蒸發(fā)冷凝技術在水泥窯余熱發(fā)電工程中的應用*

陳二雄，朱冬生，展學峰，尹繼英，陳曉環(huán)，黃文斌

蒸發(fā)冷凝技術在水泥窯余熱發(fā)電工程中的應用*

陳二雄1,2,3，朱冬生1,2,3，展學峰4,?，尹繼英4，陳曉環(huán)4，黃文斌5

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室，廣州 510640；4. 哈爾濱空調(diào)股份有限公司 國家能源電站空冷系統(tǒng)研發(fā)中心，哈爾濱 150078；5. 沈陽化工大學，沈陽 110142）

水泥窯純低溫余熱發(fā)電站利用水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢熱進行發(fā)電，其膨脹做功后的乏汽主要通過水冷和空冷系統(tǒng)進行冷凝，兩種冷凝方式在造價、占地、換熱效率和節(jié)能等方面各有優(yōu)劣勢。針對上述兩種冷凝方法的特點，結(jié)合福建龍巖地區(qū)水泥廠余熱發(fā)電機組實際運行情況以及當?shù)氐臍夂蛱攸c，提出采用蒸發(fā)式冷凝技術替代傳統(tǒng)的水冷和空冷系統(tǒng)，可節(jié)約水資源17.1%，節(jié)電27.5%，每年可減少CO2排放量691.2 t。

蒸發(fā)冷凝；余熱發(fā)電；冷卻塔；節(jié)能節(jié)水

0 引 言

余熱發(fā)電是水泥行業(yè)重要的增效減排措施之一，其技術源于火力發(fā)電但又不同于火力發(fā)電，余熱發(fā)電已成為水泥行業(yè)不可或缺的重要組成部分[1]。低溫余熱回收發(fā)電是國家節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)支持項目，符合國家關于節(jié)約資源、保護環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展的方針政策，如今低溫余熱發(fā)電已普遍運用在國內(nèi)水泥、鋼鐵等高耗能行業(yè)，并且獲得了較好的經(jīng)濟效益。余熱發(fā)電技術可使水泥生產(chǎn)綜合電耗降低30%以上，可大幅減少水泥生產(chǎn)企業(yè)的購電量，且可避免水泥窯廢氣余熱直接排入大氣造成污染，同時減少水泥生產(chǎn)企業(yè)的燃料消耗，可減少CO2等燃料廢氣排放從而有利于保護環(huán)境[2]。

余熱發(fā)電系統(tǒng)由余熱鍋爐、汽輪機組、發(fā)電機組、水處理系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。為了充分利用水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱，在水泥窯窯尾預熱器廢氣出口管道或者窯頭篦冷機中段取風口設置窯尾余熱鍋爐和窯頭鍋爐，利用窯尾和窯頭的廢氣余熱加熱余熱鍋爐給水，產(chǎn)生的蒸汽進入汽輪機膨脹做功，經(jīng)汽輪機做功后的乏汽進入凝汽器冷凝成凝結(jié)水后，由凝結(jié)水泵依次送至軸封加熱器、除氧器，再由鍋爐給水泵將除氧后的冷凝水和補充水直接送至窯頭鍋爐，完成一次朗肯循環(huán)。

汽輪機的凝汽器、冷油器及發(fā)電機的空冷器冷卻水采用循環(huán)水，采用機力通風冷卻塔循環(huán)系統(tǒng)，其補充水來自工業(yè)水[3]。電站水質(zhì)不好會導致鍋爐管道腐蝕、結(jié)垢，汽輪機凝汽器結(jié)垢，汽輪機真空度不夠等。上述問題對已投產(chǎn)的余熱電站綜合影響表現(xiàn)為電站實際發(fā)電能力達不到其預期發(fā)電能力[4]。針對目前余熱發(fā)電冷凝方式低效、高能耗的缺點，對比分析各種冷凝方式的優(yōu)缺點，提出最適用于余熱發(fā)電站的冷凝方式。

