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邵俊:低碳经济下的水泥窑余热发电技术发展

发布时间:2011-07-06

中国水泥网CEO邵俊在会上做题为《低碳经济下的水泥窑余热发电技术发展》的报告

  12月11日上午,由中国能源环境科技协会主办的“余热回收再利用技术与产业发展研讨会”在杭州召开。会议齐聚了行业权威专家,业内知名企业负责人,专业技术人员等,旨在推动余热产业发展,交流余热再利用技术与经验,探讨我国政策环境和发展战略。中国水泥网CEO邵俊受邀参加会议并做了题为《低碳经济下的水泥窑余热发电技术发展》的报告,内容整理如下:

  一、水泥低碳时代已经到来!

  2009年11月26日哥本哈根会议召开前夕,中国政府正式对外宣布控制温室气体排放的行动目标,决定到2020年,单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%—45%,并将其作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。

  从长期来看,中国发展低碳经济是必然的选择。但是,低碳经济转型过程中,也会带来巨大的社会成本。由于中国经济发展处于城市化和工业化背景下相对较高碳密度的重工业主导阶段、能源资源以高碳的煤为主等多方面现实原因,中国的碳排放总量还是会呈现上升的趋势。

  水泥行业作为高耗能、高排放产业之一,二氧化碳排放量占人类活动制造的二氧化碳总量的5%,势必会感受到减排带来的压力。作为总产能已经达到了全世界的50%中国水泥行业,纯低温余热发电技术就是减排二氧化碳的有效方式之一。“作为水泥行业,节能减排、循环经济、低碳环保反复讲了很多年,但我觉得其中最主要、最简单可行的就是纯低温余热发电技术。”邵俊简洁明了地说。

  二、余热发电技术在水泥行业的应用现状

  水泥行业里的余热利用已有相当长的发展过程,主要可以分为四个阶段:

  第一阶段为1953年至1989年。这30多年的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。我国水泥行业参照上世纪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。总计投运了约290条中空窑余热发电系统,形成了不同蒸汽参数、余热锅炉形式、装机容量的高温余热发电窑系统,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实践基础。

  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》,此项技术的研究、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。其间的主要工作是推广、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》。截至2005年年底,国内有23个水泥厂36条1000t/d~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,我国水泥行业分别于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。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2MW、3MW、6MW、7MW的纯低温余热电站。

  第四阶段为2005年以后。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。随着纯低温余热电站投入运行数量的增多,运行情况反过来指导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,也给我国这项技术达到世界先进水平提供了机遇。  

历年投入运行的低温余热电站

 

年 度

生产线(条)

装机容量(KW)

机组(台)

熟料产能(万吨/年)

2006年前

13

62980

13

1168.7

2006

30

160000

26

2923.3

2007

58

387600

45

7390.4

2008

152

1001500

109

17019.62

2009

245

1704804

204

29600.35

 

来源:中国水泥协会

国外水泥余热发电工程投运情况

 

国家

生产线(条)

机组(台)

装机容量(MW)

熟料产能(万吨/年)

泰国

13

9

142.1

2434

巴基斯坦

7

3

35.6

794

印度

5

2

16.5

477

越南

1

1

4.5

78

菲律宾

1

1

4.5

78

合计

27

16

203.2

3861

 

来源:中国水泥协会

 

  纯低温余热发电技术的经济效益

  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元~7000元左右。纯低温余热发电的供电成本通常在0.12元/kWh~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1/4~1/3的需求,吨水泥成本可降低12元~15元。投资回收期在3年~4年之间。

  余热发电行业的市场前景

  低温余热发电一般适合装置在日产2000吨熟料及其以上规模的生产线上。除特殊情况外,日产2000吨熟料以下规模生产线上装置低温余热发电不经济,目前这些小规模新型干法生产线已开始逐步淘汰。按此计算,截止2009年底,已有498条生产线配备余热电站,除去日产2000吨以下不适合配备的生产线之外,还至少有271条水泥生产线需要配备余热电站。

