中材节能股份有限公司 河北 050200
摘要：对于已建成投产的余热电站，由于各种原因，发电量与设计指标仍有一定差距。主要原因是水泥窑系统废气状况达不到设计指标，导致锅炉出力不足，发电量低。
关键词：水泥窑；余热发电；单压循环；双压循环；分析；改进；
在环境保护日益受到重视、大气治理不断深入的背景下，高能耗行业的节能减排成为社会关注的焦点。余热发电作为高能耗企业节能减排的重要措施之一，在水泥行业已发展多年，其技术和运行日趋成熟。各大水泥集团和系统设备供应商都形成了自己独特的余热发电系统，实现了一定程度的节能增效。但在实际生产运行中，同一水泥集团的同类余热发电系统运行水平差距较大，不同集团的不同类型系统运行差距更大。
1 余热发电的技术
1.1 它是如何工作的。在干法水泥生产线中，窑头和窑尾排出的低品位废气中的大量余热被余热锅炉回收和交换，产生过热蒸汽和饱和蒸汽驱动汽轮机实现热能和机械能的转换，进而驱动发电机产生电能供应水泥生产过程中的电力负荷。
1.2 工艺流程。余热发电系统由余热锅炉、汽轮机、发电机、闪蒸器、水冷系统和化学水处理系统组成。工作介质（水）通过窑尾SP锅炉和窑头AQC锅炉的省煤器、蒸发器、过热器和汽包，吸收水泥窑废气中的余热，成为过热蒸汽。过热蒸汽进入汽轮机，带动涡轮叶轮旋转，带动发电机发电。工作后的乏汽由冷凝器冷凝形成冷凝水，再次参与热力循环。
1.3 经济效益。余热发电系统回收窑尾和窑头废气中约占熟料热耗30%的余热，并回收用于水泥生产，可减少熟料生产50%的购电，降低成本和每吨熟料15元，大大提高熟料生产中的能源利用水平，保护环境，提高企业成本竞争力，提高水泥企业的经济效益。
1.4 余热发电系统的热耗构成。目前先进水泥生产企业熟料热耗平均水平约为3 100kJ/kg，但熟料形成热约为1 720kJ/kg，水泥窑热利用效率约为55%。除系统表面损失和熟料余热（约11%）外，大部分余热（约34%）以废气的形式通过窑尾和冷却器排出窑系统。某公司2500吨/日和5000吨/日熟料生产线热能消耗构成热标定数据见表1。
表1某公司2 500t/d和5 000t/d熟料生产线热工标定数据
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2 分析余热发电问题
2.1 热分析。两个窑系统的热力学分析与实际运行基本一致。这类发电系统的单位熟料发电量通常为27~40kWh/t，国际发电量波动较大。通过以上热力学分析计算可知，只有窑尾和窑头的废气进入余热发电系统，焓降约21%，其余热能由余热发电的废水排出。窑尾锅炉可利用的废气温差小，锅炉的热利用效率仅为40%左右，窑头锅炉为75%左右，汽轮机为21%左右。因此，水泥行业余热发电的整体热利用效率不高。
2.2 效率分析。发电量由余热资源（数量和质量）、锅炉换热、汽轮机机械能转换和发电效率决定。系统的总热能利用效率是几个环节效率的叠加。（1）操作原因。包括以下两个方面：（1）进入冷却器的热源难以稳定，波动较大。配料、均化和窑的微调会使窑内物料的运动速度和粒化发生变化，进而引起不同时间段进入冷却器的熟料量和热能的波动，从而引起床层厚度和通风阻力的变化。因此，冷却器和窑炉的运行很难匹配。此外，冷却器各段风量和排气量的实际变化以及推进速度的调整会加剧窑头废气量和质量的波动。②冷却器进风口和出风口控制之间的交互变量较多，大多由操作人员经验调整，控制逻辑和依据模糊。冷却器的鼓风量一般为2.0Nm3/kg左右，其中用于燃烧的风量约为0.8Nm3/kg，用于余热发电的风量约为0.9Nm3/kg，冷却器尾部的排气量约为0.3Nm3/kg。这些空气的进、出口分布由三个系统风机（窑头风机、ID风机、磨煤机风机）和近20个气阀/变频器调控，仅依靠操作者的思维判断，根本无法稳定。