1 余熱發(fā)電站冷凝方式

水泥窯余熱純低溫發(fā)電蒸汽冷凝方式通常有水冷冷凝、空冷冷凝和蒸發(fā)式冷凝三種，其中水冷冷凝方式適用于水資源豐富的地區(qū)，空冷冷凝則相反，適用于水資源匱乏的地區(qū)，而蒸發(fā)式冷凝目前使用案例相對較少，與前兩種冷凝方式對比具有其獨特優(yōu)勢。

1.1 水冷冷凝方式

水泥余熱發(fā)電站水冷冷凝系統(tǒng)主要包括凝汽器和冷卻塔（機力通風冷卻塔），其工藝流程如下：汽輪機的乏汽通過表面式凝汽器冷凝放熱，冷凝為凝結(jié)水，經(jīng)處理后由凝結(jié)水泵送回窯尾余熱鍋爐和窯頭鍋爐。循環(huán)冷卻水經(jīng)過表面式凝汽器的管程，吸收熱量后溫度升高，經(jīng)循環(huán)水泵送入機力通風冷卻塔，將其冷卻。汽輪機的乏汽是靠循環(huán)水的溫升帶走熱量，整個換熱過程經(jīng)過兩次換熱完成。系統(tǒng)原理如圖1所示。第一次是完成做功的汽輪機乏汽通過凝汽器與循環(huán)水進行表面式換熱，第二次是吸熱后的循環(huán)水在冷卻塔內(nèi)進行蒸發(fā)換熱。經(jīng)過兩次換熱，總傳熱系數(shù)較低，且由于循環(huán)水泵功率較大，因此需要消耗大量的電能，同時還消耗大量水（補充水）。循環(huán)水通過泵、管網(wǎng)運輸獲取，水泵安裝布置受空間限制，且由于循環(huán)水與外界空氣直接接觸，凝汽器需要采取預防結(jié)垢及清垢措施，維護費用高[5]。

圖1 水冷冷凝系統(tǒng)原理圖

1.2 空冷冷凝方式

空氣冷卻系統(tǒng)是一種以節(jié)水為目的的電廠冷卻技術，以空氣作為冷卻介質(zhì)，汽輪機的排汽直接進入空冷凝汽器經(jīng)空氣冷凝，空氣與蒸汽進行熱交換，所需的冷卻空氣通過機械通風方式提供，其冷凝水由凝結(jié)水泵排入汽輪機組的回熱系統(tǒng)。系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 直接空冷系統(tǒng)原理圖

空冷技術較常規(guī)水冷技術耗水量小，能夠節(jié)約大量水資源，在缺水嚴重的地區(qū)有很強的節(jié)水優(yōu)勢[6]。但是由于空氣比熱比水小很多，且空氣側(cè)換熱系數(shù)低，因此空冷器需要較大的換熱面積，造成設備體積龐大，且需要空曠的空間布置。此外，空冷器冷卻效果取決于空氣的干球溫度，冬季和夏季的冷凝背壓差異很大，容易使得夏季汽輪機出力不足；其冷卻效果比水冷和蒸發(fā)式冷凝限制更大，容易受到環(huán)境氣溫、雨雪和大風天氣的影響。

1.3 蒸發(fā)式冷凝方式

蒸發(fā)冷卻利用干空氣能為驅(qū)動勢，通過水蒸發(fā)達到降溫的效果，是一項節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟、健康的技術[7-8]。

蒸發(fā)式凝汽冷卻系統(tǒng)采用一次換熱直接冷凝，是一種將凝汽器、通風塔、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)集合在一起的濕冷系統(tǒng)。蒸發(fā)式冷卻器系統(tǒng)的工藝流程為：循環(huán)冷卻水在換熱管束表面布滿水膜，汽輪機排汽通過排汽管道進入蒸發(fā)式凝汽器的換熱管束內(nèi)，通過換熱管外水膜的蒸發(fā)帶走熱量，使管內(nèi)蒸汽得以凝結(jié)成水，由凝結(jié)水泵送回汽輪機回熱系統(tǒng)。汽輪機的排汽是靠換熱管外水膜的蒸發(fā)帶走熱量，為潛熱換熱，整個換熱過程經(jīng)過一次換熱。蒸發(fā)式凝汽冷卻系統(tǒng)乏汽冷凝極限溫度為環(huán)境濕球溫度。系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 蒸發(fā)式冷凝冷卻系統(tǒng)原理圖

