浙江水泥****姚源
一、 前言
水泥行業經過一輪猛烈的擴張後，市場競爭進一步白熱化，生產成本的較小差別可能成為水泥企業生死存亡的分界線。採用餘熱發電技術**熟料燒成系統排放的廢氣餘熱，是提高能源利用效率、降低產品生產成本的一種非常有效的辦法。隨著國民經濟的高速發展，可利用的資源進一步減少，能源緊缺的局面在可預見的一段時期內很難得到有效緩解。
目前國內水泥窯低溫餘熱發電技術和裝備的日益成熟，該項技術將很快在全國範圍內得到廣泛應用。
目前，我國水泥行業的低溫餘熱發電事業尚處於起步階段，國內相關設計院所及裝置製造廠家對此充分重視，投入人力、物力進行研究和實踐，開發出各具特色的水泥低溫餘熱發電系統。針對國內水泥低溫餘熱發電技術發展的現狀，結合筆者多年從事水泥低溫餘熱發電的經驗和體會，提出對水泥餘熱發電的有關技術問題的思考，與有關人士共同**。
二、關於熱力系統的選擇
水泥窯廢氣餘熱的特點是流量大、品位低，廢氣溫度大多在350℃以下，因此採用普通火電廠的熱力系統和裝置難以充分利用這部分餘熱資源，必須開發針對水泥窯餘熱特點的熱力系統。目前針對性強的、具有工業應用價值的熱力系統有以下三種形式：
1、單壓系統：
應用與普通電廠相似的單壓系統時，必須降低主蒸汽壓力，以保證主蒸汽有較高的過熱度（提高單位工質的做功能力），並且由於蒸汽飽和溫度較低，能夠充分利用低位熱能，提高噸熟料發電能力。根據目前新型乾法水泥生產線的餘熱資源特點計算，主蒸汽引數選擇0.6--0.
7mpa、305--320℃，噸熟料發電能力可達35--40千瓦時，是較為理想的乙個方案，日本川崎公司近期為海螺集團設計的餘熱發電系統就接近於這個方案。此項技術的應用的關鍵是汽輪機的設計製造，由於主蒸汽壓力低，汽輪機葉片的開發和製造難度較大，需汽輪機廠家具有相當的研發能力以適應不同的餘熱資源。若選用主蒸汽壓力較高的汽輪機，其熱利用效率將隨之降低，無法充分利用低位熱能，降低噸熟料發電量。
2、双壓系統
為充分利用低位熱能，在鍋爐（一般是窯頭餘熱鍋爐）上設定兩個汽包，以高低兩個壓力系統的工質分別吸收高位和低位熱能，採用補汽式汽輪機引入高壓和低壓汽輪機做功。這是一項較為成熟的技術，在燃氣輪機尾氣餘熱發電中應用較多（廢氣溫度500℃左右）。此項技術除餘熱鍋爐的設計和製造較為複雜外，應用在水泥窯餘熱發電中的難點是如何應對窯頭餘熱鍋爐執行工況的變化，從國內新型乾法生產線的執行狀況看，窯頭廢氣的溫度變化較大，短時間內溫度變化可達100--200℃，這種執行工況的劇烈變化很可能破壞自然迴圈鍋爐的水動力平衡，導致鍋爐汽包水位異常，危及鍋爐的安全執行。
還有可能造成所謂的「汽塞」現象，如國內某廠的水泥餘熱發電系統投產後就經常因窯頭餘熱鍋爐廢氣溫度的突然公升高引起省煤器末端出現汽化現象，工質體積激增，導致向汽包給水無法滿足保持汽包水位正常的需要，同時鍋爐蒸發量增大，汽包水位很快降至警戒水位以下，鍋爐非正常停爐，以致該廠窯頭餘熱鍋爐長期不能滿負荷執行，發電量不能達到設計值。此種現象在單壓系統中也有可能發生，但在双壓系統的低壓部分發生的可能性更大，設計單位和裝置製造廠家一定要充分重視這一問題，要做幾種不同條件的執行工況核算，以確保投產後不出問題。
