創(chuàng)新型余熱發(fā)電技術(shù)

　　一、企業(yè)簡介
　　北京市琉璃河水泥有限公司是全國建材一類大型企業(yè)，始建于1939年，是北京金隅集團(tuán)有限責(zé)任公司控股的北京金隅股份有限公司的核心子公司，注冊資本3.3億元，職工總數(shù)980人(其中工程技術(shù)人員300余人)，年利潤近1億元。公司位于北京西南40公里處，西鄰龍的故鄉(xiāng)—周口店北京猿人遺址，與京廣鐵路、京石高速公路、107國道緊鄰，交通四通八達(dá)，運輸暢捷迅速，廠區(qū)環(huán)境優(yōu)美。公司在行業(yè)內(nèi)率先通過ISO9001質(zhì)量體系認(rèn)證、ISO10012計量檢測體系認(rèn)證、OHSMS18001職業(yè)健康安全體系認(rèn)證、ISO14001環(huán)境管理體系認(rèn)證。公司生產(chǎn)的“金隅”（原“長城”）牌水泥被國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局授予“國家免檢產(chǎn)品”，并獲得了北京市首批“綠色建材產(chǎn)品”稱號，“長城”牌商標(biāo)還連續(xù)多次被評為“北京市著名商標(biāo)”、“北京名牌商品”等稱號。

　　北京市琉璃河水泥有限公司擁有一條2500t/d新型干法水泥生產(chǎn)線和一條2000t/d新型干法水泥生產(chǎn)線，鐵路專用線13條合計20公里，主要產(chǎn)品有P.O42.5、P.Ⅰ42.5水泥，年生產(chǎn)供貨能力達(dá)220萬噸以上，日出廠水泥最大量12000噸以上。公司以創(chuàng)新求發(fā)展，依靠科技進(jìn)步，不斷提高產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量，堅持“塑卓越品質(zhì)，鑄百年偉業(yè)”的質(zhì)量方針，真誠服務(wù)用戶，履行企業(yè)社會職責(zé)，按照“綠色北京”的要求，成為“生態(tài)友好型”企業(yè)。實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

　　北京市琉璃河水泥有限公司大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，走理性、健康、可持續(xù)發(fā)展的道路。2006年公司在2500t/d新型干法水泥生產(chǎn)線配套開發(fā)的創(chuàng)新型低溫余熱發(fā)電示范項目，每小時平均發(fā)電能力在5800kwh以上，成為具有國際領(lǐng)先水平的示范工程。該項目被國家發(fā)改委列為2006年國家十大重點節(jié)能工程示范項目，被北京市發(fā)改委列為“清潔能源示范工程”，創(chuàng)新型低溫余熱發(fā)電技術(shù)已獲得國家實用新型專利和國家發(fā)明專利。在2000t/d新型干法水泥生產(chǎn)線配套建設(shè)的6兆瓦創(chuàng)新型低溫余熱發(fā)電生產(chǎn)線已于2009年6月并網(wǎng)發(fā)電，公司2009年被列為北京市首批循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點單位。
                  
　　近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展以及國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入不斷加大，水泥工業(yè)的建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平有了長足的進(jìn)步，為水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了市場條件。伴隨建設(shè)規(guī)模及水泥生產(chǎn)線產(chǎn)能的提高，水泥燃料熱耗逐漸降低。但即使如此，目前國內(nèi)先進(jìn)的水泥生產(chǎn)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?？紤]目前國內(nèi)陸續(xù)投產(chǎn)的大型水泥窯技術(shù)及裝備的變化并結(jié)合國內(nèi)火力發(fā)電設(shè)備設(shè)計制造現(xiàn)狀，對水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電所采用的熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及廢氣取熱方式進(jìn)行深入的研究分析，從而進(jìn)一步提高我國純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備水平、充分合理利用余熱進(jìn)而提高余熱發(fā)電能力是非常必要的。
                   
　　 二、北京市琉璃河水泥有限公司發(fā)電技術(shù)歷史情況簡介
　　1、北京市琉璃河水泥有限公司在1939年建立之初，就設(shè)有兩套余熱發(fā)電機(jī)組；2、國家“八五”攻關(guān)項目中，公司
　　1993年2000t/d的新型干法生產(chǎn)線投產(chǎn)時已建有一套12MW資源綜合利用的余熱發(fā)電系統(tǒng)；3、2000年建設(shè)2500t/d的新型干法生產(chǎn)線時已預(yù)留了余熱發(fā)電接口與場地。
                  