空冷式系統(tǒng)雖然不用水源，但需要消耗更多的功耗，水冷系統(tǒng)中1 kg水只能帶走16.7 ～ 25.1 kJ的熱量，而1 kg水在常壓下蒸發(fā)能帶走約2 400 kJ的熱量，因此蒸發(fā)冷卻器在氣候干燥且缺水的地區(qū)節(jié)水效果更為顯著[9]。

2 應用案例

2.1 項目情況

工程地址位于福建省龍巖市某水泥生產(chǎn)企業(yè)。汽輪機額定參數(shù)如表1所示。氣象條件設計為年平均溫度20 ℃，相對濕度76%。

表1 汽輪機額定參數(shù)

為了充分利用水泥生產(chǎn)過程余熱，福建省龍巖某水泥生產(chǎn)廠建設了9 MW和12 MW的純低溫余熱發(fā)電站，機組年運行時間約為7 200 h，年發(fā)電量約為56.37 GW?h和66.01 GW?h。其電站的電力全部回用于本項目水泥熟料生產(chǎn)，同步建設脫硝系統(tǒng)。較好地利用了余熱余能，有利于節(jié)能降耗。以下以12 MW純低溫余熱發(fā)電機組為案例進行說明，其實物圖如圖4所示。

圖4 純低溫余熱發(fā)電機組實物圖

汽輪機排出的乏汽進入表面式凝汽器（見圖5）冷凝成冷凝液，通常凝汽器設置在汽輪機的正下方合適位置，由殼體、管束、熱井和水室等組成，乏汽走殼程，冷卻水走管程。由于凝汽器/機力通風冷卻塔的冷卻方式中循環(huán)冷卻水與空氣直接接觸，冷卻水水質(zhì)較差，因此凝汽器容易產(chǎn)生污垢，需要定期清洗，否則會顯著影響其換熱性能。

圖5 凝汽器實物圖

從凝汽器吸熱升溫后的循環(huán)冷卻水通過機力通風冷卻塔（見圖6）進行散熱，把熱量傳遞給空氣。由于凝汽器與冷卻塔的距離較遠且所需循環(huán)水量較大，因此需要配備大功率水泵以確保凝汽器背壓滿足發(fā)電的要求，該項目配備循環(huán)水泵單臺功率為200 kW，一用一備；另外，由于機力通風冷卻塔需要很大的空氣流通量，因此配備的軸流風機功率也較大，達到75 kW/臺，一共需要3臺。

圖6 機力通風冷卻塔實物圖

2.2 項目耗能情況

該項目乏汽冷凝系統(tǒng)主要由凝汽器和機力通風冷卻塔設備組成，其中配備的循環(huán)冷卻水水泵和軸流風機運行需要消耗大量電能，機力通風冷卻塔散熱需要補充大量水，詳情見表2。

表2 余熱發(fā)電站乏汽冷凝系統(tǒng)耗能情況

注：表中括號數(shù)值為冬季耗水量。

由表2顯而易見，該凝汽器/機力通風冷卻塔耗電量和耗水量較大，尤其在缺水地區(qū)很難達到限制用水量的要求，因此具有較大的節(jié)能潛力。

2.3 蒸發(fā)式冷凝技術的應用

蒸發(fā)式凝汽器是利用噴淋到換熱盤管外表面的水膜蒸發(fā)（由引風機產(chǎn)生的強制對流空氣將其吸納、排出）吸收管內(nèi)流體熱量，使管內(nèi)蒸汽得以冷凝的一種高效節(jié)能的換熱設備。相較于傳統(tǒng)的濕冷系統(tǒng)，其投資費用及運行費用均較低，同時可完全達到傳統(tǒng)濕冷系統(tǒng)的冷卻效果。

