蒸汽/熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)在水泥窯純低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目中的應(yīng)用

一、 前言
　　蒸汽／熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)能最大限度地回收中、低溫余熱熱能的發(fā)電技術(shù)，是國(guó)家重點(diǎn)推廣的八項(xiàng)資源節(jié)約綜合利用技術(shù)1之一，為國(guó)家新型實(shí)用技術(shù)專利。該項(xiàng)技術(shù)的主要特點(diǎn)是綜合利用效果好、適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。在我國(guó)的寧國(guó)水泥廠水泥窯余熱發(fā)電項(xiàng)目、海南南山燃?xì)饴?lián)合循環(huán)項(xiàng)目中，蒸汽／熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用使得這兩個(gè)項(xiàng)目獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益；在國(guó)外（尤其是在日本），該項(xiàng)技術(shù)在水泥、冶金、輕工、紡織、化工等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，在全世界范圍內(nèi)還有數(shù)十家利用地?zé)釡厝刑N(yùn)涵的熱能通過閃蒸技術(shù)進(jìn)行發(fā)電的電廠。
　　華效資源有限公司早于1994年就開始著手蒸汽／熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)的研究，并完成了原國(guó)家經(jīng)貿(mào)委的課題：“中低溫余熱利用—蒸汽/熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電示范工程預(yù)可行性研究報(bào)告”，并于同年9月通過原國(guó)家經(jīng)貿(mào)委的課題評(píng)審。2002年1月，華效資源有限公司與海南中海能源南山電廠簽訂專項(xiàng)技術(shù)服務(wù)合同，將蒸汽／熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到燃?xì)廨啓C(jī)排氣的余熱發(fā)電工程中，2003年5月該項(xiàng)目投入試運(yùn)行，實(shí)際發(fā)電效率比合同效率高出5%。2004年9月，華效資源有限公司與新礦集團(tuán)正式簽訂了新礦泰山水泥有限公司的日產(chǎn)7500噸水泥窯余熱發(fā)電項(xiàng)目總承包協(xié)議書，該項(xiàng)目于2004年年底開工，計(jì)劃于2005年8月并網(wǎng)發(fā)電。
　　通過多年的實(shí)踐與研究，華效資源有限公司積累了豐富的余熱綜合利用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本文主要結(jié)合水泥窯余熱資源的特性介紹蒸汽／熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)的原理、特點(diǎn)以及在水泥行業(yè)余熱發(fā)電項(xiàng)目中的優(yōu)勢(shì)。
二、 水泥窯中低溫余熱資源特性
　　目前，我國(guó)大部分水泥熟料生產(chǎn)線窯尾預(yù)熱器（PH）排出的廢氣溫度一般為350℃左右，窯頭空氣冷卻器（AQC）排出的廢氣溫度一般為250℃左右。這些廢氣屬于中低溫余熱資源，為二次能源、中級(jí)能，其攜帶的熱能主要包括燃料燃燒產(chǎn)物經(jīng)利用后的排氣顯熱、灰渣及高溫熟料的顯熱、水蒸汽汽化潛熱等部分組成。盡管廢氣中所攜帶的熱量較大，但其火用值2較低，故此對(duì)其進(jìn)行回收利用的難度較大。
　　根據(jù)水泥熟料生產(chǎn)線的工作特點(diǎn)，廢氣排氣量和排氣溫度均不穩(wěn)定，存在一定的波動(dòng)范圍，窯頭空氣冷卻器（AQC）排氣溫度的波動(dòng)范圍甚至高達(dá)±100℃。導(dǎo)致排氣量和排氣溫度產(chǎn)生波動(dòng)的原因是多樣的，也是必然的。因此，為保證水泥熟料生產(chǎn)線的安全穩(wěn)定運(yùn)行，余熱回收發(fā)電系統(tǒng)及主要設(shè)備必須要適應(yīng)排氣量和排氣溫度的大幅度波動(dòng)特性，并保證在任何工況下都能盡最大限度地回收余熱資源。
　　此外，水泥熟料生產(chǎn)線排出廢氣的粉塵濃度較大且廢氣壓力較低（接近-6000Pa左右）。因此，余熱鍋爐的設(shè)計(jì)不僅要考慮減少積灰、降低磨損，而且還要解決密封問題，減少漏風(fēng)損失，提高余熱資源的綜合利用率。
　　上述這些水泥窯中低溫余熱資源特性均對(duì)余熱回收發(fā)電系統(tǒng)及各項(xiàng)設(shè)備提出了較高的要求。因此，為最大限度地提高余熱資源的綜合利用率，必須針對(duì)水泥窯中低溫廢氣的各種特性，提出用蒸汽／熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)的解決方案，使余熱發(fā)電系統(tǒng)更高效、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保、更穩(wěn)定、更安全。
三、 蒸汽／熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)簡(jiǎn)介
1、 熱水閃蒸技術(shù)
　　水的沸點(diǎn)與壓力一一對(duì)應(yīng)，壓力越高，對(duì)應(yīng)的沸點(diǎn)越高，壓力越低，沸點(diǎn)也越低。高壓熱水或高壓飽和水突然擴(kuò)容或降壓，則有一部分水會(huì)汽化成蒸汽，其加熱熱源來自水中的汽化潛熱。
　　如果以高壓水為工質(zhì)，在余熱鍋爐中將水吸熱升溫后并不汽化，然后在閃蒸器中擴(kuò)容降壓，產(chǎn)生一定壓力的蒸汽，再讓蒸汽通過汽輪機(jī)膨脹作功，發(fā)出電能，這就是“閃蒸發(fā)電系統(tǒng)”。
　　閃蒸技術(shù)在世界范圍內(nèi)已得到了廣泛應(yīng)用，技術(shù)相當(dāng)成熟可靠。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：
* 冶金、水泥行業(yè)排放的中低溫廢氣余熱綜合利用，通過余熱鍋爐加熱給水，然后通過閃蒸產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電；
* 企業(yè)冷凝水回收余熱利用，通過閃蒸從冷凝水中產(chǎn)生蒸汽用于給水加熱和熱交換；
* 鍋爐排污余熱利用，通過閃蒸從鍋爐排污水中產(chǎn)生蒸汽用于給水加熱和/或熱交換；
* 閃蒸發(fā)電廠，利用地?zé)釡厝W蒸產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電。
2、 蒸汽/熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)
　　蒸汽/熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)的最主要特點(diǎn)是：根據(jù)余熱資源的數(shù)量和品位，實(shí)現(xiàn)合理的能級(jí)匹配，在符合技術(shù)經(jīng)濟(jì)原則的條件下，有機(jī)地將常規(guī)余熱發(fā)電系統(tǒng)和閃蒸系統(tǒng)結(jié)合起來，最大限度地利用余熱資源。
　　蒸汽/熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)主要以200~500℃的低溫廢氣作為加熱熱源，系統(tǒng)設(shè)置余熱鍋爐、閃蒸器、汽輪發(fā)電機(jī)組等。余熱鍋爐在不補(bǔ)燃的情況下生產(chǎn)出一定溫度壓力的過熱蒸汽及一定量的高溫高壓熱水，高溫高壓熱水通過閃蒸器閃蒸出飽和蒸汽，過熱蒸汽和閃蒸出的飽和蒸汽分別進(jìn)入汽輪機(jī)主進(jìn)汽口和補(bǔ)汽口作功發(fā)電。
　　-下圖是兩窯四爐一機(jī)一級(jí)閃蒸水泥余熱發(fā)電綜合利用項(xiàng)目的系統(tǒng)示意圖。

