蒸汽/熱水閃蒸復合發(fā)電技術在水泥窯純低溫余熱發(fā)電項目中的應用

一、 前言
　　蒸汽／熱水閃蒸復合發(fā)電技術是一項能最大限度地回收中、低溫余熱熱能的發(fā)電技術，是國家重點推廣的八項資源節(jié)約綜合利用技術1之一，為國家新型實用技術專利。該項技術的主要特點是綜合利用效果好、適應性強、運行穩(wěn)定、應用領域廣泛。在我國的寧國水泥廠水泥窯余熱發(fā)電項目、海南南山燃氣聯(lián)合循環(huán)項目中，蒸汽／熱水閃蒸復合發(fā)電技術的應用使得這兩個項目獲得了良好的經(jīng)濟效益；在國外（尤其是在日本），該項技術在水泥、冶金、輕工、紡織、化工等行業(yè)中被廣泛應用，在全世界范圍內(nèi)還有數(shù)十家利用地熱溫泉中蘊涵的熱能通過閃蒸技術進行發(fā)電的電廠。
　　華效資源有限公司早于1994年就開始著手蒸汽／熱水閃蒸復合發(fā)電技術的研究，并完成了原國家經(jīng)貿(mào)委的課題：“中低溫余熱利用—蒸汽/熱水閃蒸復合發(fā)電示范工程預可行性研究報告”，并于同年9月通過原國家經(jīng)貿(mào)委的課題評審。2002年1月，華效資源有限公司與海南中海能源南山電廠簽訂專項技術服務合同，將蒸汽／熱水閃蒸復合發(fā)電技術應用到燃氣輪機排氣的余熱發(fā)電工程中，2003年5月該項目投入試運行，實際發(fā)電效率比合同效率高出5%。2004年9月，華效資源有限公司與新礦集團正式簽訂了新礦泰山水泥有限公司的日產(chǎn)7500噸水泥窯余熱發(fā)電項目總承包協(xié)議書，該項目于2004年年底開工，計劃于2005年8月并網(wǎng)發(fā)電。
　　通過多年的實踐與研究，華效資源有限公司積累了豐富的余熱綜合利用實踐經(jīng)驗。本文主要結(jié)合水泥窯余熱資源的特性介紹蒸汽／熱水閃蒸復合發(fā)電技術的原理、特點以及在水泥行業(yè)余熱發(fā)電項目中的優(yōu)勢。
二、 水泥窯中低溫余熱資源特性
　　目前，我國大部分水泥熟料生產(chǎn)線窯尾預熱器（PH）排出的廢氣溫度一般為350℃左右，窯頭空氣冷卻器（AQC）排出的廢氣溫度一般為250℃左右。這些廢氣屬于中低溫余熱資源，為二次能源、中級能，其攜帶的熱能主要包括燃料燃燒產(chǎn)物經(jīng)利用后的排氣顯熱、灰渣及高溫熟料的顯熱、水蒸汽汽化潛熱等部分組成。盡管廢氣中所攜帶的熱量較大，但其火用值2較低，故此對其進行回收利用的難度較大。
　　根據(jù)水泥熟料生產(chǎn)線的工作特點，廢氣排氣量和排氣溫度均不穩(wěn)定，存在一定的波動范圍，窯頭空氣冷卻器（AQC）排氣溫度的波動范圍甚至高達±100℃。導致排氣量和排氣溫度產(chǎn)生波動的原因是多樣的，也是必然的。因此，為保證水泥熟料生產(chǎn)線的安全穩(wěn)定運行，余熱回收發(fā)電系統(tǒng)及主要設備必須要適應排氣量和排氣溫度的大幅度波動特性，并保證在任何工況下都能盡最大限度地回收余熱資源。
　　此外，水泥熟料生產(chǎn)線排出廢氣的粉塵濃度較大且廢氣壓力較低（接近-6000Pa左右）。因此，余熱鍋爐的設計不僅要考慮減少積灰、降低磨損，而且還要解決密封問題，減少漏風損失，提高余熱資源的綜合利用率。
　　上述這些水泥窯中低溫余熱資源特性均對余熱回收發(fā)電系統(tǒng)及各項設備提出了較高的要求。因此，為最大限度地提高余熱資源的綜合利用率，必須針對水泥窯中低溫廢氣的各種特性，提出用蒸汽／熱水閃蒸復合發(fā)電技術的解決方案，使余熱發(fā)電系統(tǒng)更高效、更經(jīng)濟、更環(huán)保、更穩(wěn)定、更安全。
三、 蒸汽／熱水閃蒸復合發(fā)電技術簡介
1、 熱水閃蒸技術
　　水的沸點與壓力一一對應，壓力越高，對應的沸點越高，壓力越低，沸點也越低。高壓熱水或高壓飽和水突然擴容或降壓，則有一部分水會汽化成蒸汽，其加熱熱源來自水中的汽化潛熱。