根據(jù)計算，本工程配備三套蒸發(fā)式凝汽器。可根據(jù)機組運行方案調(diào)整運行的臺數(shù)。額定工況（環(huán)境干球溫度20 ℃，相對濕度76%）下，設計氣象條件汽輪機背壓為8 kPa，汽輪機全年運行背壓范圍為6.5 ～ 10.8 kPa。

（1）循環(huán)水泵方案：三套蒸發(fā)式凝汽器的循環(huán)冷卻水為集中供水，循環(huán)水池設置在蒸發(fā)式凝汽器平臺下方?？傃h(huán)水量為4 280 t/h，配置20臺水泵，每臺水泵功率為5.5 kW。

（2）風機方案：三套蒸發(fā)式凝汽器的風機采用軸流風機，單臺風機風量70 000 m3/h，機外余壓200 Pa，單臺功率5.5 kW，一共配置了36臺，總功率198 kW。

相同條件下，采用凝汽器/機力通風冷卻塔與蒸發(fā)式凝汽器方案，其運行消耗電能對比分析見表3。

表3 兩種乏汽冷凝方式耗電量對比

由表3可以看出，采用蒸發(fā)式凝汽器方案替代原凝汽器/機力通風冷卻塔方案后，水泵功率可以減少45%，風機功率可以減少12%，總運行功率減少27.5%。

表4為在相同條件下采用凝汽器/機力通風冷卻塔與蒸發(fā)式凝汽器方案耗水量對比。

表4 兩種乏汽冷凝方式耗水量對比

注：表中括號數(shù)值為冬季耗水量。

由表4可以看出，采用蒸發(fā)式凝汽器方案替代原凝汽器/機力通風冷卻塔方案后，蒸發(fā)損失水量減少了12.4%（冬季減少了40.2%），風吹損失水量減少了15.6%，排污損失水量減少了42.7%（冬季減少了22.4%），總循環(huán)補水量減少了17.1%（冬季減少了35.8%）。由于蒸發(fā)式凝汽器噴淋水只是噴淋在換熱器表面，因此對其水質(zhì)要求不高，可以利用水泥廠產(chǎn)生的中水作為冷卻水使用，濃縮倍數(shù)通常只有達到6 ～ 8才需要排污換水。

2.4 節(jié)能減排效果分析

改造完成后，冷卻系統(tǒng)總運行功率由原來的425 kW（）下降到308 kW（），年運行時間為7 200 h，每年節(jié)能量j為：

通過校內(nèi)跨境電商創(chuàng)業(yè)基地，學生可以學習和掌握跨境電商一線的操作技能，這些技能是從任何書本都學不到的。通過跨境電商校內(nèi)創(chuàng)業(yè)基地培養(yǎng)的學生，畢業(yè)后可以直接進入企業(yè)崗位。

換算成電費約為：

式中：為電費單價，按0.6元/kW?h計算。

相對于傳統(tǒng)的凝汽系統(tǒng)，采用蒸發(fā)式凝汽器的凝汽溫度比傳統(tǒng)凝汽溫度低3 ～ 5 ℃以上，相應凝汽壓力變低，按在進汽溫度不變的情況下汽輪機排汽溫度每降低10 ℃，機組的熱效率增加3.5%計算，預計可以提高機組發(fā)電效率2%以上。

年新增發(fā)電量n為：

若每度電按0.58元上網(wǎng)電價（）計算，年度可增加經(jīng)濟收入為：

年CO2減排量為：

由于蒸發(fā)式凝汽器的循環(huán)水量小，因此循環(huán)水的飄逸損失小；蒸發(fā)式凝汽器的冷卻循環(huán)水在換熱管外循環(huán)，不易結(jié)垢，循環(huán)水的濃縮倍率高，因此循環(huán)水的排污損失小。綜合以上兩種因素，蒸發(fā)式凝汽器比機力塔凝汽器系統(tǒng)更加節(jié)水。補水量按夏季及過渡季節(jié)計算，每年節(jié)水量s約為：

