水泥廠廢熱利用的最新趨勢(shì)

近些年來(lái)，因電價(jià)上漲及環(huán)保需求，水泥廠為減少生產(chǎn)電費(fèi)和CO2排放，興建發(fā)電裝置已成為最新的發(fā)展趨勢(shì)。全世界2009年已投產(chǎn)的廢熱發(fā)電525臺(tái)套，2012年底上升至865臺(tái)套。這些裝備的資金回收時(shí)間一般低于5年，而用CDM款項(xiàng)所建的生產(chǎn)裝備則超過(guò)12年。

廢熱發(fā)電主要有三種方式，即

Rankline蒸汽循環(huán)（常規(guī)蒸汽循環(huán)方式）；

Rankline有機(jī)物循環(huán)（ORC）；

Kalina循環(huán)。

目前，常規(guī)蒸汽循環(huán)方式興建的廢熱發(fā)電裝備占總量的98%，但此方式效率較低，僅為20%～25%（現(xiàn)代大型電廠的效率約60%），ORC采用有機(jī)物循環(huán)，效率高些，而Kalina則更高些。

1 廢熱利用技術(shù)參數(shù)

水泥窯廢熱發(fā)電數(shù)量與窯的生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)，1000t/d熟料裝機(jī)能力大致為1.8～1.9MW（圖1）。

廢熱發(fā)電的裝機(jī)功率與預(yù)熱器級(jí)數(shù)和原料水分有關(guān)，也與廢氣溫度和廢氣量有關(guān)（表1）。

預(yù)熱器廢氣溫度為220～380℃，其中0～100℃溫度段的廢氣無(wú)法利用，100～（150～210℃）溫度段的廢氣用于烘干原料水分，（150～210℃）～（220～380℃）溫度段的廢熱可以利用。

熟料冷卻機(jī)尾部廢氣溫度為250℃，中部抽取為450℃，其中100℃溫度段的廢氣無(wú)法利用，100～（250～450）℃溫度段的廢熱可以用于發(fā)電（圖2）。

表1 窯系統(tǒng)所需熱能

表2 燒成系統(tǒng)可利用廢熱，kJ/kg熟料

圖1 中國(guó)廢熱發(fā)電的裝機(jī)功率范圍

圖2 廢熱發(fā)電溫度范圍

廢熱發(fā)電熱量的計(jì)算情況如下：設(shè)定預(yù)熱器廢氣熱量為670kJ/kg熟料，用于烘干原料和不可利用的熱量為400kJ/kg，可利用的則為270kJ/kg熟料。冷卻機(jī)廢氣熱量為450kJ/kg，不可利用熱量為120kJ/kg，可利用的熱量則為330kJ/kg熟料。預(yù)熱器和冷卻機(jī)不可利用廢氣相加為600kJ/kg。按照25%的廢氣熱量轉(zhuǎn)換為電能為150kJ/kg熟料，折算為41kWh/t熟料。

即：270+330kJ/kg=600kJ/kg×0.25=150kJ/kg，相當(dāng)于41.7kWh/t熟料。

2 市場(chǎng)狀況

2.1 世界廢熱發(fā)電數(shù)量

至2012年，世界廢熱發(fā)電總數(shù)為865臺(tái)套，中國(guó)最多，為739臺(tái)套，其中亞洲（包括中東）為849臺(tái)套，歐美為12臺(tái)套（圖3）。

2.2 中國(guó)廢熱利用狀況

中國(guó)政府部門(mén)制定了支持水泥廠廢熱發(fā)電政策，21

世紀(jì)得以快速發(fā)展，至2012年底，已投入生產(chǎn)線(xiàn)的廢熱發(fā)電裝備為739臺(tái)套（圖4），占世界總量的85.4%。

2012年末，中國(guó)已有985條預(yù)分解窯生產(chǎn)線(xiàn)安裝廢熱發(fā)電，總計(jì)生產(chǎn)能力為1160百萬(wàn)噸熟料，總發(fā)電裝機(jī)功率為6575MW，平均每臺(tái)套為8.9MW。在739臺(tái)套裝備中，766臺(tái)套為常規(guī)蒸汽循環(huán)方式，3臺(tái)套為ORC和循環(huán)。

2008年以來(lái)，新建的廢熱發(fā)電裝置數(shù)量逐年下降，目前60%的預(yù)分解窯已安裝廢熱發(fā)電裝置，未安裝的40%生產(chǎn)線(xiàn)中，估計(jì)僅25%符合安裝要求。也就是說(shuō)，近期投入的新裝備數(shù)量將迅速下降。值得注意的是中國(guó)的有關(guān)設(shè)計(jì)、裝備制造公司廢熱發(fā)電裝備的海外市場(chǎng)在迅速增加，其數(shù)量為2010年7臺(tái)套，2011年上升至17臺(tái)套，2012年總量為19臺(tái)套。

圖3 世界各國(guó)廢熱發(fā)電數(shù)量

圖4 歷年中國(guó)投入生產(chǎn)的廢熱發(fā)電數(shù)量

圖5 采用中國(guó)制造裝備的廢熱發(fā)電投資

3 廢熱發(fā)電的技術(shù)狀況

常規(guī)蒸汽循環(huán)方式通常蒸汽壓力為2.5MPa，廢汽溫度為350～370℃，隨著篦冷機(jī)中部取風(fēng)溫度提高，以及鍋爐效率的增加，現(xiàn)單位熟料裝機(jī)功率可提高至45kWh/t熟料。

有機(jī)物循環(huán)（ORC）工作介質(zhì)為高分子化合物，如硅酮油、碳?xì)浠衔锘蛑评鋭?，這些化合物的揮發(fā)溫度較水低，因而發(fā)電量高些。而Kalina循環(huán)采用水-氨混合作工作介質(zhì)，揮發(fā)溫度更低些，發(fā)電量更高些。上述兩種系統(tǒng)在地?zé)岚l(fā)電站廣泛應(yīng)用，其裝機(jī)功率為1～10MW，但技術(shù)裝備較常規(guī)蒸汽循環(huán)復(fù)雜，因而在水泥工業(yè)推廣受到限制。隨著水泥窯熱耗的進(jìn)一步降低，可用于發(fā)電的廢熱越來(lái)越少，為提高經(jīng)濟(jì)效率，未來(lái)興建的廢熱發(fā)電裝置有可能向這兩種轉(zhuǎn)變。

4 投資情況

不同地區(qū)和國(guó)家的國(guó)情不一，則投資有所差別，采用中國(guó)制造裝備的投資見(jiàn)圖5。如圖5所示，每MW的興建費(fèi)用中國(guó)約0.8歐元，亞洲約10歐元，歐洲為1.3～1.8歐元。

（陳友德摘編自No.6/2013 Z.K.G.）