水泥窯純低溫余熱發(fā)電有機(jī)工質(zhì)循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用探討

關(guān)鍵詞：水泥窯 純低溫余熱發(fā)電 有機(jī)工質(zhì) 有機(jī)熱載體

1 前言

　　水泥生產(chǎn)工藝，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是“兩磨一燒”，即把石灰石等原料組成的生料先進(jìn)行初步粉磨，然后在窯內(nèi)進(jìn)行煅燒，燒成的熟料再添加復(fù)合材料進(jìn)行粉磨，形成了水泥。因此水泥工業(yè)是一個(gè)高能耗和高電耗的產(chǎn)業(yè)。我國(guó)的水泥工業(yè)基本上是從50年代初期開(kāi)始起步的，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展以及國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)投入不斷加大，我國(guó)水泥工業(yè)的建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，水泥的生產(chǎn)形式由立窯轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)窯，建設(shè)規(guī)模由100t/d、300t/d發(fā)展到5000t/d、8000t/d及10000t/d，水泥燃料熱耗也由原來(lái)的4600～6700kJ/kg降低到3000～3600kJ/kg。但即使如此，我國(guó)目前最先進(jìn)的水泥生產(chǎn)工藝仍然有大量的350℃以下的低溫余熱不能被充分利用，其浪費(fèi)的熱量約占總輸入熱量的1/3左右。隨著水泥生產(chǎn)規(guī)模的加大，其造成的熱量浪費(fèi)更加驚人。并且最先進(jìn)的水泥生產(chǎn)工藝其生產(chǎn)電耗仍居高不下，大約為105～110kWh/t_水泥熟料，水泥生產(chǎn)成本僅電費(fèi)一項(xiàng)就達(dá)40～50元/t，約占總成本的1/3。因此，回收水泥生產(chǎn)工藝過(guò)程中的余熱，用來(lái)發(fā)電并且回用于水泥生產(chǎn)本身，具有很現(xiàn)實(shí)的節(jié)能意義。

2 目前水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

　　2.1 水泥窯可利用的余熱參數(shù)

　　水泥生產(chǎn)工藝本身也在不斷進(jìn)行節(jié)能降耗的工作，比如在生料進(jìn)回轉(zhuǎn)窯之前加裝預(yù)熱器，利用水泥煅燒后的高溫?zé)煔膺M(jìn)行生料的預(yù)加熱或預(yù)分解，從而降低排煙溫度降低熱損失。目前預(yù)熱器普遍由過(guò)去的4級(jí)加到了5級(jí)，因此廢氣溫度比過(guò)去有所降低。在這種情況下，從水泥窯窯尾預(yù)熱器出口排出的煙氣參數(shù)為：

　　風(fēng)量：1.4～1.6m³(標(biāo))/kg_水泥熟料
　　溫度：330℃
　　含塵：65g/m³(標(biāo))

　　從窯頭冷卻機(jī)排出的廢氣參數(shù)為：
　　窯頭：1.1～1.3m³(標(biāo))/kg_水泥熟料
　　溫度：220℃
　　含塵：10g/ m³(標(biāo))

　　不同產(chǎn)量的水泥窯具有不同的余熱保有量。

　　2.2 帶補(bǔ)燃的資源綜合利用發(fā)電系統(tǒng)

　　資源的綜合利用，是我國(guó)的一項(xiàng)長(zhǎng)期的重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，也是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略方針，對(duì)于節(jié)約資源、改善環(huán)境狀況、提高經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