3、閃蒸系統
同雙壓系統不同的是，閃蒸系統不是另設乙個低壓部分，而是利用閃蒸原理（即高溫高壓水在壓力突然降低時，部分瞬間蒸發為飽和蒸汽的現象），加大省煤器中的工質流量，可以最充分地吸收低位熱能，閃蒸出的飽和蒸汽進入汽輪做功。閃蒸系統可主動調節省煤器的工質流量，防止「汽塞」現象的發生，同時餘熱鍋爐的結構也較為簡單，日本川崎公司為寧國水泥廠提供的餘熱發電系統即採用了這種技術。此項技術的關鍵是補汽式的汽輪機，由於閃蒸蒸汽為飽和蒸汽，做功後即帶水，因此汽輪機後幾級的蒸汽含水量較高，對汽輪機的結構和葉片材質要求較高；同時給水幫浦流量較大，部分抵消了其充分利用低位熱能的優勢。
三、關於餘熱鍋爐的設計
水泥窯餘熱發電需通過窯頭和窯尾餘熱鍋爐吸收廢氣中的熱量產生蒸汽，根據窯頭和窯尾廢氣特性的不同，設計相應的餘熱鍋爐進行熱量**。
窯頭廢氣的特點是含塵量較少，粉塵為熟料顆粒，磨礪性強但附著性不強，因此窯頭鍋爐不必設定專門的除灰裝置，可以設計擴充套件受熱面以加強換熱能力。但鍋爐設計風速不能過高，同時最好在廢氣入鍋爐前設定預除塵器，否則受熱面磨損較快，影響鍋爐壽命。至於鍋爐的布置形式，應以立式布置，煙氣自上而下流動為好。
窯尾廢氣的特點是含塵量較高，粉塵即生料，磨礪性不強但有一定的附著性。因此窯尾鍋爐設計的重點是如何降低粉塵集附對換熱效果的影響，需設定專門的除灰裝置，風速的選擇上要兼顧換熱效果和煙氣阻力（影響窯尾高溫風機的執行）。從布置形式上，窯尾餘熱鍋爐有兩種布置形式，即臥式布置和立式布置。
臥式爐不易積灰，清灰容易，定期除灰對水泥工藝控制影響小；但占地面積大，密封困難。立式鍋爐漏風點少、熱效率較高，比較容易布置，占地面積較小；但鍋爐易積灰（特別是窯尾廢氣中的粉塵濃度較高時）、耗鋼量相對較大，定期除灰對水泥工藝控制影響較大。鍋爐的積灰主要為生料粉，較為鬆散，通過機械連續振打可以除去，並且對水泥工藝影響較小，是較為理想的方案。
四、關於熟料燒成系統與發電系統的優化
1、熱力系統優化問題
目前國內水泥界有相當多的技術人員認為，應首先進行燒成系統的優化，再在優化的燒成系統上掛上乙個優化的餘熱發電系統，需知兩個最優的子系統的簡單之和並不等於乙個最優的大系統，必須將燒成系統和餘熱發電系統合併作為乙個系統進行優化。
要進行上述系統的優化，必須先解決乙個問題，即電能與熱能的換算比例。因為進行優化時不可避免地要遇到燒成熱耗與發電量的矛盾，即為了盡可能地多發電，可能要求燒成系統有較高的廢氣出口溫度，要多耗一些煤。關熱、電之間的換算，目前存在三種不同的意見，第一種即以能量等值換算，即每千瓦時電力相當於122.
9克標準煤，這種觀點沒有考慮能量的品位，從熱力學的角度來說，這種觀點符合熱力學第一定律，但不符合熱力學第二定律，是不可取的，持此種觀點的人不可避免地會陷入兩個最優的子系統之和的誤區之中。第二種觀點是以使用者的供電煤耗進行換算，每千瓦時電相當於390克標準煤左右，此種觀點符合熱力學第二定律及能量經濟學的理論，比較貼近實際，可作為理論研究和**決策的依據。第三種即以燃煤和電力的購買**比進行換算，如5600千卡／千克的煤每噸600元，電價每千瓦時0.
