水泥廠中低溫純余熱發(fā)電技術及應用探討

摘 要：在水泥廠中進行能源發(fā)電的利用是提高企業(yè)經(jīng)濟效益的重要方式，文章從水泥廠中低溫純余熱發(fā)電技術的應用實際為出發(fā)點，分析其優(yōu)勢與不足，探討各種中低溫純余熱發(fā)電技術的技術特點，以實際應用效率為基礎，對中低溫純余熱發(fā)電技術進行評估，以深化此類技術在水泥廠中的研究應用，提升企業(yè)的成本控制能力，增強器競爭力。

關鍵詞：水泥廠；中低溫余熱發(fā)電；技術；應用

中圖分類號：TQl72.62 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）6-0020-03

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，建筑業(yè)蓬勃發(fā)展，作為其中主要的材料供應行業(yè)，水泥廠的作用非常重要。但在傳統(tǒng)的水泥廠運行情況來看，能耗大、效率低、經(jīng)濟效益的提升空間有待很大提高的情況非常普遍。而且水泥廠的工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量的高溫、中低溫余熱的排除對環(huán)境造成了巨大的影響，嚴重污染周邊的生態(tài)環(huán)境。如何充分利用生產(chǎn)時產(chǎn)生的熱量，對于保護環(huán)境、節(jié)約能源、提升經(jīng)濟效益有很大的現(xiàn)實意義，此外，還能有效降低污染治理的成本預算。中低溫純余熱雖然熱量的品質(zhì)并不十分理想，但由于規(guī)模大、數(shù)量多的特點，累積起來的能源效果將會非常可觀，而水泥廠中的中低溫純余熱發(fā)電技術，可以很好的實現(xiàn)熱能與電能的轉換，實現(xiàn)能源再利用，尤其是針對當代提倡企業(yè)低碳、環(huán)保、可持續(xù)的發(fā)展理念而言，具有非常深遠的意義。筆者結合已有的工作學習經(jīng)驗，將著重論述中低溫純余熱發(fā)電技術的研究及應用，為我國在此行業(yè)中的深一步發(fā)展提供理論參考，為相關研究者的深入研究提供依據(jù)。

1 中低溫純余熱發(fā)電技術的特點

和中空窯余熱發(fā)電技術有很大區(qū)別，中低溫純余熱的發(fā)電技術的特點和技術流程主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

①由于中低溫余熱的排除穩(wěn)定并不高，其余熱的品質(zhì)較低，一般溫度范圍分布在350 ℃左右。②中低溫純余熱發(fā)電技術發(fā)電的來源完全依賴于其余熱排出，沒有其他的發(fā)電能量的提供，和中空窯余熱發(fā)電技術要很大的區(qū)別。③可以串聯(lián)多個余熱排出口，即進行純余熱收集，針對多余熱源的廢氣利用，有很大的實用性。④由于中低溫純余熱的溫度低，品質(zhì)并不高，其系統(tǒng)的壓力也相對控制在低區(qū)位。⑤以余熱未能源轉換的源頭，即實現(xiàn)余熱和電能的轉換，其配套的系統(tǒng)設施較為復雜。⑥由于是以廢氣的形式來發(fā)電，要實現(xiàn)低品質(zhì)的余熱發(fā)電，每產(chǎn)出單位電量所需要的設備供應的體積比較大，其質(zhì)量也會同步上升，對于成本控制是一個很大的考驗。中低溫純余熱發(fā)電的基本原理如圖1所示。

2 余熱發(fā)電規(guī)模的確定

對于中低溫純余熱發(fā)電工程的建設必須以實際余熱的規(guī)模大小來確定，進行預先的工程評估，避免工程過大出現(xiàn)浪費，或產(chǎn)能不足發(fā)電效果不佳的現(xiàn)象。純余熱發(fā)電技術還要根據(jù)發(fā)電設備的類型和工藝操作流程、規(guī)范等因素來確定具體的發(fā)電方式。在常見的中低溫純余熱發(fā)電系統(tǒng)中首先要對排出的熱量進行收集工作，其來源有兩類，一是生產(chǎn)中排出的余熱量，另外一種是余熱發(fā)電過程中系統(tǒng)中的余熱。一般的余熱發(fā)電只是在中高溫余熱出排氣口之后將之作為熱源，其余的部分則經(jīng)過簡單的處理之后排出出去。而沒有考慮到多余部分的廢氣余熱還可以與系統(tǒng)設備綜合起來利用，如可以將多余廢氣供應到余熱鍋爐，余熱鍋爐中的工業(yè)用水經(jīng)過加熱升溫，產(chǎn)生水蒸氣，水蒸氣又可以作為純余熱的方式供應到原料磨，這樣循環(huán)綜合利用的生產(chǎn)方式，可以提高余熱的利用效率，既減少浪費現(xiàn)象，又能提升能源的利用率，增強經(jīng)濟效益。本文以某水泥廠的余熱回收記錄表來加以說明，見表1。

