水泥窑纯低温余热发电有机工质循环技术的应用探讨

水泥窑纯低温余热发电有机工质循环技术的应用探讨水泥窑纯低温余热发电有机工质循环技术的应用探讨 天津水泥工业设计研究院 张福滨 中国水泥网 2006 10 11 收藏本页 打印本页 关键词 水泥窑 纯低温余热发电 有机工质 有机热载体 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 3 6 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 机组单机容量在 500kW 及以上 机组设备没有超期服役或淘汰 发供电质量符合国家标准 燃料属于就近利用 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 本新闻共 3 页 当前在第 1 页 1 2 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 1 25 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 有机工质沸点低 易产生蒸汽 因此可以回收低温余热 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 冷凝压力接近或稍大于大气压 工质泄漏小 有机工质耐低温 不受冰冻的影响 由于转速低 因此噪声小 系统的工作压力低 约 1 5MPa 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 图 4 纯低温余热发电系统简图 3 3 系统经济 安全运行的保证措施 采取如下措施来保障整套系统能够经济 安全的运行 具体为 1 利用以低沸点异戊烷为工质的低温余热发电机组可充分满足水泥窑低温余热回收的要求 2 余热锅炉导热油采用 Mobiltherm 605 专用导热油 其性能指标如下 粘度 cSt 40 29 粘度 cSt 100 5 1 闪点 210 最小 凝固点 15 颜色 2 0 沸点 329 Mobiltherm 605 不含芳烃 是一种液体石蜡 外观淡黄无味 加热后逐渐变成褐色 与我国 22 汽轮机油性能相近 3 余热锅炉均采用膜式受热面立式锅炉 可以解决余热锅炉漏风 磨损 堵灰等问题并减少占地面 积 提高余热回收率 4 导热油余热回收系统采用液相方式 相对于汽相方式 液相换热系统的优点是不会泄漏 运行操 作简单稳定 5 进入余热锅炉废气量大 温度低 余热锅炉内不存在燃烧 因此不存在炉内局部烟气温度过热现 象 从而减少了导热油过热而产生裂解 聚合 结焦 积碳等现象的发生 因此锅炉可平稳 安全运行 6 为了保证电站事故不影响水泥窑生产 余热锅炉均设有旁通废气管道 一旦余热锅炉或电站发生 事故时 可以将余热锅炉从水泥生产系统中解列 不影响水泥生产的正常运行 7 为了保证余热锅炉安全 在电站侧发生故障需停止导热油输送时 设置的旁通废气管道可以关小 甚至关断烟气 防止导热油油温继续升高 防止可能出现的导热油裂解 聚合 结焦 积碳等现象的发