此外，在余热发电系统中，提高蒸汽品质和汽轮机效率的过热器大多设置在窑头。即使将窑头余热简单分解为热源和冷却器尾部的低温排风，用于余热发电系统，在实际生产中也很难找到真正有效的最优控制逻辑。（2）技术原因。水泥窑余热发电系统是一种“以热定电”的热电联产系统。热能优先满足窑炉需要，同时部分余热供给燃烧原料干燥。与纯热燃烧系统相比，这种电站系统热源的热分析要复杂得多，系统效率可以大大提高。所以对技术管理人员的要求比简单的小电站要高得多，大部分水泥企业缺乏能渗透熟料生产和余热发电的技术人才。（3）投资建设动机。余热发电系统在设计和投入建设时，通常只考虑用余热资源进行补充，甚至有些企业迫于政策压力而进行投资。正是因为这种定位和动机，在节省投资的前提下，系统的设计以简单易操作为基础，选材以满足使用为限。此外，国内设备供应商之间的恶性成本竞争导致锅炉容量和钢材消耗不符合要求，设计应限制在尽可能不影响水泥生产系统原有布局的范围内。由于各种限制，大多数余热发电系统都是从建设开始，而不是以效率最高的系统热源为出发点。一旦系统的余热资源偏离设计参数，锅炉系统就不能合理高效地运行，必然导致余热发电系统的热利用效率显著降低，导致系统运行波动增加。（4）管理原因。在水泥企业中，余热发电是熟料烧成的辅助补充系统，是水泥企业节能降耗的重要手段。熟料生产系统在生产中强调，资源和人员的配置也是如此。
3 改进的对策
3.1 注重管理，积极培养精通熟料生产与余热发电联动的技术人才。熟料生产与余热发电相结合，可以在保证熟料产量和质量的前提下，激发技术管理人员和操作人员的积极性，最大限度地利用能源，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有针对性。
3.2 平衡余热资源的质与量，提高蒸汽质量，保证锅炉效率与汽轮机发电效率的平衡，使余热发电系统的综合热利用效率最大化。
3.3 加强锅炉的定期检查和维护。加强锅炉除灰，避免增加传热阻力；加强汽轮发电机的日常维护和管理，确保发电效率；加强原料进厂用水管理，降低干燥热源需求；减少漏风和漏风，加强保温，减少系统热损失，降低热源质量。
4 余热发电技术优化探讨
4.1 优化工质提高锅炉余热回收效率。使用低沸点工质容易产生蒸汽，有利于低温余热的回收。据资料显示，国外已考虑用低沸点烷烃类有机化合物或氨（NH3）与水的混合物代替水来产生蒸汽，以促进汽轮机运行发电。按照熟料生产线常规提取废气的方法，每吨熟料的发电量可达50kWh，远高于我国目前的平均水平。
4.2 优化蒸汽参数提高汽轮发电机发电效率。余热发电是一个中低温参数，导致发电系统热能利用效率低，仅为20%，低端热损失占比相对较高。根据朗正态分布规律，蒸汽参数越高，汽轮机的热能利用效率越高。
4.3 余热发电与水泥设备技术的协同改进与发展。技术进步离不开设备创新和工艺优化。水泥企业应以社会能源利用最大化为出发点进行总体规划和设计。熟料生产和余热发电必须齐心协力，在工艺优化和设备创新上寻求突破，才能真正实现技术升级。
4.4 在表1中，系统表面热损失接近熟料烧成热损失的8%~9%，可以考虑在损失较大的区域，如窑壳，增设热回收装置，生产余热发电所需的热水。
总之，余热发电的发展模式导致技术改进升级动力不足，余热发电热能利用效率不高。未来余热技术的更大进步必然来自发电系统和水泥设备技术的协调发展。水泥行业作为主要的能源消耗者之一，在节能减排的技术进步中负有更大的责任，也有一些有利的条件。应积极推进余热发电技术的改进和升级，提高行业热能的整体利用效率，在社会节能减排中发挥更大作用。
参考文献：
［1］文华.预分解窑余热发电系统配置的合理性探讨及技术方案.2019.
［2］唐龄伟.关于水泥窑余热发电问题的分析与改进及优化探讨.2020.