5元，換算比例為每千瓦時電力＝0.5÷600×（5600÷7000）×1000＝667克標準煤，這種方法從純經濟的角度出發，考慮了發、配、用電各個環節的成本和利潤，作為經濟主體的水泥企業，最能接受的換算方式應該是這種方式。
正如以上所述，對新型乾法窯的預熱器級數應作重新考慮。目前國內新型乾法窯的一般均為5級預熱器，設計出口溫度約320℃，實際執行時一般稍高於設計值。這種等級的餘熱溫度進行動力**也是可行的，但由於火用值較低，影響了噸熟料發電能力。
若預熱器設計為4級，雖然噸熟料煤耗有相應增加，但餘熱發電能力的提高所產生的經濟效益遠遠超過煤耗的增加帶來的損失，從日本國內的水泥廠運**況足以證明。具有餘熱發電經驗的台商亞東水泥在建設工廠時就只設計了4級預熱器，目前正在籌備建設餘熱發電系統；泰山水泥在設計低溫餘熱發電時，經過認真核算，決定實施預熱器的改造，將入窯生料直接匯入3級旋風筒出口，其第1級旋風筒只作為乙個廢氣通道，實際變成了4級預熱，從而大幅度提高了發電能力。因此，今後水泥生產線的設計中，若使用者已有意向建設餘熱發電系統，應考慮4級預熱器，這樣即可減少投資，又可降低窯尾高溫風機電力消耗（一級預熱器投資約為窯尾餘熱鍋爐的1/3至1/2，而煙氣阻力相當）。
1、煤磨的位置
水泥生產線的煤磨可設定在窯頭或窯尾，各有利弊。但從考慮餘熱發電的角度來看，放在窯尾更好。從熱量的充分利用來看，窯尾廢氣為烘乾原料必須將餘熱鍋爐出口溫度設計在220℃以上，這部分廢氣除用於原料烘乾外，尚有部分需進入增濕塔降溫，無疑是一種能量損失，而將煤磨設定在窯尾可有效地減少這一損失。
另外，將煤磨設定在窯尾，使得在冷卻機上開設餘熱鍋爐的抽風口更加方便，可利用的熱量也大幅增加。同時，煤磨設定在窯尾有利於煤磨熱工穩定，有利於煤磨收塵器的安全（窯尾廢氣含氧量少），有利於緩解分解爐喂煤量較大時可能產生的脈動現象，不必設定煤磨熱風爐等。
2、窯頭餘熱鍋爐在冷卻機抽氣口的位置
目前，窯外分解窯所配套的篦式冷卻機出口廢氣溫度多在200多度，在這種溫度下的熱量品位較低，很難進行動力**，影響了噸熟料發電能力。除非窯尾廢氣溫度相當高的特殊情況，一般情況下應在冷卻機中部開設單獨的抽氣口（即相當於窯頭煤磨抽氣口位置），抽出溫度在300℃以上的中溫廢氣，進行餘熱動力**，避免冷熱廢氣混合時造成的火用損失，使噸熟料發電能力有較大幅度的提高。日本國內水泥餘熱發電早期直接利用冷卻機出口廢氣進行熱量**，但從中期開始無一例外地都採用中部取氣的方式；從寧國水泥廠餘熱發電站的執行效果來看，這種抽氣方式能大大提高噸熟料發電能力，具有顯著的經濟效益。
4、增濕塔的布置方式
目前窯尾增濕塔的布置有**式（即增濕塔設定在窯尾高溫風機前）和離線式（在高溫風機後）兩種形式。這兩種形式都可以接入餘熱鍋爐，但離線式布置無論在空間上還是在工藝流程上，更方便接入餘熱鍋爐。增濕塔的離線式布置避免了與餘熱鍋爐空間上的衝突，使餘熱鍋爐的布置更加容易；同時在餘熱鍋爐接入後兩者之間是串聯關係，可同時使用，能方便地調節進入窯尾收塵器的廢氣溫度和濕度，而**布置的增濕塔因與餘熱鍋爐為併聯關係，一般情況下非此即彼，使得有效控制和調節進入窯尾收塵器的廢氣品質變得較為困難。
五、其它
1、 餘熱發電的建設時機
目前水泥餘熱發電均是在水泥生產線投產後，以技術改造形式建設的。在進行水泥生產線的設計時，基本上未考慮餘熱發電的要求，這樣給餘熱發電系統的設計和建設帶不小的困難，有些工程建設時考慮到了餘熱發電，但從工藝流程、執行引數確定、空間位置及建築結構上，考慮得還是不多。因此，最好的辦法是設計水泥生產線的同時，提前做好餘熱發電系統的規劃或初步設計，可以同步建設（這時餘熱發電系統的機組容量要考慮充分，留有一定餘量），也可待水泥生產線投產後根據熱工標定資料進行施工圖設計和工程建設，盡量做到兩方面兼顧。
2、餘熱發電站與水泥生產線的控制系統的關係
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