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曾学敏余热发电为水泥工业再创辉煌-【新闻】

发布时间:2021-05-24 11:30:33 阅读: 来源:矿用通信电缆厂家

曾学敏:余热发电为水泥工业再创辉煌

中国水泥协会副会长曾学敏作为水泥行业专家,将于3月27日赴上海参加“第五届纯低温余热发电国际峰会”,和与会代表进行技术交流。

改革开放三十年来,水泥工业取得了举世瞩目的成绩。新型干法水泥技术装备进入世界先进行列;科学发展、技术创新、节能减排成为全行业实际行动:水泥结构调整成绩斐然,到2008年底新型干法水泥比例突破了60%;世界知名水泥公司在我国落地生根;水泥工程总承包足迹遍及全球,带动机械装备大量出口。这些成绩的取得,为水泥工业的发展创造了辉煌。与此同时,“十一五”期间水泥纯低温余热发电,实现了跨越式发展,截止2008年有263条新型干法熟料生产线装有余热利用电站,装机总容量达到1662MW。到2010年水泥行业余热发电装机总容量将是近2个葛洲坝电站总装机容量,余热发电为水泥工业再次创造了辉煌。

一、水泥工业余热发电的发展历程

水泥窑余热电站始建于大连水泥厂,1922—1923年该厂扩建第二条Φ3m×60m干法中空窑时,同时配套建设了高温余热发电机组,称为“水泥干法中空余热发电窑”。我国水泥窑余热发电技术的发展从第一个五年计划开始起步,经过半个多世纪的发展,水泥窑余热发电技术的研究、开发、推广、应用工作经历了四个阶段。

第一阶段为1953年至1989年,这30多年主要工作是开展了中空窑高温余热发电技术及装备的开发、推广、应用工作。首先参照上世纪30年代日本引进德国技术在我国东北、华北地区建设的中空窑高温余热发电技术装备,对老厂进行改造,同时在老厂扩建中得到应用。共投运了约290条中空窑余热发电系统。形成了不同主蒸汽参数、余热锅炉形式、装机容量的高温余热发电系统。为我国开展水泥窑中低温余热发电技术及装备的研究开发奠定了坚实基础。

第二阶段为1990年至1996年。“八五”期间,国家安排了水泥行业科技攻关课题,其一是:“带补燃锅炉的中低温余热发电技术及装备的研究开发”,主要内容为采用国产标准系列汽轮发电机组,回收400℃以下废气余热进行发电。该课题在1996年完成了攻关工作,形成了“带补燃锅炉的水泥窑中低温余热发电技术”;这项技术的研究、开发、推广、应用,为我国开发水泥窑纯低温余热发电技术及装备工作积累了丰富的经验;其二是“水泥窑纯低温余热发电工艺及装备技术的研究开发”;其三是“纯低温余热发电技术装备——螺杆式膨胀机研究开发”。根据带补燃锅炉的水泥窑中低温余热发电技术应用的经验,以日本KHI公司为宁国水泥厂4000t/d水泥窑提供的6480kW纯低温余热电站的建设为契机,基本形成了我国水泥窑纯低温余热发电工艺技术装备体系。

第三阶段为1997年至2005年。推广、改进“带补燃锅炉的水泥窑中低温余热发电技术”和“水泥窑纯低温余热发电技术”。截止2005年底,利用“带补燃锅炉的水泥窑中低温余热发电技术”,国内有23个水泥厂36条1000~4000t/d预分解窑生产线上安装了28台带补燃锅炉的中温余热发电机组,总装机为45.36MW。与此同时,分别于2001年、2003年利用我国自主研发的技术和国产设备,在2000t/d、1500t/d水泥窑上投运了装机容量分别为3MW、2.5MW的纯低温余热电站。2001年至2005年,我国水泥行业利用国产设备和技术在12条新型干法窑上,配套建设了装机容量分别为2.0MW、3.0MW、6.0MW、7.0 MW的纯低温余热电站。

第四阶段为2005年以后。由于水泥窑纯低温余热发电技术装备已经成熟,进入了蓬勃发展阶段。大量的工程实践机会,给技术不断创新提供了最佳的机遇。随着纯低温余热电站投入运行数量的增多,实践应用的同时也促进了工艺技术装备的提高,使我国水泥窑纯低温余热发电技术装备更加成熟可靠,给我国这项技术达到世界先进水平提供了机遇。