　　三、創(chuàng)新型余熱發(fā)電技術(shù)研發(fā)
　?。ㄒ唬﹦?chuàng)新基礎(chǔ)與核心
　　1、創(chuàng)新基礎(chǔ)
　　在保證水泥窯產(chǎn)、質(zhì)量不降低，在熟料熱耗不增加的基礎(chǔ)上，充分利用水泥窯頭、窯尾可利用余熱資源，實現(xiàn)高效率的能量轉(zhuǎn)換。
                  
　　2、創(chuàng)新核心
　?。?）與電力設(shè)計制造部門合作開發(fā)新型干法水泥生產(chǎn)線的有自主知識產(chǎn)權(quán)的鍋爐與汽輪發(fā)電機(jī)的創(chuàng)新型純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)（專業(yè)化分工、強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合）；（2）創(chuàng)造性地應(yīng)用“功能分開”和“能級重組、梯度利用”的設(shè)計理論；（3）采用國際先進(jìn)技術(shù)，創(chuàng)新設(shè)計、解決SP、AQC爐存在的漏風(fēng)、氣流分布不均、傳熱器積灰以及傳熱效率低等問題。

　　3、技術(shù)特點
　　此項技術(shù)特點是在三次風(fēng)風(fēng)管的管路上設(shè)一帶有旁路風(fēng)管的三次風(fēng)余熱鍋爐，該三次風(fēng)余熱鍋爐的工質(zhì)入口端通過管路分別與AQC和SP爐連接，通過三次風(fēng)再次加熱AQC和SP爐的汽包，提升飽和蒸汽的品質(zhì)，提高熱能利用率。在三次風(fēng)管取熱風(fēng)是最受爭議的一點技術(shù)革新，通過理論計算和實踐證明，按北京地區(qū)大型火電廠發(fā)電煤耗355克標(biāo)煤/千瓦時計算，每小時我們借用的三次風(fēng)的熱量相當(dāng)于發(fā)電量為1000千瓦時，也就是說，我們這種技術(shù)每小時所得到的發(fā)電成果是：純低溫發(fā)電量4800千瓦時（發(fā)電成本0.12元/kwh）和用發(fā)電煤耗為355克標(biāo)煤/千瓦時發(fā)的1000千瓦時電量（發(fā)電成本0.24元/kwh），可見經(jīng)濟(jì)效益是非常明顯的。從AQC廢氣排放溫度低于90℃等等技術(shù)指標(biāo)上可以充分體現(xiàn)這一技術(shù)“功能分開”和“能級重組、梯度利用”的設(shè)計理論。此外，三次風(fēng)管取風(fēng)客觀上減少了三次風(fēng)溫上下波動的范圍，在一定程度上起到了穩(wěn)定分解爐和回轉(zhuǎn)窯工況的作用。
                  
　?。ǘ﹦?chuàng)新型低溫余熱發(fā)電技術(shù)的理論基礎(chǔ)
　　目前，所有的熱能—動力轉(zhuǎn)換技術(shù)理論基礎(chǔ)均基于朗肯循環(huán)理論，不同電站僅僅是由于熱能種類、所采用的工質(zhì)參數(shù)及實際循環(huán)方式不同，鍋爐產(chǎn)生蒸汽時，壓力變化一般都不大，所以蒸汽的產(chǎn)生過程接近于一個定壓加熱過程。一般來講有如下三個過程：

　　第一個過程，水被逐步加熱至某一溫度,在此溫度下水開始逐漸產(chǎn)生蒸汽，形成飽和水，其蒸汽溫度與水溫相同；第二個過程，飽和水繼續(xù)被加熱時開始汽化，這個定壓汽化過程水溫將不再變化，蒸汽將不斷增加至水全部變?yōu)轱柡驼羝?；第三個過程，蒸汽后繼續(xù)定壓加熱，則蒸氣的溫度將不斷升高，便得到過熱蒸汽。

　　在水及水蒸氣被熱源加熱過程中，熱源與水及水蒸氣間必將存在換熱溫差，并且熱源溫度必須高于水及水蒸氣溫度，同時在此換熱過程中的某一位置存在最小溫差點，此點稱為換熱溫差窄點。

　　一般通過熱平衡的方法，即通過熱量的收入與支出來分析評價某一熱工過程，進(jìn)而確定熱效率。但是熱平衡評價方法是基于熱力學(xué)第一定律，即能量收入與支出之和必須是零。它僅表示能源在量方面的利用情況，并不涉及能質(zhì)。能質(zhì)的表現(xiàn)方式是考察能源對環(huán)境而言所能作的最大有用功，它是基于熱力學(xué)第二定律：熱量只能從高溫?zé)嵩磦鬟f給低溫?zé)嵩?，因此，并不是所有的熱量都能作功，溫度愈?作功能力愈大，環(huán)境溫度下的熱量不能作功。通過對余熱發(fā)電熱力循環(huán)過程進(jìn)行能質(zhì)分析和評價，可以對余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行更深入的分析從而找出構(gòu)成合理、高效的余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)的方法。

