技术 | 水泥厂中低温纯余热发电技术及应用探析

引言

传统的水泥厂生产效率低、能耗大，而且在生产过程中，会散发大量的高温、中低温余热，对周围的环境造成严重的影响。随着生态环境的恶化，国家提出了建设资源节约型和环境友好型的发展目标。水泥厂作为传统的制造行业，如何减少耗能、降低排放量，实现经济效益、社会效益和环境效益的和谐发展，是当下水泥厂所要思考的问题。通过水泥厂中低温纯余热技术，将热能转化为电能，实现资源的再利用，符合当下国家可持续发展战略要求。

1.1 纯余热发电

纯余热发电方式比较简单、运行成本低、可靠性高。主要通过朗肯循环原理进行发电，通过水或者水蒸气，将余热转化为电能。由于废气排出时，废气余热的含量和品质不平衡，所以纯余热发电动力不稳定，无法提供比较稳定的电能。因此，纯余热发电对电能控制要求比较高。

1.2 有机朗肯循环余热发电

朗肯循环余热发电对废气余热温度有要求。如果废气温度小于360摄氏度，发电的效率比较低，影响余热的回收效率。因此在朗肯循环余热发电技术的基础上，发展了有机朗肯发电技术。有机朗肯发电技术在废气余热温度比较低时，低沸点的有机媒介能及时吸收废气余热，有机媒介吸收热量以后进入到汽轮机做功，将气态转为为液体，解决了废气低温发电效率低的问题。

这种发电技术有以下几个方面优势：第一，有机媒介对废气温度没有什么要求，余热吸收效率比较高，可用在各个温度区间实现余热发电。第二，有机媒介的声速小，减少了机器运行的成本，汽轮机即便在功率比较小的时候也可以实现发电。第三，有机媒介是膨胀做功，做功的时候，不会造成机器腐蚀，可以对汽轮机进行有效地保护，减少汽轮故障发生的概率。

1.3 混合工制余热发电

由于废气温度区间不同，一种介质在吸收热量或者转换热量的时候会造成一定的损失，所以针对这样的情况，提出了混合工质余热发电技术。这种发电技术能够对低温废气中的各种温度余热进行回收，大大提高了吸收率，减少了热量损失，因此大大提高了发电效率。

2.1 水泥厂低温纯余热发电技术特点

水泥厂低温余热发电技术具有以下几个方面的特点：第一，中低温纯余热发电技术只用在预热器上，能完全利用热量，且低温余热完全依靠水泥厂的余热排出，没有其他热源；第二，废弃余热的热量品质低，废气温度在200～400℃范围内；第三，可以串联多个余热排出口，收集多个余热源的废气；第四，热能转化电能的设施比较复杂；第五，低品质余热发电，每产出的单位电量所需的设备体积比较大，如何有效控制成本也是企业所要考虑的问题。

2.2 确定发电规模

水泥厂发电规模是根据工艺系统的余热量进行计算的，余热量决定了生产规模和生产工艺。中低温纯余发电系统的余热回收分成两个部分：第一是窑头冷却机出口的废气余热，第二是窑尾预热器出口的废气余热。

窑头冷却机出口的废气余热则是由冷却机冷却效果决定的，如果冷却效果不好，排出的余热量大，回收率高；冷却效果好，则排出余热量小。余热回收装置有中部抽气式、带回热循环式、余风直接式。

中部抽气式可以根据生产要求，提升蒸汽的压力和温度，回收率比较高，系统比较简单；带回热循环式回收效率高，但是设备专业性强、成本高；余风直接式系统装置比较简单，但是回收的废气压力和温度低，设备体积和材料体积大，成本也比较高。窑尾余热生产工艺通过预热器回收部分余热，作为烘干热源，多余部分经过增湿除尘系统以后排放。

因此，增加余热回收装置时，还要考虑到多余部分废气余热的回收和生料磨系统的结合，将高温废气供给余热锅炉，并将其排气送给生料磨，余热锅炉利用温差产生的蒸汽，提高回收效率。因此，水泥厂中低温纯余热发电必须综合考虑到各个方面的因素，根据用电规模、余热品质以及回收率综合因素，确保余热发电的质量。

3.1 汽轮发电机

发电机是余热发电技术的核心设备，它将水泥厂排出的热能转化为电能，发电机的运行效率，直接影响到发电效率。由于水泥厂中低温余热热量的规模和品质具有很大的波动性，所以汽轮发电机根据水泥厂的中低温余热热量和品质进行发电。汽轮发电机有两种：第一种是单压系统的汽轮发电机，这种发电机的发电量在3000KW，发电量比较小、操作简单，在小型水泥厂应用比较广泛；第二种就是混压系统。这种系统利用闪蒸技术，能够最大满足发电需求，是单压系统发电量的两倍，一般应用在大型的水泥厂。

3.2 余热锅炉

余热锅炉在水泥厂中低余热发电系统中一般有两台：一台窑尾锅炉和一台余热锅炉，余热锅炉设置在预热器和在窑尾锅炉之间。余热锅炉对运行环境要求比较高，在保证发电系统各项装置运行正常的情况下，还要确保锅炉整洁度、密封性、检修方便等符合运行要求。由于余热锅炉运行温度比较高，长时间运行会破坏设备的密封性，大量灰尘进入到设备中，影响设备的运行效率，所以要做好余热锅炉的防尘防灰措施。

3.3 热力设备

热力设备由蒸发器、过热器以及省煤器构成，热力设备根据废弃排出的规模和品质，并结合汽轮发电机设备选择热力设备的容量和型号。但是在具体实践过程中，由于水泥厂的产能不同，工厂的设备性能不同，排出的中低温余热含热量、温度、密度也不同，这些因素都会影响机组的正常运行。因此热力设备的性能根据水泥厂的实际情况决定，确保发电效率。

建筑行业发展过程中，对水泥的需求不断增长，水泥厂的规模不断扩大，每年水泥厂产生的中低温余热量非常多，直接排放会造成环境的污染，通过中低温余热发电技术，将热能转化为电能，提高了水泥厂资源的综合利用率，同时提高了水泥厂经济效率，减少了环境污染。从而实现经济效益和环境效益的有机统一。

作者：杨杰文

来源：《同煤建材有限责任公司》

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