二、我国水泥窑纯低温余热发电技术装备

1.余热发电的基本原理

将工业生产中排出的大量废气通过余热回收装置——余热锅炉将废热进行热交换回收,产生过热蒸汽推动汽轮机实现热能向机械能的转换,从而带动发电机发电。

在水泥熟料生产过程中,水泥窑的窑头和窑尾产生大量废气(废热),在废气排出的地方安装余热锅炉,分别称为AQC锅炉(窑头炉)和SP锅炉(窑尾炉)。在余热锅炉内,废气与水进行热交换,使水产生一定温度和压力的过热蒸汽,过热蒸汽进入汽轮发电机组进行发电。

表1 干法中空窑高温余热发电系统主要参数

主蒸汽温度

(℃)

蒸汽压力

(MPa)

余热

锅炉

装机容量

(MW)

吨熟料发电量

(kWh/t)

400

2.45

卧式

3.0

90~110

450

3.82

卧式

4.5

130~150

450

3.82

立式

6.0

170~180

2.纯低温余热发电技术及主要参数

目前,我国水泥工业纯低温余热发电技术的核心内容是热力循环系统,热力循环方式主要有单压系统、闪蒸系统、双压系统三种基本模式,以及由此衍生的复合系统构成。理论和实践表明,以上三种热力系统的选择,应依据企业的具体情况来选择合适的系统,采用哪种方式最合理,应依据热平衡计算、生产线规模、企业管理水平、投资高低等实际情况,进行综合比较后确定。

纯低温余热发电主要设备及主要技术参数,以一般5000t/d水泥熟料生产线为例进行说明。规模相当的生产线可利用窑头、窑尾余热资源,建设一套装机容量为9MW的纯低温余热电站。主要设备有凝汽式汽轮机、发电机、SP余热锅炉和AQC余热锅炉,其主要技术参数指标见表2。

表2 纯低温余热发电主要设备及技术参数

序号

设备名称

数量

主要技术参数指标

l

l

额定功率: 9MW

额定主汽压力:1.25MPa(a)

额定排汽压力:0.008MPa(a)

额定主汽温度:325℃

额定转速: 3000r/min

额定汽耗率: 5.2kg/kWh

2

1

额定功率: 9MW

额定转速: 3000r/min

频率: 50Hz

效率: 96.5%

3

SP

1

入口废气量: 340000m3/h(标况)

入口废气温度:330℃~340℃

出口废气温度:220℃

(生料粉磨用风要求温度)

漏风率: 3%

额定主汽: 1.35MPa(a)

额定主汽温度:310℃

主汽流量: 25t/h

4

AQC

锅,

1

入口废气量: 240000m3/h(标况)

入口废气温度:350℃~360℃

出口废气温度:100℃

漏风率: 2%

额定主汽: 1.35MPa(a)

额定主汽温度:330℃

主汽流量: l8t/h

主要技术经济指标

序号

技术名称

指标

备注

1

装机容量 (MW)

9

2

平均发电功率 (kW)

8020~8710

3

吨熟料余热发电量 (kWh/t)

35~38

按照5500t/d计算

4

水泥熟料烧成热耗 (kg/t-cl)

106~110

5

年平均发电成本 (元/kWh)

0.10~0.16

6

工程总投资 (万元)

6000~7000

7

投资回收期 (年)

3~4

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三、我国纯低温余热发电机组建设及运行

1.选择余热利用方式及原则

企业是否建设纯低温余热发电系统,应根据熟料生产线的实际情况而定。生产线规模较小,当地电价较低,如青海地区小规模生产线,建设余热电站效益就不高;生产线利用污泥进行配料,需要大量废热对污泥进行烘干,经济效益很好;利用废热供暖、制冷,造福一方百姓,也是不错的选择。不管废气如何利用,经济账一定要算。哪种废热利用方式效益最好,就是企业的最终选择。实践证明,已建设纯低温余热发电系统的企业经济效益均很好。

水泥窑纯低温余热发电的建设和设计应遵循以下原则。

——条件允许时,企业应对生产线进行系统热工标定,对运行数据的稳定性及原因进行系统分析:

——在满足水泥生产工艺自身余热的需要、不影响水泥窑的热工操作、不增加水泥熟料烧成热耗及电耗的前提下,最大限度获取利用余热资源;

——合理梯级利用不同品位余热,充分发挥余热的作功能力:

——根据企业的实际情况,通过性价比分析,确定热力系统循环方式;