  到2010年11月,已有140多条新型干法水泥生产线投产。今明两年,预计还将有约250条新型干法线投产。因此,近几年内,余热发电项目还有较大的增长空间,特别是在中西部地区,比如:云南省目前新型干法水泥生产线有70多条,占到全省水泥生产线的70%以上,而配套余热发电的只有7条线;贵州省目前只有贵州科特林水泥有限公司等4家企业已建成投产,3家企业年内可建成发电。

  纯低温余热发电技术受到国家产业政策支持

  余热余压利用工程在《节能中长期专项规划》中被列入十项重点节能工程之一。“十一五”期间在日产2000吨以上水泥生产线建设中低温余热发电装置每年30套,形成年节能300万吨标准煤;通过地面煤层气开发及地面采空区、废弃矿井和井下瓦斯抽放,瓦斯气年利用量达到10亿立方米,相当于年节约135万吨标准煤。

  在2006年公布的《水泥工业产业发展政策》第八条里提到:国家鼓励和支持企业发展循环经济,新型干法窑系统废气余热要进行回收利用,鼓励采用纯低温废气余热发电。

  最近公布的《水泥行业准入条件》中提到:鼓励对现有水泥(熟料)生产线进行低温余热发电、粉磨系统节能、变频调速和以消纳城市生活垃圾、污泥、工业废弃物可替代原料、燃料等节能减排的技术改造投资项目。新建水泥(熟料)生产线要配置纯低温余热发电。

  三、水泥纯低温余热发电的发展趋势

  1、从建设高峰期走向维护高峰期

  纯低温余热发电技术的推广时间不算长,主要是从2005年起,才开始在水泥行业里得到推广,现在已经是遍地开花,成为水泥企业在生产线上的标准配置。但随着国家产业政策的调整,新建生产线的空间越来越小,相应的,纯低温余热发电项目的建设高峰期也将很快过去,开始进入稳定运行和维护期。

  同时,也因为技术发展相当快,随着运行时间的逐步增长,最初建设的一些纯低温余热发电项目也暴露出了一些问题,比如不能将水泥工艺与余热发电真正地结合起来,导致煤耗、电耗升高,熟料产量下降。因此,解决余热发电在运行中遇到的各类问题,深入探讨生产线运转效率和发电量之间的关系,成为水泥企业的关注焦点。总结起来,问题大致可以分为以下几点——

  问题之一:尽管目前水泥窑纯低温余热发电项目的建设相当普及,但是经过几年时间的运行,一部分余热发电机组已经开始出现了运行故障、发电效率降低等问题,接下去或许就将面临大批量的项目维修、技术改进工作。

  问题之二:还存在着很多余热发电项目实际运行功率往往达不到装机功率的普遍问题,或是设计单位为了保险,余热发电设计较为保守,导致吨熟料发电量上不去。

  问题之三:水泥价格比较低的情况下,一些企业为了追求发电量,牺牲熟料热耗。

  问题之四:水泥厂余热发电原则是并网不上网,所发电量全部自用。但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给省长,仍得不到解决。

  问题之五:水泥窑应用纯低温余热发电技术,在前几年还可以获得CDM项目的额外收益。但随着该技术的不断普及,申请CDM项目越来越困难。同时,哥本哈根会议的失败令CDM行业的前途更加艰难。现有的CDM各项制度政策皆是根据《京都议定书》制定的。CDM执行的最终结果是节能减排、依靠发达国家购买碳信用额来推动项目发展,因此包括中介机构、业主、买家在内的各方都在关注哥本哈根会议的动态和成果。但哥本哈根会议最终匆匆闭幕,大会并没有形成任何实质性的决议,即将于三年后到期的《京都议定书》中的减排协议面临着无路可走、无法可依的状况,对新的减排协议充满期待的各方仍将面临未来发展的不确定。

