水泥工厂清洁能源发电方式分析

水泥工厂清洁能源发电方式分析

周莹莹1，田博1，田哲1，向峥1，裴凌旭2

1天津水泥工业设计研究院有限公司；2中材水泥有限责任公司

来源：《水泥技术》

1前言

近年来，为积极响应国家能源结构优化与节能减排政策，诸多水泥工厂在煤炭价格持续上涨、生产成本逐年增加的形势下，充分利用清洁能源发电，大幅提高新能源使用占比，推进水泥工厂的绿色低碳循环发展。本文以某水泥工厂项目为例，介绍分析了各种清洁能源发电方式和优缺点，为实现水泥工厂“零购电”提供了思路。

2清洁能源发电方式介绍

2.1光伏发电方式

太阳能是一种清洁、可再生能源，光伏发电方式可直接将太阳能转化为电能，既不释放污染物，也不产生温室气体。利用水泥厂车间的屋顶，布置分布式光伏发电系统，既可节省建设光伏电站所需的大面积土地，还可减少火力发电过程中产生的CO2、SO2等大气污染物，具有较高的开发价值。光伏发电系统主要采用单晶硅太阳能电池组件作为光电转换装置，由逆变控制器将直流电逆变成三相交流电后升压，并通过并网柜接入厂区并网点。

以某项目为例，该地区太阳总辐射月总量主要集中在3~9月份，其中，6月份日照辐射量最佳。根据全国日照辐射量分布，水平面全年日照辐射总量约1343kW·h/m2，该项目所在地光伏发电资源属三类（C类）地区。该项目采用高效单晶硅540Wp太阳能光伏板，以固定支架的方式安装。其中，中控化验室屋顶、水泥粉磨车间屋顶、厂前区（办公楼、食堂、宿舍）屋顶均为钢筋混凝土结构屋顶，光伏板沿混凝土屋顶按最佳倾角15°敷设，护坡上的光伏板沿护坡按最佳倾角45°敷设，绿化带上的光伏板按最佳倾角15°敷设，其他车间屋顶为压型钢板形式屋顶，光伏板考虑沿屋面平铺。水泥厂太阳能光伏板的布置与建筑结构相结合，在保证发电效率的同时，兼顾与建筑造型和周围环境的协调性。

该项目采用型号为SG100CX、SG50CX、SG33CX的三种组串式逆变器，按照14块的串联数量组串。各屋顶光伏发电量经逆变汇流后，经就近车间变压器升压至10kV，再经2回集电线路分别接入窑尾和水泥磨配电站的光伏进线柜后，并入10kV母线。

该项目光伏发电规划容量为9.2MW，其分布式光伏发电装置设计寿命为25年，初步测算其首年发电量为10 296MW·h，25年平均发电量为9 504MW·h。按照每年发电950万度电计，可节约标煤2 892t，减排CO2 7 736t、SOX 58.92t、NOX 19.96t。

该水泥工厂的光伏发电充分利用了闲置屋顶和护坡等区域，发出的电能采用就近原则接入厂内配电网，形式灵活多样，可进一步减少碳排放，保护环境。但其仍存在一些不足，如，发电量受日照条件影响大，光伏板需定期清洗维护等。

2.2余热发电方式

在水泥生产过程中，大量的余热未得到充分利用，既造成了能源浪费，又加剧了环境污染。加强余热回收成为水泥厂节约能源和治理环境污染的重要途径。目前，余热发电技术已在水泥厂大量运用。

为高效利用窑头熟料冷却机废气余热，提高窑头余热锅炉的烟气温度，从而提高余热锅炉运行的稳定性，该项目取用了窑头熟料冷却机中段废气余热。考虑取风点至余热锅炉进口的烟风管道温度损失及旁通管道阀门密封不严的漏风损失，预热器至窑尾余热锅炉的烟风管道的温度损失按照3℃考虑，窑尾余热锅炉旁通烟风管道漏风损失按照1.5%考虑；窑头冷却机中部取风口至窑头锅炉的烟风管道温度损失按照3℃考虑，其废气余热可利用的余热量为33 918kW。

根据上述最大可利用余热条件（窑尾预热器六级运行），余热电站采用复合双压热力系统，采用1台7.5MW补汽凝汽式汽轮机＋1台7.5MW发电机＋1台窑尾余热锅炉+1台窑头余热锅炉的装机方案。发电机由电站10kV母线经单回电缆线路与总降变电站10kV母线连接，从而实现余热电站与系统并网运行。同期并网操作设在电站侧，在发电机出口断路器、电站侧发电机联络断路器处设置同期并网点。该项目余热发电站装机规模7.5MW，设计发电功率6 385kW，年发电量47 504MW·h，按用电率5%计，每年可向水泥厂供电45 129MW·h。