　　朗肯循環(huán)是最簡單的蒸汽動力循環(huán)，由給水泵、鍋爐、汽輪機(jī)和冷凝器四個主要裝置組成。在對實際的循環(huán)進(jìn)行簡化和理想化的前提下，我們認(rèn)為汽水循環(huán)過程如下：

　　1、在給水泵中水被壓縮升壓，這個過程中流經(jīng)水泵的流量較大，水泵向周圍的散熱量可以忽略，這個過程可簡化為可逆絕熱壓縮過程，即定熵壓縮過程。2、水在鍋爐中被加熱的過程本來是在外部熱源與工質(zhì)之間有較大溫差的條件下進(jìn)行的，而且不可避免地工質(zhì)會有壓力損失，是一個不可逆加熱過程。我們把它理想化為不存在工質(zhì)壓力變化，并將過程想象為無數(shù)個與工質(zhì)溫度相同的熱源與工質(zhì)可逆?zhèn)鳠?，也就是把傳熱不可逆因素放在系統(tǒng)之外，只著眼于工質(zhì)一側(cè)。這樣，將加熱過程理想化為定壓可逆吸熱過程。3、蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹過程中因其流量大、散熱量相對較小，當(dāng)不考慮摩擦等不可逆因素時，簡化為可逆絕熱膨脹過程，即定熵膨脹過程。4、蒸汽在冷凝器中被冷卻水，同樣將不可逆溫差傳熱因素放于系統(tǒng)之外來考慮，簡化為可逆定壓冷卻過程。
                  
　　通過對上述分析，提高其循環(huán)熱效率的措施有如下三點結(jié)論：1、提高汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度、壓力等初參數(shù)可提高循環(huán)熱效率；2、降低汽輪機(jī)排汽溫度、壓力等終參數(shù)可提高循環(huán)熱效率。3、提高鍋爐對余熱分能級利用的水平，充分發(fā)揮中高溫?zé)煔鉄嵝实耐瑫r，盡可能多回收低溫?zé)煔鉄崃俊?/P>

　　上述結(jié)論是指導(dǎo)余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計的基礎(chǔ)，是確定余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。但在實際工程中，由于材料、水及水蒸氣特性的限制以及余熱熱源溫度的限制，進(jìn)汽輪機(jī)的蒸汽壓力、溫度不可能無限制提高，因此相應(yīng)的制約了循環(huán)熱效率的提高；同樣，由于汽輪機(jī)排汽受循環(huán)冷卻水溫度的限制也不可能過低，也制約了熱效率的提高。

　?。ㄈ﹦?chuàng)新型低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化
　　以北京市琉璃河水泥有限公司現(xiàn)有日產(chǎn)2500t水泥熟料生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電工程為例：項目根據(jù)水泥廠余熱的分布與能級特點，利用經(jīng)優(yōu)化的汽水循環(huán)系統(tǒng)、合理的工質(zhì)參數(shù)及核心發(fā)電設(shè)備，主要建設(shè)一臺6MW純凝汽式汽輪機(jī)和一臺6MW發(fā)電機(jī)，三臺分別設(shè)置于窯頭、窯尾和三次風(fēng)管主路的余熱鍋爐，合理、充分地利用水泥生產(chǎn)過程的工藝余熱，產(chǎn)生蒸汽推動汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。
                  
　　純余熱電站不燒煤，不增加新的煙氣排放點，但是純低溫余熱發(fā)電受到了余熱品位和余熱量的制約。所以要研究余熱發(fā)電，首先就必需了解水泥窯排放煙氣的廢氣參數(shù)，從而進(jìn)一步研究熱量利用方案。廢氣量、廢氣溫度、廢氣成分等參數(shù)決定了余熱鍋爐的產(chǎn)汽量和發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。為了合理配置余熱鍋爐和發(fā)電系統(tǒng)，使鍋爐和發(fā)電系統(tǒng)處于高效率的運行工況，我們對水泥生產(chǎn)線長期穩(wěn)定工況下的廢氣參數(shù)進(jìn)行篩選驗證，對影響余熱參數(shù)的窯系統(tǒng)各點的確定進(jìn)行了多方論證研討，確保電站開工前的所有設(shè)計工作準(zhǔn)確無誤、與水泥生產(chǎn)系統(tǒng)配合得當(dāng)，并在電站建設(shè)完成后還要進(jìn)行跟蹤檢測，與建設(shè)前參數(shù)進(jìn)行比較（見圖一：工藝流程）。 

圖一：余熱發(fā)電工藝流程