20%，低端热损占比较高。由朗肯定律可知，蒸汽参数越高，汽轮机的热能利用效率越高。假定在5000t/d熟料生产线的合适部位另设单独过热器，原窑头窑尾蒸汽生产量均不变的前提下，对主蒸汽进行过热改质，采取两套方案：方案1为蒸汽压力2.4MPa且蒸汽温度380℃，方案2为蒸汽压力16.7MPa且蒸汽温度540℃，余热系统发电效率分析见表4。

表4　5000t/d熟料生产线另设单独过热器不同方案下余热发电效率分析

　　由表4可知，通过高温烟气对蒸汽进行改质，可提高余热发电系统热能利用效率，发电量较大幅度提升。采用方案1，通过合理设计优化对蒸汽进行高温改质，增加高品质废气侧热焓降22.9kJ/kg，可提高发电量41.70-37.29=4.41kWh/t；若采用方案2，增加高品质废气侧热焓降79.2kJ/kg，可提高发电量50.8-37.29=13.51kWh/t，发电量提升幅度更为显著，汽轮机热能利用效率也从21.21%提升至26.27%。有些余热发电系统供应商也在此方面做了尝试，有在窑头取中高温风的，也有在预热器旋风筒处通过设置独立过热器以进一步改善蒸汽品质来提高余热发电系统热能利用效率提高发电量的。

　　3）余热发电和水泥装备及工艺的协同改进发展。技术的进步离不开装备的革新和工艺的优化，水泥企业应本着社会能源利用最大化的立场来统筹规划设计。熟料生产和余热发电两个专业必须齐心协力、共谋发展，从工艺优化和装备革新上寻求突破，才能真正实现技术上的升级换代。

　　4）表1中系统表面热损失接近熟料烧成热耗8%~9%，可考虑在损失大的区域如窑筒体旁增加热回收装置来生产余热发电所需的热水。

5　结束语

　　1）国内水泥行业余热发电经十多年发展，技术和运行日渐成熟，大大提高了水泥行业的总热能利用效率，为企业和社会节能减排做出了巨大贡献。

　　2）目前大多水泥企业余热发电运行，还存在发电量不理想、波动大的运行问题，其主要原因在于窑系统运行波动大、窑操作和工艺管理人员对系统热利用效率关注不够、实际操作中余热温度梯级利用贯彻不到位，但更深层次原因还在系统设计本身。

　　3）余热发电的发展模式，导致技术改进升级推动力不足，余热发电热能利用效率不高。未来余热技术上更大的进步，必然来自于发电系统和水泥装备及工艺的协同发展。

　　4）水泥行业作为能源消耗大户之一，在节能减排技术进步上负有更多的责任，同时也具备一些有利条件，应该积极推动余热发电技术改进升级，提高行业热能总利用效率，为社会节能减排发挥更大的作用。

作者单位：

华新水泥股份有限公司