余熱鍋爐的排煙溫度與多個因素相關，其中包含生料磨的排氣溫度和入生料磨的廢氣溫度，并且生料磨的廢氣溫度可以達到90 ℃以上，但在運行過程中的實際溫度受兩個因素的影響：其一，生料磨的風量因素；其二是入生料磨的給水因素。因而，鍋爐的具體溫度可以依據(jù)這二者的情況來加以評估，主要是以熱平衡理論為依據(jù)，并且參考其他的影響因素，如系統(tǒng)對余熱的回收效率、系統(tǒng)的熱傳導性能、排煙溫度等，來確定窯尾鍋爐的余熱量。

在評估窯頭冷卻機的余熱量時，必須將冷卻機的效率和現(xiàn)場生產(chǎn)的規(guī)模大小考慮進去，如果冷卻機的冷卻效果好，則排出的余熱小，否則排出的余熱量大，其余熱回收的裝置使用方式具體有如下幾種：①中部抽氣式，如圖2所示；②余風直接式，如圖3所示；③帶回熱循環(huán)式，如圖4所示。

從具體的應用分析來看，中部抽氣式的系統(tǒng)簡單，能夠回收比較高的廢氣溫度，并且可以根據(jù)實際生產(chǎn)的需要，提升蒸汽的壓力與溫度；余風直接式的系統(tǒng)也相對簡單，但由于回收的廢氣壓力和溫度都比較低，對設備的好用材料與體積都比中部抽氣式的要大，回收的成本相應會上升；帶回熱循環(huán)式的余熱利用效率是最高的，但其限制條件是設備的復雜性高、專業(yè)性很強、實際的投入運營成本也是最高的，因而，要綜合考慮水泥廠中低溫純余熱發(fā)電的規(guī)模、余熱的品質(zhì)和含量等因素來評估，具體使用哪種方式還要經(jīng)過審慎的論證，以保證余熱回收發(fā)電的質(zhì)量和經(jīng)濟效益的平衡。

3 中低溫純余熱發(fā)電設備配置

3.1 汽輪發(fā)電機

作為將熱能轉換為電能的設備，汽輪發(fā)電機的工作性能必須穩(wěn)定可靠，并且其發(fā)電的效率維持在一定的水平之上，其發(fā)電量的容量必須超出設計方案一定程度，一般保持在20%左右。此外，由于水泥廠中低溫純余熱的熱量規(guī)模與品質(zhì)難以維持在穩(wěn)定的水平，具有很大的波動性，而要適應這種熱量來源，還需要汽輪發(fā)電機的工作范疇比較廣泛，可以在不同規(guī)模和品質(zhì)的余熱狀況下進行發(fā)電工作。當前國內(nèi)的汽輪發(fā)電機的配制選型主要集中在兩類：其一，單壓系統(tǒng)的汽輪發(fā)電機，此類發(fā)電機的使用于發(fā)電量小、操作簡單方便的工作場合，一般其發(fā)電量不超過

3 000 kW，在小型的水泥廠余熱發(fā)電中應用比較廣泛；其二，是混壓系統(tǒng)，此類系統(tǒng)的設備比較復雜，其除了主蒸汽口，還有兩個輔助進氣口，并利用閃蒸技術，輔助運行，能夠滿足發(fā)電量大的要求，其單臺的發(fā)電量可以達到單壓系統(tǒng)的兩倍，并且此類汽輪發(fā)電機的效率較前一種要高，如果需要對特大型的水泥廠中低溫純余熱發(fā)電，可以考慮構建機組的形式，滿足發(fā)電需求。

3.2 余熱鍋爐

余熱鍋爐可以依照多種方式進行分類，如按照循環(huán)方式可以分為自然方式和強制方式，按布設方式可分為臥式和立式兩種，中低溫鍋爐一般含有三臺，包含1臺窯尾鍋爐和2臺余熱鍋爐，余熱鍋爐的位置是在介于窯尾鍋爐與預熱器之間。在實際操作過程中，對設備的整潔度要求較高，必須以保證元器件的正常運行為前提，避免鍋爐的換熱原件積灰，所以，既要確保鍋爐的密封性良好，器件之間的安排合理，還要確保在停運階段便于清理，檢修方便。但由于中低溫廢氣的溫度可以達到400 ℃左右，其長時間使用會破壞設備的密封性，并由于其含塵量大，容易導致部件積灰，影響運行效率。所以，在布設余熱鍋爐和窯尾鍋爐時，還要盡量做到防塵防灰的效果。窯尾鍋爐的布設分為前置式和后置式兩類，前置式由于受廢氣中粉塵磨耗作用大，容易受到損壞，要加裝專門的防塵裝置，對系統(tǒng)的復雜性有所增加；后置式受廢氣中粉塵影響相對較小，磨耗也小，減少對裝置的密封性要求，直接簡化了系統(tǒng)設備，降低了阻力，有效提高運行的效率。為了增加鍋爐與廢氣的接觸面積，即增加換熱效率，可以將增大熱換管的交流面積，一般的方式是采用螺旋片管或蟹形針管來達到要求。

