關鍵詞：水泥窯 純低溫余熱發(fā)電 有機工質 有機熱載體

1 前言

　　水泥生產工藝，簡單來說就是“兩磨一燒”，即把石灰石等原料組成的生料先進行初步粉磨，然后在窯內進行煅燒，燒成的熟料再添加復合材料進行粉磨，形成了水泥。因此水泥工業(yè)是一個高能耗和高電耗的產業(yè)。我國的水泥工業(yè)基本上是從50年代初期開始起步的，隨著我國經濟建設的蓬勃發(fā)展以及國家對基礎設施的建設投入不斷加大，我國水泥工業(yè)的建設規(guī)模和技術水平有了長足的進步，水泥的生產形式由立窯轉為旋轉窯，建設規(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的4600～6700kJ/kg降低到3000～3600kJ/kg。但即使如此，我國目前最先進的水泥生產工藝仍然有大量的350℃以下的低溫余熱不能被充分利用，其浪費的熱量約占總輸入熱量的1/3左右。隨著水泥生產規(guī)模的加大，其造成的熱量浪費更加驚人。并且最先進的水泥生產工藝其生產電耗仍居高不下，大約為105～110kWh/t_水泥熟料，水泥生產成本僅電費一項就達40～50元/t，約占總成本的1/3。因此，回收水泥生產工藝過程中的余熱，用來發(fā)電并且回用于水泥生產本身，具有很現實的節(jié)能意義。

2 目前水泥窯余熱發(fā)電技術現狀

　　2.1 水泥窯可利用的余熱參數

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

　　風量：1.4～1.6m³(標)/kg_水泥熟料
　　溫度：330℃
　　含塵：65g/m³(標)

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

　　不同產量的水泥窯具有不同的余熱保有量。

　　2.2 帶補燃的資源綜合利用發(fā)電系統

　　資源的綜合利用，是我國的一項長期的重大技術經濟政策，也是我國國民經濟和社會發(fā)展中一項長遠的戰(zhàn)略方針，對于節(jié)約資源、改善環(huán)境狀況、提高經濟效益，實現資源的優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

　　水泥生產過程中，有大量的余熱產生，并且高電耗，另外還需購買大量的灰渣作為復合材。而國家目前鼓勵煤矸石的綜合利用，并且非常重視環(huán)境保護。在這些前提下，建設充分利用水泥窯余熱，再加上適當的補燃，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，補燃鍋爐可處理掉當地的大量的煤矸石，補燃鍋爐產生的灰、渣可全部回用于水泥生產，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成本的同時也為國家節(jié)約了能源，保護了環(huán)境，經濟效益與社會效益均很顯著，為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略作出了努力。

　　為貫徹《國務院批轉國家經貿委等部門關于進一步開展資源綜合利用意見的通知》（國發(fā)[1996] 36號）等文件的精神，國家經貿委于二○○○年七月下發(fā)了“關于印發(fā)《資源綜合利用電廠（機組）認定管理辦法》的通知”，該辦法適用于全國所有的資源綜合利用電廠（機組）。該管理辦法中明確指出：資源綜合利用電廠（機組）是指利用余熱、余壓、城市垃圾、煤矸石（石煤、油母頁巖）、煤泥……等低熱值燃料生產電力、熱力的企業(yè)單位。該管理辦法進一步明確指出：申報資源綜合利用電廠，必須具備①機組單機容量在500kW及以上，機組設備沒有超期服役或淘汰，②發(fā)供電質量符合國家標準，燃料屬于就近利用，③對廢棄物采取綜合利用措施，污染物實現達標排放……。對于以煤矸石、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，當燃料應用基含硫量超過1％時，應采取脫硫措施；對于以工業(yè)余熱、余壓為工質的資源綜合利用電廠，應依據產生余熱、余壓的品質和余熱量或生產工藝耗汽量和可利用的工質參數確定工業(yè)余熱、余壓電廠的裝機容量，并且特別是指回收利用工業(yè)生產過程中產生的可利用的熱能及壓差進行發(fā)電的企業(yè)。