  此外,据业内人士介绍,水泥行业余热发电行业目前还普遍存在着诸如:电站建设不按电力行业法规实施,不能持久运行、设备可用率不高;过分强调经济效益、低成本,同样设备采购没有按照电力部门规范采购,产品质量参差不齐;项目运营操作管理者不够专业,项目操作维护不够科学合理等等的问题。

  中国水泥行业余热发电技术如何从量的增长转向质的飞跃,是值得关注的问题。

  2、非水工质的余热发电技术研究

  朗肯循环是传统水泥窑纯低温余热发电所采用的技术,一般都是以水为介质,已经被水泥行业普遍采用。

  低温有机朗肯循环(ORC),与水蒸汽工质的朗肯循环相比,具有如下优点:对于<370℃的余热能源,有机工质的朗肯循环热效率高;低沸点工质在较低温度下获得高压力的初蒸汽;冷凝压力高,泄漏小;常压凝固点低,利于系统低温运行;无需过热设备,透平出口乏汽非湿蒸汽,对透平腐蚀小;系统简单、紧凑,维护成本低。

 

 

温度范围

目前用途

高温

>450℃

工艺节能热能梯级利用

直接驱动蒸汽轮机或燃气轮机带动发电机组发电

中温

230℃ ~450℃

低温

<230℃

废弃/有机朗肯循环发电系统

 

  上海盛合新能源公司引进的卡琳娜循环系统是另外一种利用氨和水混合物作为工作介质的新颖的、高效的动力循环系统。氨-水混合物无固定沸点、物理特性随氨浓度变化和热容量不随温度变化的特性使卡琳娜循环效率大幅提高;实现朗肯循环无法实现的低温余热热电转换;理论上推断,通过采用卡琳娜循环技术,水泥余热发电项目在热源参数不变的情况下,可以将输出电功率提高到9000kw,发电的吨熟料发电量创下86.4 kwh之高,但至今还未在实际项目上应用过。

  目前,盛合公司正在将该技术应用于贵州泰安水泥3200t/d生产线的余热发电项目上,热工标定已经完成,根据生产线工况条件情况,采用朗肯-卡琳娜联合循环技术。试验成功之后,有计划将在其7500t/d生产线上使用卡琳娜循环技术。另外,中材节能发展有限公司也在对卡琳娜循环系统进行研究。

   3、多元化

  纯低温余热发电技术的发展,也使国内相关设计和装备企业有了长足的发展,不仅在水泥行业,在钢铁、化工、玻璃、炼焦、碳素等其他高能耗领域也开始应用。目前,南玻集团(成都)12MW余热发电项目是国内装机容量(单机)最大的玻璃窑余热发电工程。

  4、国际化

  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。目前,中材节能、海螺川崎、大连易世达、中信重工、阳光基业、合肥院等相继承接了国外水泥余热发电工程。在印度、巴基斯坦、菲律宾、越南、埃及、希腊、韩国、马来西亚等国家均承接或洽谈了余热发电工程。拉法基、海德堡等知名水泥公司在国外建厂,均选择中国企业承担建设余热发电系统。以印度为例,截止到2008 年底,印度国内有水泥生产线约600 条,水泥产量1.6 亿吨,仅为中国的10%~15% ,但其人口在10 亿以上,人均水泥使用量仅为中国人均水泥使用量的十分之一,市场潜力非常巨大。根据印度同行预计,到2011 年,印度国内水泥产量将增长到3.8亿吨。印度基本上全部是新型干法生产线,均可以实施余热发电。我国水泥余热发电设计、施工等相关企业只要不断开拓,市场前景非常看好。