3.3 熱力設備

依據(jù)對排出廢氣的品質(zhì)和規(guī)模進行評估，并對已經(jīng)選用的汽輪發(fā)電機的技術要求進行分析，來考量熱力設備的選型與容量。熱力設備包含過熱器、蒸發(fā)器和省煤器等調(diào)控裝置，在針對窯尾鍋爐時，由于其排氣并無特殊的要求，一般只需要用到蒸發(fā)器和省煤器，而在涉及到余熱鍋爐布設時，由于需要用廢氣的余熱來進行烘干操作，因而要用到蒸發(fā)器和過熱器。所以，熱力系統(tǒng)的配制要依據(jù)水泥廠中低溫余熱資源的品質(zhì)和規(guī)?？紤]，并且要將發(fā)電的產(chǎn)能綜合考量。但實際的生產(chǎn)企業(yè)，由于水泥產(chǎn)能大小不一，工廠的設備性能也不盡相同，排出的中低溫余熱無論在含熱量、溫度、粉塵大小與密度等方面都有很大的區(qū)別，對機組的穩(wěn)定運行會帶來很大的影響，所以，熱力設備的性能指標還需結合實際情況綜合判定，以保證發(fā)電質(zhì)量的整體性要求。

4 中低溫純余熱發(fā)電技術

4.1 純余熱發(fā)電

純余熱發(fā)電的方式比較簡單，其設備的結構相對簡易，運行成本低，并且運行的可靠性較高，和常規(guī)的發(fā)電技術不同，其主要依據(jù)朗肯循環(huán)的原理來實現(xiàn)發(fā)電，具體的媒介是水或水蒸氣，但由于廢氣排出時，廢氣的余熱品質(zhì)和含量都具有很大的波動性，純余熱發(fā)電的來源不夠穩(wěn)定，直接導致發(fā)電的產(chǎn)能難以穩(wěn)定運行，對電能的控制提出了較高的要求。

4.2 有機朗肯循環(huán)余熱發(fā)電

朗肯循環(huán)的發(fā)電對廢氣的余熱溫度有一定的要求，當廢氣溫度低于360 ℃時，其發(fā)電的效率會有很大的降低，尤其影響余熱的回收效率。針對中低溫余熱的溫度不足的問題，提出了有機朗肯循環(huán)余熱發(fā)電技術，其主要的機理是通過低沸點的有機媒介來吸收溫度較低的廢氣余熱，有機媒介吸收熱量之后進入汽輪機做功，能實現(xiàn)氣態(tài)與液態(tài)的轉換，進而實現(xiàn)了廢氣低溫發(fā)電效率低的問題。有機朗肯循環(huán)余熱發(fā)電技術的優(yōu)點主要表現(xiàn)在幾個方面：①有機媒介對廢氣溫度的幾乎沒有特殊的要求，余熱吸收的效率高，便于各溫度區(qū)間的余熱進行發(fā)電運行；②有機媒介的聲速小，在系統(tǒng)低速運行時就可以很好的工作，間接減少了機器運行的成本，并且保證汽輪機在較高的效率小發(fā)電；③由于有機媒介是實行膨脹做功，能夠降低濕蒸汽的腐蝕作用，對汽輪機的不見起到良好的保護性作用，減少更換零件的頻率。

4.3 混合工質(zhì)余熱發(fā)電

針對中低溫余熱發(fā)電，由于排出的廢氣溫度區(qū)間比較多樣，如果僅僅依靠一種工質(zhì)進行余熱回收，其效率難以保證最優(yōu)，并且工質(zhì)在吸熱或熱量的轉換過程中也會損失一部分熱量，所以，針對此類現(xiàn)象，提出混合工質(zhì)余熱發(fā)電技術，其好處是可以對中低溫廢氣中的各種溫度余熱進行合理充分的回收，提高效率，而且在熱量損失方面也可以減少，具有提高發(fā)電效益的優(yōu)勢。

5 結 語

建筑行業(yè)的興旺對水泥材料的需求逐年遞增，水泥廠每年在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高溫、中低溫余熱規(guī)模非常龐大，這些余熱直接排出到環(huán)境中將會造成重大的污染。將其利用起來，實現(xiàn)從熱能到電能的轉換，即減少了污染治理的成本，也提高了能源的再生利用效率，隨著當今社會對低碳、環(huán)保的發(fā)展要求逐漸強化時，中低溫純余熱發(fā)電技術既符合企業(yè)提高經(jīng)濟效益的要求，也能保持企業(yè)強勁的競爭力。因而，深入中低溫純余熱發(fā)電技術的研究與應用，是企業(yè)發(fā)展所需，也對社會的持續(xù)發(fā)展具有深遠的意義。

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