　　如果以高壓水為工質(zhì)，在余熱鍋爐中將水吸熱升溫后并不汽化，然后在閃蒸器中擴容降壓，產(chǎn)生一定壓力的蒸汽，再讓蒸汽通過汽輪機膨脹作功，發(fā)出電能，這就是“閃蒸發(fā)電系統(tǒng)”。
　　閃蒸技術在世界范圍內(nèi)已得到了廣泛應用，技術相當成熟可靠。主要應用領域包括：
* 冶金、水泥行業(yè)排放的中低溫廢氣余熱綜合利用，通過余熱鍋爐加熱給水，然后通過閃蒸產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電；
* 企業(yè)冷凝水回收余熱利用，通過閃蒸從冷凝水中產(chǎn)生蒸汽用于給水加熱和熱交換；
* 鍋爐排污余熱利用，通過閃蒸從鍋爐排污水中產(chǎn)生蒸汽用于給水加熱和/或熱交換；
* 閃蒸發(fā)電廠，利用地熱溫泉閃蒸產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電。
2、 蒸汽/熱水閃蒸復合發(fā)電技術
　　蒸汽/熱水閃蒸復合發(fā)電技術的最主要特點是：根據(jù)余熱資源的數(shù)量和品位，實現(xiàn)合理的能級匹配，在符合技術經(jīng)濟原則的條件下，有機地將常規(guī)余熱發(fā)電系統(tǒng)和閃蒸系統(tǒng)結(jié)合起來，最大限度地利用余熱資源。
　　蒸汽/熱水閃蒸復合發(fā)電技術主要以200~500℃的低溫廢氣作為加熱熱源，系統(tǒng)設置余熱鍋爐、閃蒸器、汽輪發(fā)電機組等。余熱鍋爐在不補燃的情況下生產(chǎn)出一定溫度壓力的過熱蒸汽及一定量的高溫高壓熱水，高溫高壓熱水通過閃蒸器閃蒸出飽和蒸汽，過熱蒸汽和閃蒸出的飽和蒸汽分別進入汽輪機主進汽口和補汽口作功發(fā)電。
　　-下圖是兩窯四爐一機一級閃蒸水泥余熱發(fā)電綜合利用項目的系統(tǒng)示意圖。

   
　　系統(tǒng)之所以設置閃蒸系統(tǒng)主要考慮提高噸熟料發(fā)電量及適應水泥窯廢氣熱源的不穩(wěn)定性及變工況情況。主要表現(xiàn)如下：
　　a) 閃蒸系統(tǒng)的設置能最大程度地利用余熱資源，增加噸熟料發(fā)電量，綜合利用效果好。
　　對于汽輪機做功而言，蒸汽入口參數(shù)越高，焓降越大，其做功能力也越強，因此要求余熱鍋爐應盡可能提高過熱蒸汽的參數(shù)。然而，根據(jù)傳熱機理，在一定的廢氣參數(shù)條件下，余熱鍋爐能提供蒸汽參數(shù)（流量、溫度、壓力）是相對有限的。換言之，盡管水泥窯熟料生產(chǎn)線排出中低溫廢氣熱源攜帶著較大的熱量，但能用于產(chǎn)生一定參數(shù)的過熱蒸汽所需要的廢氣熱量只占中低溫廢氣熱源所攜帶全部熱量的一部分，還有一部分中低溫廢氣熱源沒有利用。這對于任何余熱發(fā)電系統(tǒng)而言都是相同的。
　　因此，為最大限度地提高余熱資源的利用率，在系統(tǒng)中設置熱水閃蒸系統(tǒng)，余熱鍋爐設置給水加熱低溫段，在不產(chǎn)生受熱面低溫腐蝕的前提下，盡可能降低排煙溫度，最大限度地回收中低溫廢氣熱源沒有被利用的部分，同時使余熱產(chǎn)生大量的熱水在閃蒸器中產(chǎn)生飽和蒸汽。這部分飽和蒸汽即可以直接送至汽輪機低溫段作功，進而提高發(fā)電量，也可以再送回余熱鍋爐用于提高過熱蒸汽的產(chǎn)量。采用此項技術一般可比常規(guī)中低溫余熱發(fā)電技術多發(fā)電10%~30%。
　　下圖是蒸汽/熱水閃蒸復合發(fā)電技術與常規(guī)中低溫余熱發(fā)電技術在余熱綜合利用方面的比較。

   
　　b) 閃蒸系統(tǒng)的設置能很好地適應水泥窯生產(chǎn)線的變工況情況，能適應水泥窯廢氣量及廢氣溫度的大幅度波動，使余熱發(fā)電系統(tǒng)安全運行、穩(wěn)定可靠，提高設備運轉(zhuǎn)率、運轉(zhuǎn)時間以及相對窯運轉(zhuǎn)率。