　　水泥生產(chǎn)過(guò)程中，有大量的余熱產(chǎn)生，并且高電耗，另外還需購(gòu)買(mǎi)大量的灰渣作為復(fù)合材。而國(guó)家目前鼓勵(lì)煤矸石的綜合利用，并且非常重視環(huán)境保護(hù)。在這些前提下，建設(shè)充分利用水泥窯余熱，再加上適當(dāng)?shù)难a(bǔ)燃，燃用熱值小于12550kJ/kg煤矸石的資源綜合利用電站，具有重要的資源綜合利用意義：這樣的電站建成后，水泥窯的余熱可全部回收，補(bǔ)燃鍋爐可處理掉當(dāng)?shù)氐拇罅康拿喉肥?，補(bǔ)燃鍋爐產(chǎn)生的灰、渣可全部回用于水泥生產(chǎn)，做到零排放，電站發(fā)出的電可直接供給工廠使用，降低了輸配電的線損。在大幅度降低水泥生產(chǎn)成本的同時(shí)也為國(guó)家節(jié)約了能源，保護(hù)了環(huán)境，經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益均很顯著，為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略作出了努力。

　　為貫徹《國(guó)務(wù)院批轉(zhuǎn)國(guó)家經(jīng)貿(mào)委等部門(mén)關(guān)于進(jìn)一步開(kāi)展資源綜合利用意見(jiàn)的通知》（國(guó)發(fā)[1996] 36號(hào)）等文件的精神，國(guó)家經(jīng)貿(mào)委于二○○○年七月下發(fā)了“關(guān)于印發(fā)《資源綜合利用電廠（機(jī)組）認(rèn)定管理辦法》的通知”，該辦法適用于全國(guó)所有的資源綜合利用電廠（機(jī)組）。該管理辦法中明確指出：資源綜合利用電廠（機(jī)組）是指利用余熱、余壓、城市垃圾、煤矸石（石煤、油母頁(yè)巖）、煤泥……等低熱值燃料生產(chǎn)電力、熱力的企業(yè)單位。該管理辦法進(jìn)一步明確指出：申報(bào)資源綜合利用電廠，必須具備①機(jī)組單機(jī)容量在500kW及以上，機(jī)組設(shè)備沒(méi)有超期服役或淘汰，②發(fā)供電質(zhì)量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，燃料屬于就近利用，③對(duì)廢棄物采取綜合利用措施，污染物實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放……。對(duì)于以煤矸石、煤泥作為燃料的資源綜合利用電廠，必須燃用煤矸石為主，且入爐燃料的低位發(fā)熱量不大于12550千焦/千克，必須使用循環(huán)流化床鍋爐，當(dāng)燃料應(yīng)用基含硫量超過(guò)1％時(shí)，應(yīng)采取脫硫措施；對(duì)于以工業(yè)余熱、余壓為工質(zhì)的資源綜合利用電廠，應(yīng)依據(jù)產(chǎn)生余熱、余壓的品質(zhì)和余熱量或生產(chǎn)工藝耗汽量和可利用的工質(zhì)參數(shù)確定工業(yè)余熱、余壓電廠的裝機(jī)容量，并且特別是指回收利用工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的可利用的熱能及壓差進(jìn)行發(fā)電的企業(yè)。

　　建設(shè)此類(lèi)電站，需在窯頭預(yù)熱器塔架旁以及窯頭冷卻機(jī)旁加設(shè)余熱鍋爐，余熱鍋爐與水泥窯的相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)圖1，電站的原則性熱力配置見(jiàn)圖2。

圖1 相對(duì)位置關(guān)系圖

圖2 帶補(bǔ)燃的資源綜合利用發(fā)電原則性熱力系統(tǒng)圖

　　這類(lèi)電站的建設(shè)投產(chǎn)，的確給水泥廠帶來(lái)了諸多好處。但是在運(yùn)行中，也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，如：

　　在運(yùn)行中，缺少必要的監(jiān)督，設(shè)計(jì)煤種為煤矸石，但是在實(shí)際運(yùn)行中，煤種的變化范圍很大，劣質(zhì)煤、好煤都可能使用。

　　余熱回收系統(tǒng)，因其操作要配合水泥生產(chǎn)進(jìn)行，操作上比一般電廠復(fù)雜。并且水泥廠在余熱回收方面沒(méi)能建立適當(dāng)?shù)墓膭?lì)措施，因此帶來(lái)余熱投入率低于設(shè)計(jì)值。