——在建设新生产线设计中,不同步建设余热发电系统时,应在窑头和窑尾留有建设余热发电系统的余地。

2.水泥余热发电建设模式

水泥余热发电建设模式有三种。第一种为传统模式,由设计单位提供技术方案和电站设计,企业自己安排建设和管理。设计单位只承担设计,工作量较大,利润较薄,一些设计单位不愿意提供这种模式的服务。由于目前余热发电建设是买方市场,这种服务模式的比例逐年下降。

第二种为EPC模式,即工程总承包模式。目前水泥余热发电建设采用EPC(总承包)模式比较普遍,市场占有率大约60%左右。采用这种模式主要原因是水泥余热发电市场比较火爆,技术供应商希望以工程总承包方式承接任务;另一方面水泥生产企业对水泥余热发电的设备采购、技术管理比较生疏,这方面正是技术供应商的优势。一般采用EPC模式时将土建工程拿出去,由业主自行招标。

第三种模式为BOT模式。是一种由出资方建设——运营——转交的模式,也是今后的发展方向。采用这种模式,水泥企业利用拥有废气资源优势,由电站的承建方全部投资进行建设和管理。企业可以解决资金短缺造成的窘迫,近期可以获得优惠电价,最终可以获得电站。投资方依靠资金、技术、配套、CDM、管理等方面的优势,可以有效规避投资风险和取得短期较好经济效益。这种模式目前应用不够普遍,大概占10%左右。这种模式双方合作的条款是比较灵活的,关键是条款的内容双方均能接受。

后两种模式总体经济性评价是双赢的,可以说以优势克服弱势,双方盈利。

3.已投运的纯低温余热发电机组及生产线

1997~2005年近十年间,水泥行业建设投运的纯低温余热发电新型干法生产线仅为13条、机组14台、装机容量50MW;进入“十一五”,水泥纯低温余热发电的建设快速发展,每年呈几何级数上升。2006年投运了15条生产线、14台机组、装机容量65.5MW;2007年投产的余热发电生产线86条、安装发电机组59台、装机容量571MW:2008年投运的余热发电生产线149条、安装发电机组106台、装机容量975.2MW;2009年预计投运的余热发电生产线232条、安装发电机组181台、装机容量1677MW:预计2009年投运的余热电站装机总容量将超过历年的总和(见表3)。

表3 截止2008年年底已投入运行的纯低温余热电站

年份

生产线(条)

机组(台)

装机(MW)

熟料设计产能(万吨/年)

1997~2005

13

14

50

1119

2006

15

14

65.5

1460

2007

86

59

571

10109

2008

149

106

975.2

15899

小计

263

193

1661.7

28587

2009预计

232

181

1676.8

2767

表4 2009年拟投运的国外水泥余热发电工程

国 别

生产线

(条)

机组

(台)

装机

(MW)

熟料产能

(年/万吨)

泰 国

9

6

102.2

1819

巴基斯坦

9

4

52.6

100l

印 度

7

5

48

880

越 南

2

2

22.5

388

土耳其

2

l

18

310

菲律宾

1

l

4.5

78

合 计

34

22

247.8

4476

表5 余热发电生产线运行指标汇总

指标

项目

熟料热耗

(kg/t)

吨熟料余热发电量

(kWh/t)

余热发电供电成本

(元/kWh)

外购电价

(元/kWh)

目前设计

37-42

0.12~0.16

0.5~0.6

安徽运行数据

115.5

37.35

0.06~0.08

0.51~0.64

浙江运行数据

120.48

29.91

0.09~0.25

0.54~0.66

山东运行数据

112.92

28.57

0.167~0.228

0.57~0.67

4.承接的国外水泥余热发电项目

我国纯低温余热发电技术经过十几年的开发、研究和实际运行经验,其技术装备水平无论是热力循环系统还是国产化设备都已成熟。由于投资成本低,综合服务能力强,使中国水泥窑余热发电综合技术装备水平处于国际先进行列,在国际市场上有明显竞争优势,近几年水泥余热发电技术迅速普及到亚洲各国。

2008年,中材节能公司在泰国SCG的3条生产线上投运了2台发电机组,总装机为27MW;海螺集团亦在泰国暹罗SKK工厂6号生产线上投运了装机为9.1MW的发电机组,从此开创了我国余热发电技术的国外市场。值得一提的是,拉法基、海德堡等知名水泥公司在国外建厂,均选择我国公司承担建设余热发电系统。继中材节能和海螺以后,大连易世达、中信重机、杭州中科节能、昆明阳光基业均承接了国外工程。国际水泥余热发电市场潜力很大,发展速度很快,预计2009年投运的国外余热发电工程装机达247.8MW,是2008年的8倍。目前中材节能在埃及、希腊、韩国、马来西亚等国家均洽谈了余热发电工程。

