水泥窑纯低温余热发电有机工质循环技术的应用探讨

1 前言 　　水泥生产工艺，简单来说就是“两磨一烧”，即把石灰石等原料组成的生料先进行初步粉磨，然后在窑内进行煅烧，烧成的熟料再添加复合材料进行粉磨，形成了水泥。因此水泥工业是一个高能耗和高电耗的产业。我国的水泥工业基本上是从50年代初期开始起步的，随着我国经济建设的蓬勃发展以及国家对基础设施的建设投入不断加大，我国水泥工业的建设规模和技术水平有了长足的进步，水泥的生产形式由立窑转为旋转窑，建设规模由100t/d、300t/d发展到5000t/d、8000t/d及10000t/d，水泥燃料热耗也由原来的4600～6700kJ/kg降低到3000～3600kJ/kg。但即使如此，我国目前最先进的水泥生产工艺仍然有大量的350℃以下的低温余热不能被充分利用，其浪费的热量约占总输入热量的1/3左右。随着水泥生产规模的加大，其造成的热量浪费更加惊人。并且最先进的水泥生产工艺其生产电耗仍居高不下，大约为105～110kWh/t水泥熟料，水泥生产成本仅电费一项就达40～50元/t，约占总成本的1/3。因此，回收水泥生产工艺过程中的余热，用来发电并且回用于水泥生产本身，具有很现实的节能意义。 2 目前水泥窑余热发电技术现状 　　2.1 水泥窑可利用的余热参数 　　水泥生产工艺本身也在不断进行节能降耗的工作，比如在生料进回转窑之前加装预热器，利用水泥煅烧后的高温烟气进行生料的预加热或预分解，从而降低排烟温度降低热损失。目前预热器普遍由过去的4级加到了5级，因此废气温度比过去有所降低。在这种情况下，从水泥窑窑尾预热器出口排出的烟气参数为： 　　风量：1.4～1.6m3(标)/kg水泥熟料 　　温度：330℃ 　　含尘：65g/m3(标) 　　从窑头冷却机排出的废气参数为： 　　窑头：1.1～1.3m3(标)/kg水泥熟料 　　温度：220℃ 　　含尘：10g/ m3(标) 　　不同产量的水泥窑具有不同的余热保有量。 　　2.2 带补燃的资源综合利用发电系统 　　资源的综合利用，是我国的一项长期的重大技术经济政策，也是我国国民经济和社会发展中一项长远的战略方针，对于节约资源、改善环境状况、提高经济效益，实现资源的优化配置和可持续发展具有重要的意义。 　　水泥生产过程中，有大量的余热产生，并且高电耗，另外还需购买大量的灰渣作为复合材。而国家目前鼓励煤矸石的综合利用，并且非常重视环境保护。在这些前提下，建设充分利用水泥窑余热，再加上适当的补燃，燃用热值小于12550kJ/kg煤矸石的资源综合利用电站，具有重要的资源综合利用意义：这样的电站建成后，水泥窑的余热可全部回收，补燃锅炉可处理掉当地的大量的煤矸石，补燃锅炉产生的灰、渣可全部回用于水泥生产，做到零排放，电站发出的电可直接供给工厂使用，降低了输配电的线损。在大幅度降低水泥生产成本的同时也为国家节约了能源，保护了环境，经济效益与社会效益均很显著，为可持续发展战略作出了努力。 　　为贯彻《国务院批转国家经贸委等部门关于进一步开展资源综合利用意见的通知》（国发[1996] 36号）等文件的精神，国家经贸委于二○○○年七月下发了“关于印发《资源综合利用电厂（机组）认定管理办法》的通知”，该办法适用于全国所有的资源综合利用电厂（机组）。该管理办法中明确指出：资源综合利用电厂（机组）是指利用余热、余压、城市垃圾、煤矸石（石煤、油母页岩）、煤泥……等低热值燃料生产电力、热力的企业单位。该管理办法进一步明确指出：申报资源综合利用电厂，必须具备①机组单机容量在500kW及以上，机组设备没有超期服役或淘汰，②发供电质量符合国家标准，燃料属于就近利用，③对废弃物采取综合利用措施，污染物实现达标排放……。对于以煤矸石、煤泥作为燃料的资源综合利用电厂，必须燃用煤矸石为主，且入炉燃料的低位发热量不大于12550千焦/千克，必须使用循环流化床锅炉，当燃料应用基含硫量超过1％时，应采取脱硫措施；对于以工业余热、余压为工质的资源综合利用电厂，应依据产生余热、余压的品质和余热量或生产工艺耗汽量和可利用的工质参数确定工业余热、余压电厂的装机容量，并且特别是指回收利用工业生产过程中产生的可利用的热能及压差进行发电的企业。 　　建设此类电站，需在窑头预热器塔架旁以及窑头冷却机旁加设余热锅炉，余热锅炉与水泥窑的相对位置关系见图1，电站的原则性热力配置见图2。 图1 相对位置关系图 图2 带补燃的资源综合利用发电原则性热力系统图 　这类电站的建设投产，的确给水泥厂带来了诸多好处。