　　這類(lèi)電站的建立實(shí)際上在降低了水泥廠生產(chǎn)成本的同時(shí)，也減少了電力系統(tǒng)的收入，因此在目前的體制下，此類(lèi)電站在一定程度上受到了有關(guān)部門(mén)的抵制。

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　　2.3 目前的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)

　　相對(duì)于補(bǔ)燃電站，純余熱電站不燒煤，不增加新的煙氣排放點(diǎn)。更減少了煤制備車(chē)間的噪聲的產(chǎn)生，因此具有更好的環(huán)保效果。但是純低溫余熱發(fā)電受到了余熱品位和余熱量的制約。目前國(guó)內(nèi)純低溫余熱發(fā)電電站均為帶四級(jí)預(yù)熱器的水泥窯建設(shè)。因?yàn)閹募?jí)預(yù)熱器的水泥窯余熱品位及余熱保有量比五級(jí)好。目前帶帶五級(jí)預(yù)熱器的5000t/d水泥線大約僅具有7000多kW的發(fā)電能力。

　　根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的裝備及技術(shù)水平，結(jié)合余熱的實(shí)際情況，目前國(guó)內(nèi)的純低溫余熱電站采用了特殊的設(shè)備，如汽輪機(jī)采用了凝汽補(bǔ)汽式汽輪機(jī)：其主進(jìn)汽參數(shù)為1.27MPa－290℃，補(bǔ)汽參數(shù)為0.15MPa－125℃。主進(jìn)汽由窯尾余熱鍋爐生產(chǎn)，窯頭余熱鍋爐生產(chǎn)汽輪機(jī)補(bǔ)汽以及除氧用蒸汽。余熱回收設(shè)備采用立式余熱鍋爐。

　　為四級(jí)預(yù)熱器水泥窯設(shè)計(jì)的國(guó)產(chǎn)純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)原則性熱力系統(tǒng)圖見(jiàn)圖3。

圖3 國(guó)產(chǎn)純余熱機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)圖

　　帶五級(jí)預(yù)熱器的水泥生產(chǎn)線因其窯尾廢氣溫度僅有330℃左右，溫壓低而難以生產(chǎn)300℃以上的蒸汽。但這部分余熱尤其對(duì)于5000t/d至10000t/d的水泥生產(chǎn)線來(lái)講，仍然有非常大的回收價(jià)值，因此必須想新的辦法。

3 以有機(jī)工質(zhì)和導(dǎo)熱油為循環(huán)工質(zhì)的純低溫發(fā)電系統(tǒng)

　　3.1 主機(jī)設(shè)備的選取

　　提到使用有機(jī)工質(zhì)的透平機(jī)組以及低溫余熱利用，人們會(huì)想到我國(guó)西藏的羊八井地?zé)犭娬尽Ｑ虬司ㄆ鸬牡谝慌_(tái)1300千瓦的地?zé)岚l(fā)電試驗(yàn)機(jī)組，是以色列供貨設(shè)備，循環(huán)工質(zhì)為有機(jī)烷類(lèi)，以異戊烷最常用。異戊烷一般為無(wú)色液體，能與醚、烴類(lèi)和油類(lèi)任意混溶，難溶于醇，不溶于水，沸點(diǎn)為36℃。用異戊烷作工質(zhì)的透平機(jī)組有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　①．有機(jī)工質(zhì)沸點(diǎn)低，易產(chǎn)生蒸汽，因此可以回收低溫余熱。
　?、冢袡C(jī)工質(zhì)蒸汽密度比水蒸汽密度大得多，因此透平機(jī)轉(zhuǎn)速可降低，效率高，體積小。
　?、郏淠龎毫咏蛏源笥诖髿鈮海べ|(zhì)泄漏小。
　?、埽袡C(jī)工質(zhì)耐低溫，不受冰凍的影響。
　?、荩捎谵D(zhuǎn)速低，因此噪聲小。
　?、蓿到y(tǒng)的工作壓力低，約1.5MPa。
　　⑦．無(wú)濕蒸汽產(chǎn)生，始終保持干燥，不受腐蝕，透平壽命長(zhǎng)。

