创新型余热发电技术

　　一、企业简介
　　北京市琉璃河水泥有限公司是全国建材一类大型企业，始建于1939年，是北京金隅集团有限责任公司控股的北京金隅股份有限公司的核心子公司，注册资本3.3亿元，职工总数980人(其中工程技术人员300余人)，年利润近1亿元。公司位于北京西南40公里处，西邻龙的故乡—周口店北京猿人遗址，与京广铁路、京石高速公路、107国道紧邻，交通四通八达，运输畅捷迅速，厂区环境优美。公司在行业内率先通过ISO9001质量体系认证、ISO10012计量检测体系认证、OHSMS18001职业健康安全体系认证、ISO14001环境管理体系认证。公司生产的“金隅”（原“长城”）牌水泥被国家质量监督检验检疫总局授予“国家免检产品”，并获得了北京市首批“绿色建材产品”称号，“长城”牌商标还连续多次被评为“北京市著名商标”、“北京名牌商品”等称号。

　　北京市琉璃河水泥有限公司拥有一条2500t/d新型干法水泥生产线和一条2000t/d新型干法水泥生产线，铁路专用线13条合计20公里，主要产品有P.O42.5、P.Ⅰ42.5水泥，年生产供货能力达220万吨以上，日出厂水泥最大量12000吨以上。公司以创新求发展，依靠科技进步，不断提高产品服务质量，坚持“塑卓越品质，铸百年伟业”的质量方针，真诚服务用户，履行企业社会职责，按照“绿色北京”的要求，成为“生态友好型”企业。实现了经济效益、社会效益和生态效益的协调统一。

　　北京市琉璃河水泥有限公司大力发展循环经济，走理性、健康、可持续发展的道路。2006年公司在2500t/d新型干法水泥生产线配套开发的创新型低温余热发电示范项目，每小时平均发电能力在5800kwh以上，成为具有国际领先水平的示范工程。该项目被国家发改委列为2006年国家十大重点节能工程示范项目，被北京市发改委列为“清洁能源示范工程”，创新型低温余热发电技术已获得国家实用新型专利和国家发明专利。在2000t/d新型干法水泥生产线配套建设的6兆瓦创新型低温余热发电生产线已于2009年6月并网发电，公司2009年被列为北京市首批循环经济试点单位。
                  
　　近年来，随着我国经济建设的蓬勃发展以及国家对基础设施建设投入不断加大，水泥工业的建设规模和技术水平有了长足的进步，为水泥窑纯低温余热发电技术及装备的推广应用创造了市场条件。伴随建设规模及水泥生产线产能的提高，水泥燃料热耗逐渐降低。但即使如此，目前国内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。考虑目前国内陆续投产的大型水泥窑技术及装备的变化并结合国内火力发电设备设计制造现状，对水泥工业纯低温余热发电所采用的热力循环系统、循环参数及废气取热方式进行深入的研究分析，从而进一步提高我国纯低温余热发电技术及装备水平、充分合理利用余热进而提高余热发电能力是非常必要的。
                   
　　 二、北京市琉璃河水泥有限公司发电技术历史情况简介
　　1、北京市琉璃河水泥有限公司在1939年建立之初，就设有两套余热发电机组；2、国家“八五”攻关项目中，公司
　　1993年2000t/d的新型干法生产线投产时已建有一套12MW资源综合利用的余热发电系统；3、2000年建设2500t/d的新型干法生产线时已预留了余热发电接口与场地。
                  
　　三、创新型余热发电技术研发
　　（一）创新基础与核心
　　1、创新基础
　　在保证水泥窑产、质量不降低，在熟料热耗不增加的基础上，充分利用水泥窑头、窑尾可利用余热资源，实现高效率的能量转换。
                  
　　2、创新核心
　　（1）与电力设计制造部门合作开发新型干法水泥生产线的有自主知识产权的锅炉与汽轮发电机的创新型纯低温余热发电系统（专业化分工、强强联合）；（2）创造性地应用“功能分开”和“能级重组、梯度利用”的设计理论；（3）采用国际先进技术，创新设计、解决SP、AQC炉存在的漏风、气流分布不均、传热器积灰以及传热效率低等问题。

　　3、技术特点
　　此项技术特点是在三次风风管的管路上设一带有旁路风管的三次风余热锅炉，该三次风余热锅炉的工质入口端通过管路分别与AQC和SP炉连接，通过三次风再次加热AQC和SP炉的汽包，提升饱和蒸汽的品质，提高热能利用率。在三次风管取热风是最受争议的一点技术革新，通过理论计算和实践证明，按北京地区大型火电厂发电煤耗355克标煤/千瓦时计算，每小时我们借用的三次风的热量相当于发电量为1000千瓦时，也就是说，我们这种技术每小时所得到的发电成果是：纯低温发电量4800千瓦时（发电成本0.12元/kwh）和用发电煤耗为355克标煤/千瓦时发的1000千瓦时电量（发电成本0.24元/kwh），可见经济效益是非常明显的。从AQC废气排放温度低于90℃等等技术指标上可以充分体现这一技术“功能分开”和“能级重组、梯度利用”的设计理论。此外，三次风管取风客观上减少了三次风温上下波动的范围，在一定程度上起到了稳定分解炉和回转窑工况的作用。
                  