　　水泥窯熟料生產(chǎn)線的特點決定了其排出的廢氣熱源存在必然的不穩(wěn)定性，廢氣排氣量和排氣溫度均有較大的波動范圍。由于余熱發(fā)電屬于副產(chǎn)品，不影響水泥生產(chǎn)線的正常運行，即不影響水泥熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量，是余熱發(fā)電系統(tǒng)設計的前提。具體表現(xiàn)為：不能影響水泥生產(chǎn)線的正常運轉(zhuǎn)，必須很好地適應水泥生產(chǎn)線正常的工況變化，并且在各種變化的工況條件下仍能保持較高的余熱利用率和發(fā)電效率。因此，任何余熱利用發(fā)電技術必須要具備上述幾項條件，才能保證余熱綜合利用發(fā)電項目的安全性、可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。
　　對于常規(guī)余熱發(fā)電技術而言，其系統(tǒng)的設計是按照給定的設計參數(shù)并考慮一定的廢氣熱源波動范圍進行的，然而，從設計的角度出發(fā)，發(fā)電系統(tǒng)及各主要設備的設計能適應熱源波動的范圍有限，且當廢氣參數(shù)偏離設計工況時，不僅難以達到設計效率而且還有可能影響到水泥窯生產(chǎn)線的正常運轉(zhuǎn)。這主要是因為常規(guī)余熱發(fā)電技術沒有相應的調(diào)節(jié)手段。
　　然而，在蒸汽/熱水閃蒸復合發(fā)電技術中，由于設置了熱水閃蒸系統(tǒng)，當廢氣參數(shù)發(fā)生大幅度波動或廢氣熱源的工況條件發(fā)生變化時，工質(zhì)側(cè)高溫段的吸熱量可保持相對不變，廢氣熱源發(fā)生變化的部分在工質(zhì)側(cè)低溫段消化吸收，可通過調(diào)整給水量及閃蒸系統(tǒng)的液位高度等方法實現(xiàn)。
　　同時，蒸汽/熱水閃蒸復合發(fā)電技術可保證在廢氣熱源波動及工況變化時，實現(xiàn)最大化的余熱利用率和發(fā)電效率，進而提高余熱發(fā)電系統(tǒng)相對窯運轉(zhuǎn)率、設備運轉(zhuǎn)率和運轉(zhuǎn)時間，不影響水泥窯生產(chǎn)線的正常運轉(zhuǎn)，提高余熱綜合利用系統(tǒng)的安全性和可靠性，只有這樣才能保證整個項目的經(jīng)濟性和社會效益。
四、 蒸汽/熱水閃蒸復合發(fā)電技術應用實例
* 由日本NEDO無償捐贈的低溫余熱發(fā)電技術和設備，采用蒸汽/熱水閃蒸復合發(fā)電技術，于1998年底在安徽寧國水泥廠投入運行。經(jīng)幾年的實踐證明，該項技術成熟可靠，其發(fā)電量、設備運轉(zhuǎn)率、運轉(zhuǎn)時間以及相對窯運轉(zhuǎn)率均較高，經(jīng)濟效益顯著。
* 2002年1月華效資源與海南中海能源南山電廠簽訂燃氣輪機排氣蒸汽／熱水閃蒸復合發(fā)電技術服務合同。2003年5月18日海南南山電廠項目正式完成72小時試運行驗收、并網(wǎng)發(fā)電。實際發(fā)電效率比合同效率高5%左右。

    
2004年10月，華效資源有限公司與新礦集團正式簽訂新礦泰山水泥有限公司日產(chǎn)7500噸水泥窯余熱發(fā)電項目總承包合同。
2004年12月28日，新礦泰山水泥有限公司日產(chǎn)7500噸水泥窯余熱蒸汽／熱水閃蒸復合發(fā)電項目破土動工，計劃2005年8月并網(wǎng)發(fā)電。
1 國家經(jīng)貿(mào)委資源司《資源[1994] 036號》文件《關于抓緊做好申報1995年資源節(jié)約綜合利用技術改造專項貸款項目及有關工作的通知》。
2 （Exergy），也稱為“可用能”，是指能量中的可用部分。