但是在运行中，也出现了一些问题，如： 　　在运行中，缺少必要的监督，设计煤种为煤矸石，但是在实际运行中，煤种的变化范围很大，劣质煤、好煤都可能使用。 　　余热回收系统，因其操作要配合水泥生产进行，操作上比一般电厂复杂。并且水泥厂在余热回收方面没能建立适当的鼓励措施，因此带来余热投入率低于设计值。 　　这类电站的建立实际上在降低了水泥厂生产成本的同时，也减少了电力系统的收入，因此在目前的体制下，此类电站在一定程度上受到了有关部门的抵制。 2.3 目前的纯低温余热发电系统 　　相对于补燃电站，纯余热电站不烧煤，不增加新的烟气排放点。更减少了煤制备车间的噪声的产生，因此具有更好的环保效果。但是纯低温余热发电受到了余热品位和余热量的制约。目前国内纯低温余热发电电站均为带四级预热器的水泥窑建设。因为带四级预热器的水泥窑余热品位及余热保有量比五级好。目前带带五级预热器的5000t/d水泥线大约仅具有7000多kW的发电能力。 　　根据国内现有的装备及技术水平，结合余热的实际情况，目前国内的纯低温余热电站采用了特殊的设备，如汽轮机采用了凝汽补汽式汽轮机：其主进汽参数为1.27MPa－290℃，补汽参数为0.15MPa－125℃。主进汽由窑尾余热锅炉生产，窑头余热锅炉生产汽轮机补汽以及除氧用蒸汽。余热回收设备采用立式余热锅炉。 　　为四级预热器水泥窑设计的国产纯低温余热发电系统原则性热力系统图见图3。 图3 国产纯余热机组原则性热力系统图 带五级预热器的水泥生产线因其窑尾废气温度仅有330℃左右，温压低而难以生产300℃以上的蒸汽。但这部分余热尤其对于5000t/d至10000t/d的水泥生产线来讲，仍然有非常大的回收价值，因此必须想新的办法。 3 以有机工质和导热油为循环工质的纯低温发电系统 　　3.1 主机设备的选取 　　提到使用有机工质的透平机组以及低温余热利用，人们会想到我国西藏的羊八井地热电站。羊八井建起的第一台1300千瓦的地热发电试验机组，是以色列供货设备，循环工质为有机烷类，以异戊烷最常用。异戊烷一般为无色液体，能与醚、烃类和油类任意混溶，难溶于醇，不溶于水，沸点为36℃。用异戊烷作工质的透平机组有如下优点： 　　①．有机工质沸点低，易产生蒸汽，因此可以回收低温余热。 　　②．有机工质蒸汽密度比水蒸汽密度大得多，因此透平机转速可降低，效率高，体积小。 　　③．冷凝压力接近或稍大于大气压，工质泄漏小。 　　④．有机工质耐低温，不受冰冻的影响。 　　⑤．由于转速低，因此噪声小。 　　⑥．系统的工作压力低，约1.5MPa。 　　⑦．无湿蒸汽产生，始终保持干燥，不受腐蚀，透平寿命长。 　　因此纯低温余热发电系统可尝试选用此类型透平机组。 　　近20多年来，以导热油为热载体的间接供热技术，在石油、化工、纺织、制药、橡胶等行业得到了发展和日益广泛的应用。 　　导热油是一种良好的有机热载体传热介质，具有较高的热容量和较低粘度，在常压下导热油的初馏点比水的蒸发温度要高出数倍。高温导热油在300℃的条件下仍不气化而保持常压，此时饱和压力的水蒸汽已高达8.5MPa。因此在中、高温传热的条件下，用导热油代替传统的水蒸汽热载体，就能以低压管道系统代替高压管道系统。可降低管道的投资，使运行的安全性和可靠性得到保障。此外导热油还具有传热均匀，热稳定性好以及优良的导热特性。例如在100℃时，饱和水蒸汽的导热系数为0.0237W/(m.℃)，而Mobiltherm 605#导热油在100℃时的导热系数为0.127W/(m.℃)，是水蒸汽的5.35倍，传输距离远、热损失小，能在多种不同温度下获得热量。导热油对普通的碳钢设备和管道基本上无腐蚀作用，不需要采用类似蒸汽系统的给水脱盐、除氧等复杂的处理过程，因此具有系统简单输送方便等优点。因此用导热油作工质的机组传热效率高。 　　因此纯低温余热发电系统可尝试选用此类型余热锅炉。 3.2 系统构成 　　透平机组配置发电机、冷凝器、循环工质泵、蒸发器以及工质补充系统、空压系统、氮气系统、和冷却系统。余热锅炉生产的热介质在蒸发器里与透平循环工质异戊烷换热。工质蒸发后进入透平作功，作功后的异戊烷在凝汽器里凝结成液态，再通过工质循环泵进入蒸发器里。透平机组模块化设计，重量轻，设备基础可为整体简单基础，整套机组可整体露天布置。 　　余热锅炉循环介质可采用Mobiltherm 605#导热油，水泥生产线窑头和窑尾的余热可把一定流量的80℃的导热油加热到270℃及220℃，两路热油混合后一同进入蒸发器，在蒸发器里换热后温度降到80℃再回至窑头和窑尾的余热锅炉。 　　系统构成简图如图4。 <