　　因此純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)可嘗試選用此類(lèi)型透平機(jī)組。

　　近20多年來(lái)，以導(dǎo)熱油為熱載體的間接供熱技術(shù)，在石油、化工、紡織、制藥、橡膠等行業(yè)得到了發(fā)展和日益廣泛的應(yīng)用。

　　導(dǎo)熱油是一種良好的有機(jī)熱載體傳熱介質(zhì)，具有較高的熱容量和較低粘度，在常壓下導(dǎo)熱油的初餾點(diǎn)比水的蒸發(fā)溫度要高出數(shù)倍。高溫導(dǎo)熱油在300℃的條件下仍不氣化而保持常壓，此時(shí)飽和壓力的水蒸汽已高達(dá)8.5MPa。因此在中、高溫傳熱的條件下，用導(dǎo)熱油代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水蒸汽熱載體，就能以低壓管道系統(tǒng)代替高壓管道系統(tǒng)?？山档凸艿赖耐顿Y，使運(yùn)行的安全性和可靠性得到保障。此外導(dǎo)熱油還具有傳熱均勻，熱穩(wěn)定性好以及優(yōu)良的導(dǎo)熱特性。例如在100℃時(shí)，飽和水蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)為0.0237W/(m.℃)，而Mobiltherm 605#導(dǎo)熱油在100℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.127W/(m.℃)，是水蒸汽的5.35倍，傳輸距離遠(yuǎn)、熱損失小，能在多種不同溫度下獲得熱量。導(dǎo)熱油對(duì)普通的碳鋼設(shè)備和管道基本上無(wú)腐蝕作用，不需要采用類(lèi)似蒸汽系統(tǒng)的給水脫鹽、除氧等復(fù)雜的處理過(guò)程，因此具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單輸送方便等優(yōu)點(diǎn)。因此用導(dǎo)熱油作工質(zhì)的機(jī)組傳熱效率高。

　　因此純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)可嘗試選用此類(lèi)型余熱鍋爐。

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3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　透平機(jī)組配置發(fā)電機(jī)、冷凝器、循環(huán)工質(zhì)泵、蒸發(fā)器以及工質(zhì)補(bǔ)充系統(tǒng)、空壓系統(tǒng)、氮?dú)庀到y(tǒng)、和冷卻系統(tǒng)。余熱鍋爐生產(chǎn)的熱介質(zhì)在蒸發(fā)器里與透平循環(huán)工質(zhì)異戊烷換熱。工質(zhì)蒸發(fā)后進(jìn)入透平作功，作功后的異戊烷在凝汽器里凝結(jié)成液態(tài)，再通過(guò)工質(zhì)循環(huán)泵進(jìn)入蒸發(fā)器里。透平機(jī)組模塊化設(shè)計(jì)，重量輕，設(shè)備基礎(chǔ)可為整體簡(jiǎn)單基礎(chǔ)，整套機(jī)組可整體露天布置。

　　余熱鍋爐循環(huán)介質(zhì)可采用Mobiltherm 605#導(dǎo)熱油，水泥生產(chǎn)線窯頭和窯尾的余熱可把一定流量的80℃的導(dǎo)熱油加熱到270℃及220℃，兩路熱油混合后一同進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器里換熱后溫度降到80℃再回至窯頭和窯尾的余熱鍋爐。

　　系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)圖如圖4。

圖4 純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

　　3.3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行的保證措施

　　采取如下措施來(lái)保障整套系統(tǒng)能夠經(jīng)濟(jì)、安全的運(yùn)行，具體為：
　　(1) 利用以低沸點(diǎn)異戊烷為工質(zhì)的低溫余熱發(fā)電機(jī)組可充分滿足水泥窯低溫余熱回收的要求。
　　(2) 余熱鍋爐導(dǎo)熱油采用Mobiltherm 605#專(zhuān)用導(dǎo)熱油，其性能指標(biāo)如下：