5.余热发电机组运行情况

中材节能公司受国家发改委委托,对余热发电机组的实际运行情况进行了调研,调研数据统计结果表明,已投运的余热发电机组实际运行效率和设计值尚存在一定距离。以海螺集团为主的安徽企业余热发电运行管理水平较高,电站的运转率也较高,基本反映目前我国余热发电现状和技术水平;浙江省余热发电机组相对投运较早,设计及装备水平和目前相比,存在一定差距,因此平均发电量水平较低。但大部分企业实际熟料产量均比设计产量高出10%以上,相对烧成热耗也较高。<<首页123末页>>

四、纯低温余热发电效益测算

1.经济效益

采用国产技术与装备纯低温余热发电项目投资,每千瓦装机约6500~7000元左右。纯低温余热发电的供电成本通常在0.12~0.16元/kWh之间(其中折旧费占37%-39%,维修费占25%-28%,其他费用占18%~22%)。外购电价与供电成本的差价就是效益。余热发电的供电可满足水泥生产用电的三分之一到四分之一,吨水泥成本可降低l2~15元。投资回收期在3~4年之间。

根据中国建材联合会信息部统计,2008年建材企业电力购进价格平均比2007年上涨4分钱,即电力购进价格平均为0.63元/kWh。余热发电的供电成本平均按0.14元计算,每度电的利润为0.49元。

2008年余热发电创造的经济效益可以按装机容量和吨熟料余热发电量两种方法进行计算。若2008年投运的机组能力发挥率按30%计算,机组的运转率按7000小时计算,2008年余热发电量为71亿kWh,创造的经济效益为34.8亿元;若吨熟料余热发电量按36 kWh计算,2008年投运的发电机组相对应熟料生产能力的发挥率仍按30%计算,熟料生产能力为l7947万吨,发电量为64.7亿kWh,创造的经济效益为31.7亿元。

按第一种方法计算,机组实际运转率高于7000小时,一般发电机组和水泥窑运转率基本相当,可达到7400小时左右;按第二种方法计算,熟料实际生产能力超过设计能力l0%左右,所取的熟料值偏低,但吨熟料实际发电量平均达不到36 kWh。综合各种因素,2008年余热发电创造的经济效益为33亿元不会太离谱。

截止2008年11月水泥全行业利润总额为270亿元,预计全年利润总额285亿元。余热发电创造的经济效益占全行业利润总额的11.6%。

2.CDM效益

利用清洁发展机制项目(CDM)企业可获得额外的收入,例如一条5000t/d生产线配套建设9MW余热发电机组,每年约减排2万多吨的CO2,按目前国际平均价格l0欧元计,每年可给企业增收约150~200万元人民币。

截止2008年11月26日,国家发改委审批的CDM项目共1749个,其中水泥项目123个,共减排1771万吨CO2。目前约有20个项目获EB审批,减排29万吨CO2。按交易价格10美元计算,每年给行业增收2200万元人民币左右,这个数目每年会成倍增长。

3.环境效益

纯低温余热发电的余热锅炉的降尘作用及窑头冷却机余热锅炉炉前配置的预除尘装置,进一步提高了收尘效果,具有一定的减排作用。经计算5000t/d规模窑头余热锅炉减排粉尘约为50.05t/a,窑尾余热锅炉减排粉尘为11.45t/a,合计每年减排粉尘为61.50t。也就是说9MW机组的两台锅炉的降尘作用,使水泥窑年减排粉尘为61.50t。由此推算,2008年因余热发电的投运,使水泥窑废气粉尘排放量年减少了11357t。

水泥窑利用余热发电满足生产线部分供电需求,相当于减少了燃煤发电量,等于减少了燃煤产生的SO2、CO2、NOx等有害气体对大气的污染。2008年水泥行业利用余热发电量按71亿kWh计,火力发电按360gce/kWh计,水泥行业余热发电相当减排CO2665万吨;利用废气经余热锅炉进行热交换后,排入大气的温度大幅度降低,从而减小了对周围环境的热污染。

五、余越发电市场潜力

据初步统计,截止2008年底,已投产的新型干法熟料生产线为909条,熟料生产能力为74101万吨。其中,2008年投产的生产线为107条,熟料生产能力为12843万吨。截止2008年底,安装余热发电机组的生产线263条,另有3条生产线供热和制冷,总计利用废热的生产线为266条。