　　建設此類電站，需在窯頭預熱器塔架旁以及窯頭冷卻機旁加設余熱鍋爐，余熱鍋爐與水泥窯的相對位置關系見圖1，電站的原則性熱力配置見圖2。

圖1 相對位置關系圖

圖2 帶補燃的資源綜合利用發(fā)電原則性熱力系統圖

　　這類電站的建設投產，的確給水泥廠帶來了諸多好處。但是在運行中，也出現了一些問題，如：

　　在運行中，缺少必要的監(jiān)督，設計煤種為煤矸石，但是在實際運行中，煤種的變化范圍很大，劣質煤、好煤都可能使用。

　　余熱回收系統，因其操作要配合水泥生產進行，操作上比一般電廠復雜。并且水泥廠在余熱回收方面沒能建立適當的鼓勵措施，因此帶來余熱投入率低于設計值。

　　這類電站的建立實際上在降低了水泥廠生產成本的同時，也減少了電力系統的收入，因此在目前的體制下，此類電站在一定程度上受到了有關部門的抵制。

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　　2.3 目前的純低溫余熱發(fā)電系統

　　相對于補燃電站，純余熱電站不燒煤，不增加新的煙氣排放點。更減少了煤制備車間的噪聲的產生，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。目前國內純低溫余熱發(fā)電電站均為帶四級預熱器的水泥窯建設。因為帶四級預熱器的水泥窯余熱品位及余熱保有量比五級好。目前帶帶五級預熱器的5000t/d水泥線大約僅具有7000多kW的發(fā)電能力。

　　根據國內現有的裝備及技術水平，結合余熱的實際情況，目前國內的純低溫余熱電站采用了特殊的設備，如汽輪機采用了凝汽補汽式汽輪機：其主進汽參數為1.27MPa－290℃，補汽參數為0.15MPa－125℃。主進汽由窯尾余熱鍋爐生產，窯頭余熱鍋爐生產汽輪機補汽以及除氧用蒸汽。余熱回收設備采用立式余熱鍋爐。

　　為四級預熱器水泥窯設計的國產純低溫余熱發(fā)電系統原則性熱力系統圖見圖3。

圖3 國產純余熱機組原則性熱力系統圖

　　帶五級預熱器的水泥生產線因其窯尾廢氣溫度僅有330℃左右，溫壓低而難以生產300℃以上的蒸汽。但這部分余熱尤其對于5000t/d至10000t/d的水泥生產線來講，仍然有非常大的回收價值，因此必須想新的辦法。

3 以有機工質和導熱油為循環(huán)工質的純低溫發(fā)電系統

　　3.1 主機設備的選取

　　提到使用有機工質的透平機組以及低溫余熱利用，人們會想到我國西藏的羊八井地熱電站。羊八井建起的第一臺1300千瓦的地熱發(fā)電試驗機組，是以色列供貨設備，循環(huán)工質為有機烷類，以異戊烷最常用。異戊烷一般為無色液體，能與醚、烴類和油類任意混溶，難溶于醇，不溶于水，沸點為36℃。用異戊烷作工質的透平機組有如下優(yōu)點：

　?、伲袡C工質沸點低，易產生蒸汽，因此可以回收低溫余熱。
　　②．有機工質蒸汽密度比水蒸汽密度大得多，因此透平機轉速可降低，效率高，體積小。
　?、郏淠龎毫咏蛏源笥诖髿鈮海べ|泄漏小。
　?、埽袡C工質耐低溫，不受冰凍的影響。
　?、荩捎谵D速低，因此噪聲小。
　?、蓿到y的工作壓力低，約1.5MPa。
　?、撸疅o濕蒸汽產生，始終保持干燥，不受腐蝕，透平壽命長。

　　因此純低溫余熱發(fā)電系統可嘗試選用此類型透平機組。

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

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

　　因此純低溫余熱發(fā)電系統可嘗試選用此類型余熱鍋爐。

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3.2 系統構成

　　透平機組配置發(fā)電機、冷凝器、循環(huán)工質泵、蒸發(fā)器以及工質補充系統、空壓系統、氮氣系統、和冷卻系統。余熱鍋爐生產的熱介質在蒸發(fā)器里與透平循環(huán)工質異戊烷換熱。工質蒸發(fā)后進入透平作功，作功后的異戊烷在凝汽器里凝結成液態(tài)，再通過工質循環(huán)泵進入蒸發(fā)器里。透平機組模塊化設計，重量輕，設備基礎可為整體簡單基礎，整套機組可整體露天布置。

　　余熱鍋爐循環(huán)介質可采用Mobiltherm 605#導熱油，水泥生產線窯頭和窯尾的余熱可把一定流量的80℃的導熱油加熱到270℃及220℃，兩路熱油混合后一同進入蒸發(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。

　　系統構成簡圖如圖4。

圖4 純低溫余熱發(fā)電系統簡圖

　　3.3 系統經濟、安全運行的保證措施

　　采取如下措施來保障整套系統能夠經濟、安全的運行，具體為：
　　(1) 利用以低沸點異戊烷為工質的低溫余熱發(fā)電機組可充分滿足水泥窯低溫余熱回收的要求。
　　(2) 余熱鍋爐導熱油采用Mobiltherm 605#專用導熱油，其性能指標如下：