　　（二）创新型低温余热发电技术的理论基础
　　目前，所有的热能—动力转换技术理论基础均基于朗肯循环理论，不同电站仅仅是由于热能种类、所采用的工质参数及实际循环方式不同，锅炉产生蒸汽时，压力变化一般都不大，所以蒸汽的产生过程接近于一个定压加热过程。一般来讲有如下三个过程：

　　第一个过程，水被逐步加热至某一温度,在此温度下水开始逐渐产生蒸汽，形成饱和水，其蒸汽温度与水温相同；第二个过程，饱和水继续被加热时开始汽化，这个定压汽化过程水温将不再变化，蒸汽将不断增加至水全部变为饱和蒸汽；第三个过程，蒸汽后继续定压加热，则蒸气的温度将不断升高，便得到过热蒸汽。

　　在水及水蒸气被热源加热过程中，热源与水及水蒸气间必将存在换热温差，并且热源温度必须高于水及水蒸气温度，同时在此换热过程中的某一位置存在最小温差点，此点称为换热温差窄点。

　　一般通过热平衡的方法，即通过热量的收入与支出来分析评价某一热工过程，进而确定热效率。但是热平衡评价方法是基于热力学第一定律，即能量收入与支出之和必须是零。它仅表示能源在量方面的利用情况，并不涉及能质。能质的表现方式是考察能源对环境而言所能作的最大有用功，它是基于热力学第二定律：热量只能从高温热源传递给低温热源，因此，并不是所有的热量都能作功，温度愈高,作功能力愈大，环境温度下的热量不能作功。通过对余热发电热力循环过程进行能质分析和评价，可以对余热发电热力循环系统进行更深入的分析从而找出构成合理、高效的余热发电热力循环系统的方法。

　　朗肯循环是最简单的蒸汽动力循环，由给水泵、锅炉、汽轮机和冷凝器四个主要装置组成。在对实际的循环进行简化和理想化的前提下，我们认为汽水循环过程如下：

　　1、在给水泵中水被压缩升压，这个过程中流经水泵的流量较大，水泵向周围的散热量可以忽略，这个过程可简化为可逆绝热压缩过程，即定熵压缩过程。2、水在锅炉中被加热的过程本来是在外部热源与工质之间有较大温差的条件下进行的，而且不可避免地工质会有压力损失，是一个不可逆加热过程。我们把它理想化为不存在工质压力变化，并将过程想象为无数个与工质温度相同的热源与工质可逆传热，也就是把传热不可逆因素放在系统之外，只着眼于工质一侧。这样，将加热过程理想化为定压可逆吸热过程。3、蒸汽在汽轮机中膨胀过程中因其流量大、散热量相对较小，当不考虑摩擦等不可逆因素时，简化为可逆绝热膨胀过程，即定熵膨胀过程。4、蒸汽在冷凝器中被冷却水，同样将不可逆温差传热因素放于系统之外来考虑，简化为可逆定压冷却过程。
                  
　　通过对上述分析，提高其循环热效率的措施有如下三点结论：1、提高汽轮机进汽温度、压力等初参数可提高循环热效率；2、降低汽轮机排汽温度、压力等终参数可提高循环热效率。3、提高锅炉对余热分能级利用的水平，充分发挥中高温烟气热效率的同时，尽可能多回收低温烟气热量。

　　上述结论是指导余热发电热力系统及设备设计的基础，是确定余热发电热力系统的理论基础。但在实际工程中，由于材料、水及水蒸气特性的限制以及余热热源温度的限制，进汽轮机的蒸汽压力、温度不可能无限制提高，因此相应的制约了循环热效率的提高；同样，由于汽轮机排汽受循环冷却水温度的限制也不可能过低，也制约了热效率的提高。

　　（三）创新型低温余热发电系统优化
　　以北京市琉璃河水泥有限公司现有日产2500t水泥熟料生产线纯低温余热发电工程为例：项目根据水泥厂余热的分布与能级特点，利用经优化的汽水循环系统、合理的工质参数及核心发电设备，主要建设一台6MW纯凝汽式汽轮机和一台6MW发电机，三台分别设置于窑头、窑尾和三次风管主路的余热锅炉，合理、充分地利用水泥生产过程的工艺余热，产生蒸汽推动汽轮发电机组发电。
                  
　　纯余热电站不烧煤，不增加新的烟气排放点，但是纯低温余热发电受到了余热品位和余热量的制约。所以要研究余热发电，首先就必需了解水泥窑排放烟气的废气参数，从而进一步研究热量利用方案。废气量、废气温度、废气成分等参数决定了余热锅炉的产汽量和发电系统的发电量。为了合理配置余热锅炉和发电系统，使锅炉和发电系统处于高效率的运行工况，我们对水泥生产线长期稳定工况下的废气参数进行筛选验证，对影响余热参数的窑系统各点的确定进行了多方论证研讨，确保电站开工前的所有设计工作准确无误、与水泥生产系统配合得当，并在电站建设完成后还要进行跟踪检测，与建设前参数进行比较（见图一：工艺流程）。 

图一：余热发电工艺流程