  但要注意的是,建设纯低温余热发电项目,还要考虑当地电价因素。目前,欧美水泥企业很少有采用纯低温余热发电的,原因就在于发电不如买电经济。

  我国火电厂的发电效率平均约35%,远低于美国的55%,西欧和北欧的56%,发达国家现今普遍应用超超临界发电技术,而我国还有25%左右的落后电厂,电价很贵。以美国为例,其电价约为4美分/kWh,水泥售价约为90美元/t;而我国电价超过0.6元/kWh,水泥不到300元/t。电价与水泥价之比值,我国是美国的5倍,欧盟的4.5倍。因而在欧美,水泥窑余热发电如果不能达到吨熟料55kWh~60kWh以上的话,水泥厂就不会采用,否则还不如买电更经济。

  此外,国外一些水泥生产线项目采用六级预热器,这样,废气热量依靠窑系统本身就能充分利用,余热温度非常低了,也就无法再配套余热电站。

  余热发电行业的高速发展也为设计、总包企业、装备生产等相关企业带来契机。例如,通过短短的几年发展,易世达(300125)于今年10月登陆创业板。公司预计全年业绩增长73%至99%。中材节能也正在为上市做积极准备。

  四、中国水泥网在纯低温余热发电上的推动

  自2005年以来,中国水泥网已成功举办了六届纯低温余热发电峰会,组织行业内相关设计单位、装备企业对该技术进行全方位的探讨,极大地推动了纯低温余热发电在水泥行业里的普及和应用。而通过每一届会议的关注焦点,我们也可以看出水泥窑余热发电技术在过去几年的发展历程:

  [2005.03 杭州] 第一届水泥纯低温余热发电峰会:当时只有几条生产线配备余热电站,而且基本采用进口技术,行业处于探索和推广阶段

  [2006.05 杭州] 第二届全国新型干法水泥窑纯低温余热发电现场交流会:水泥企业开始逐步应用国产技术和装备

  [2007.04 杭州] 第三届水泥纯低温余热发电峰会:余热发电技术开始普及,广泛应用,并深入探讨运行指标和投资方式及回报等,CDM也成为热议话题

  [2008.03 杭州] 第四届水泥纯低温余热发电峰会:探讨技术的成熟使用

  [2009.03 上海] 第五届纯低温余热发电国际峰会:主题是成熟化、多元化。不仅仅是水泥行业,其他行业也开始逐步应用余热发电

  [2010.03 上海] 第六届余热发电国际峰会:去掉了“纯低温”,讨论的范围更为广泛

  此外,中国水泥网在组织过多次纯低温余热发电峰会的基础上,会同行业研发单位和水泥企业开展纯低温余热发电实践的基础上,编辑出版了《水泥窑纯低温余热发电技术大全》一书。

  该书全面介绍了水泥窑纯低温余热发电技术的发展过程、技术特点、技术装备、技术标准、操作规程、故障处理、政策法规等内容,帮助水泥企业解决设计、安装、维护、管理、升级改造等诸多方面的疑难问题,力争成为新型干法水泥企业必备的一本工具书。

  该书于2009年3月出版问世,并在短短五个月内销售一空。应广大水泥企业要求,中国水泥网协同各章节作者对本书内容加以修正完善,在今年3月举行的第六届纯低温余热发电国际峰会上,《水泥窑纯低温余热发电技术大全》修订版也同步问世。

  五、未来我国水泥工业展望

  大企业还需要继续加强兼并重组,做大做强,提高产业集中度和资源配置效率。围绕低碳经济的发展要求继续做好水泥工业的纯低温余热发电等节能减排工作,同时,必须加快淘汰落后水泥产能。在国家积极的财政政策和货币政策影响下,投资拉动下水泥需求有所保障,水泥市场需求继续保持高位,但预计总量增速会有所回落。中国的水泥产量占世界的50%,因水泥生产而产生的CO2排放也就占世界水泥排放量的50%。中国政府已郑重承诺,到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%。在完成政府向国际社会做出的减排承诺指标的落实中,水泥工业将面临新的挑战。

(转自 中国水泥网)