式中：為原機力塔凝汽器系統(tǒng)耗水量，m3/h；為蒸發(fā)式凝汽器耗水量，m3/h。

換算成水費約為：

式中：為水費單價，按3元/m3計算。

項目改造完成后全年經(jīng)濟效益為：

3 結(jié) 論

蒸發(fā)式凝汽器系統(tǒng)無需大功率循環(huán)水泵和風機等部件，占地面積小，對水質(zhì)要求不高，節(jié)約水處理費用；系統(tǒng)總體功耗比機力通風冷卻塔冷卻系統(tǒng)降低27.5%左右，耗水量約為傳統(tǒng)濕冷系統(tǒng)的82.9%，節(jié)水效果顯著，運行維護費用較低。

凝汽器/機力通風冷卻塔改為蒸發(fā)式凝汽器方案后，每年節(jié)約電量842.4 MW?h，節(jié)約電費約為50.54萬元；每年新增發(fā)電量1 728 MW?h，可增加經(jīng)濟收入約為100.22萬元；每年節(jié)約水量10.37萬立方米，換算成水費約為31.11萬元。項目改造完成后每年經(jīng)濟效益約為181.87萬元。

項目改造完成后，每年可減少CO2排放量691.2 t，考慮到目前市面上仍存在大量的凝汽器/機力通風冷卻塔設備，如能進行大量改造，對節(jié)能減碳具有非常重要的意義，可對“碳達峰、碳中和”雙碳目標的實現(xiàn)提供重要推動力。

[1] 王晨光. “雙碳”背景下余熱發(fā)電效率的智能管理[C]//第十五屆水泥工業(yè)科技創(chuàng)新技術交流峰會科技創(chuàng)新杯優(yōu)秀論文集. 棗莊: 國家建材技術圖書館, 2021: 72-77. DOI: 10.26914/c.cnkihy.2021.054848.

[2] 孟偉. 淺析水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術特點[J]. 能源與節(jié)能, 2017(1): 68-69. DOI: 10.16643/j.cnki.14-1360/ td.2017.01.032.

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Application of Evaporative Condensation Technology in Cement Kiln Waste Heat Power Generation Project

CHEN Erxiong1,2,3, ZHU Dongsheng1,2,3, ZHAN Xuefeng4,?, YIN Jiying4,CHEN Xiaohuan4, HUANG Wenbin5

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;2. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou 510640, China;3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China;4. National Research and Development Center for Air Cooling System of Energy Power Station, Harbin Air Conditioning Co. Ltd., Harbin 150078, China; 5. Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

The pure low-temperature waste heat power station of cement kiln uses the waste heat generated in the cement production process to generate electricity. The exhaust steam after expansion is mainly condensed by water cooling and air cooling systems. The two condensing methods have their own advantages and disadvantages in terms of cost, land area, heat transfer efficiency and energy saving. In view of the characteristics of the above two condensing methods, combined with the actual operation of the waste heat generator set of cement plant in Longyan area of Fujian Province and the local climate characteristics, evaporative condensation technology was proposed to replace the traditional water cooling and air cooling system. This cooling method could save 17.1% of water resources and 27.5% of electricity, and reduce 691.2 tons of CO2emissions every year.

evaporative condensation; waste heat power generation; cooling tower; energy and water conservation

2095-560X（2023）05-0444-06

TK09

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.05.008

2023-02-06

2023-04-27

廣州市重點研發(fā)計劃農(nóng)業(yè)和社會發(fā)展科技專題項目（202206010124）；吉林省與中國科學院科技合作高技術產(chǎn)業(yè)化專項資金項目（2022SYHZ0027）

展學峰，E-mail：ZXF@hac.com.cn

陳二雄, 朱冬生, 展學峰, 等. 蒸發(fā)冷凝技術在水泥窯余熱發(fā)電工程中的應用[J]. 新能源進展, 2023, 11(5): 444-449.

： CHEN Erxiong, ZHU Dongsheng, ZHAN Xuefeng, et al. Application of evaporative condensation technology in cement kiln waste heat power generation project[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(5): 444-449.

陳二雄（1986-），男，碩士，工程師，主要從事強化傳熱和節(jié)能環(huán)保方向研究。

展學峰（1970-），男，碩士，正高級工程師，主要從事工程熱物理、動力工程及空冷換熱領域研究。