“十一五”期间是新型干法熟料生产线发展最快时期,也是余热发电发展最快时期。预计2009年投产的熟料生产线仍为100条左右,2010年有50条左右,届时投产的新型干法熟料生产线预计为1050条左右,熟料生产能力为8.6亿吨左右。这两年投运电站的生产线每年按250条计,届时投运电站的生产线预计为760余条,装机容量达到5200MW。水泥余热发电装机相当于1.9个葛洲坝电站的总装机容量。

新型干法熟料生产线中约有200条左右不宜配套建设余热电站,有100条熟料生产线建设余热电站的任务将在“十二五”完成。“十二五”期间,新型干法熟料生产线和余热发电建设高峰已经过去。但是,随着余热发电技术装备的不断创新,水平不断提高,老机组的技术改造任务将不断增多,余热利用的方式和用途也不断增多,届时不宜建设余热发电的生产线将会找到自己的用武之地,余热利用仍然有一定潜在市场。

值得关注的是国际水泥余热发电市场,除日本和我国台湾以外,其他国家水泥余热发电的普及率并不高,我国水泥余热发电打入国际市场才刚刚起步,努力开拓国际市场,必然会带来丰厚的收益,同时为保护地球做出贡献。

近年来提供水泥余热发电技术的设计公司,在废热利用上创新了技术,积累了经验,服务对象不应只是水泥行业。中材节能在钢铁、化工、焦炭行业均承担了余热利用电站的建设;杭州中科节能利用玻璃窑炉余热、垃圾废气进行发电亦承担了很多项目。行业外市场潜力很大,是值得大力开发的市场。

六、余热发电建设存在问题及建议

1.行业自身问题

企业为追求发电效益,要求技术供应方(设计单位)尽量提高发电量,并以吨熟料发电量指标的高低确定合作方。设计单位为迎合企业的意愿,在废气取气点上做文章,其途径和手段是和三次风争风或获取其它水泥生产用的高温气体。这种做法虽然可以提高一些发电量,但是造成单位熟料热耗随之提高。

目前吨熟料发电量大多数在35~38kWh/t-cl之间,与理论计算值38~42kWh/t-cl还有较大的差距,应进一步研究提高纯低温余热发电系统热效率的途径和措施,在不增加熟料单位热耗的前提下,谋求从篦冷机、预热器和窑头胴体等处获取少量高温气体来提高吨熟料余热发电能力,进一步提升余热发电技术水平,提高余热发电系统热效率。

利用余热的方式均集中在余热发电上,欠缺对余热利用的其他方式的研究,造成所有生产线的佘热利用,不管规模大小,都拥挤在一条通道上。企业可以根据自身实际情况,择优选择利用废热方式,供气、供暖、制冷、烘干、出售等。

2.政策问题

2006年国家发改委发文要求,新建新型干法水泥生产线同时配套建设余热发电。据此重庆市政府要求,新建新型干法水泥生产线,都要同时配套建设佘热发电装置,否则不予批准。这种绝对的要求,其实欠科学和合理。余热发电是利用窑头和窑尾的废热,锅炉和发电机组的选择是根据废气量和温度量身定制的。扩建生产线时,可参照原生产线运行情况和热工标定资料,完全新建只能参照同规模生产线进行确定,由于设备选型、原燃料条件、管理水平的不同,可能造成不匹配,影响效率的发挥。何时建设余热发电不应一刀切,由企业视具体情况而定更科学。

水泥余热发电是非常有效的节能减排途径,因此国家给予节能财政奖励。但是2006年以后建设的生产线配套余热发电,其节能不予奖励,在政策上有失公允。

有些省份相关政府主管部门,担心企业变相用煤发电,规定按企业生产线规模批准发电机组装机容量,但是有些早期投产的生产线窑头、窑尾废气温度较高由于装机容量不足,造成废气利用率不高。

水泥余热发电是我国十大节能工程之一。水泥厂余热发电原则是并网不上网,所发电量全部自用。目前水泥厂余热发电并网仍然是老大难问题,有的企业甚至将并网问题反映到省长,依然得不到解决。此问题基本上可以定性为普遍存在的问题。国家发改委应统筹协调解决,制定余热发电并网(审批、管理费、优惠政策等)管理办法。

为规范水泥厂余热发电的设计工作,《水泥工厂纯低温余热发电设计规范》正在编制之中,针对业内以吨熟料发电量评价发电技术的现象,还应抓紧编制余热发电技术评价方法与标准。

(中国水泥网 转载请注明出处)

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