水泥工厂采用余热发电方式具有诸多优点，一是水泥窑纯低温余热发电技术具有较高的热能利用率；二是余热发电方式不需要额外能源，发电成本低；三是可有效利用热能资源，减少对环境的污染。余热发电方式也存在一些不足，如发电效率低、发电机组复杂、维修过程繁琐等。

2.3风力发电方式

该项目所在区域地势北高南低，一面阳坡，呈阶梯状分布，属暖温带大陆性半湿润气候。基于中尺度数据进行分析，风资源分布落差较大，100m风速约4.41~6.71m/s。厂区北侧为山脉，受地形遮挡严重，且周边居民区密集，厂区内仅能够规划2台机组，考虑在周边区域规划集中式风电场。据此，该项目设置风电方案如下：

（1）厂区内选用两台机组，容量9.1MW，等效利用小时数为1 957h。

（2）周边区域规划风场，选用9台机组，容量40.95MW，等效利用小时数为2 082h。

（3）该项目风力发电有两个接入点：一是将厂区内两台机组划为一组，就近接入厂区总降压变电站，通过单回路电缆线路与总降内10kV开关柜相连接；二是集中式风电场内规划两座升压站，将电压升至110kV，直接并入最近的国家电网110kV变电站，向电力系统输送电能。

风能与太阳能同属于可再生清洁能源，且在转化为电能的过程中，不产生有害气体。需注意的是，风力发电的可靠性和稳定性受风速制约较大；另外，在风力发电前期，建设投资成本相对较高。

2.4垃圾焚烧发电方式

近年来，我国的垃圾焚烧发电技术发展迅猛，利用有机生活垃圾焚烧转化成的能源属于生物质能范畴，属于可再生能源。垃圾焚烧发电系统主要包含垃圾接收储存及输送系统、焚烧系统、汽轮机发电系统、输送电及自动化系统等重点系统。

城市垃圾由专用垃圾车运入厂区，进行检测、称重、卸料等一系列操作后进入焚烧系统。垃圾焚烧炉的运行性能直接影响垃圾焚烧处理的综合排放指标和全套设备的运转率。目前，项目多采用机械炉排炉焚烧方式处置生活垃圾。机械炉排炉采用层状燃烧技术，对垃圾的预处理要求不高，对垃圾热值适应范围广，运行及维护简便，是目前最常用、处理量最大的城市生活垃圾焚烧炉。焚烧垃圾产生的热能通过余热锅炉产生稳定的蒸汽，推动汽轮发电机组工作，从而转变成电能。

垃圾焚烧发电技术与水泥工厂的“零购电”方案相结合，不仅可以解决简单填埋处理垃圾对环境造成的污染和破坏问题，还能够填补水泥工厂电力缺口。需注意的是，垃圾焚烧发电效率不高，且为了最大程度减少对周围环境的影响，垃圾焚烧发电厂设备投资大，技术集成度高，管理也极为严格。

3氢能发电方式的探索

氢能是21世纪最有发展潜力的清洁能源之一，也是各行业碳减排研究的热点。2022年3月，国家发改委和国家能源局出台《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，正式将氢能上升到国家能源战略地位。众多大型能源企业开始加快布局氢能全产业链。在国家能源战略新发展背景下，水泥企业有必要提前规划布局氢能产业，围绕双碳目标任务，密切关注氢能制取和储运等环节的前瞻性技术研究，开展氢能项目试点的前期工作。同时，水泥企业还可与化学工程公司联手，在氢气制备、存储、运输、应用等领域及氢能产业示范园区建设开展全方位合作。

氢气作为燃料，具有燃值高、清洁、可再生等优势，利用氢气作为燃料，不仅能够减少碳排放，而且可以减少二氧化硫和汞排放，环境和社会效益显著。然而，氢能在水泥行业中的应用还面临一些挑战，最主要的挑战是氢气的生产成本较高，其次是氢气制备、存储、运输等技术仍在探索和发展阶段。

4结语

近年来，我国水泥行业不断加快探索绿色低碳的循环经济生产方式，通过布局新能源项目促进产业的绿色发展。水泥产业已不仅仅是传统的单一建材制造产业，而是兼具环保处理、能源中转等生态产业链的多功能产业，推动绿色电能、替代燃料取代传统能源转型已成为水泥企业提升综合实力与市场竞争力的关键突破点。加快对光伏发电、风力发电、垃圾焚烧发电、氢能发电等清洁能源发电技术的拓展，可进一步助力水泥工厂的新能源转型发展。

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