   
　　系統(tǒng)之所以設(shè)置閃蒸系統(tǒng)主要考慮提高噸熟料發(fā)電量及適應(yīng)水泥窯廢氣熱源的不穩(wěn)定性及變工況情況。主要表現(xiàn)如下：
　　a) 閃蒸系統(tǒng)的設(shè)置能最大程度地利用余熱資源，增加噸熟料發(fā)電量，綜合利用效果好。
　　對(duì)于汽輪機(jī)做功而言，蒸汽入口參數(shù)越高，焓降越大，其做功能力也越強(qiáng)，因此要求余熱鍋爐應(yīng)盡可能提高過熱蒸汽的參數(shù)。然而，根據(jù)傳熱機(jī)理，在一定的廢氣參數(shù)條件下，余熱鍋爐能提供蒸汽參數(shù)（流量、溫度、壓力）是相對(duì)有限的。換言之，盡管水泥窯熟料生產(chǎn)線排出中低溫廢氣熱源攜帶著較大的熱量，但能用于產(chǎn)生一定參數(shù)的過熱蒸汽所需要的廢氣熱量只占中低溫廢氣熱源所攜帶全部熱量的一部分，還有一部分中低溫廢氣熱源沒有利用。這對(duì)于任何余熱發(fā)電系統(tǒng)而言都是相同的。
　　因此，為最大限度地提高余熱資源的利用率，在系統(tǒng)中設(shè)置熱水閃蒸系統(tǒng)，余熱鍋爐設(shè)置給水加熱低溫段，在不產(chǎn)生受熱面低溫腐蝕的前提下，盡可能降低排煙溫度，最大限度地回收中低溫廢氣熱源沒有被利用的部分，同時(shí)使余熱產(chǎn)生大量的熱水在閃蒸器中產(chǎn)生飽和蒸汽。這部分飽和蒸汽即可以直接送至汽輪機(jī)低溫段作功，進(jìn)而提高發(fā)電量，也可以再送回余熱鍋爐用于提高過熱蒸汽的產(chǎn)量。采用此項(xiàng)技術(shù)一般可比常規(guī)中低溫余熱發(fā)電技術(shù)多發(fā)電10%~30%。
　　下圖是蒸汽/熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)與常規(guī)中低溫余熱發(fā)電技術(shù)在余熱綜合利用方面的比較。

   
　　b) 閃蒸系統(tǒng)的設(shè)置能很好地適應(yīng)水泥窯生產(chǎn)線的變工況情況，能適應(yīng)水泥窯廢氣量及廢氣溫度的大幅度波動(dòng)，使余熱發(fā)電系統(tǒng)安全運(yùn)行、穩(wěn)定可靠，提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間以及相對(duì)窯運(yùn)轉(zhuǎn)率。
　　水泥窯熟料生產(chǎn)線的特點(diǎn)決定了其排出的廢氣熱源存在必然的不穩(wěn)定性，廢氣排氣量和排氣溫度均有較大的波動(dòng)范圍。由于余熱發(fā)電屬于副產(chǎn)品，不影響水泥生產(chǎn)線的正常運(yùn)行，即不影響水泥熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量，是余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提。具體表現(xiàn)為：不能影響水泥生產(chǎn)線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須很好地適應(yīng)水泥生產(chǎn)線正常的工況變化，并且在各種變化的工況條件下仍能保持較高的余熱利用率和發(fā)電效率。因此，任何余熱利用發(fā)電技術(shù)必須要具備上述幾項(xiàng)條件，才能保證余熱綜合利用發(fā)電項(xiàng)目的安全性、可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。
　　對(duì)于常規(guī)余熱發(fā)電技術(shù)而言，其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是按照給定的設(shè)計(jì)參數(shù)并考慮一定的廢氣熱源波動(dòng)范圍進(jìn)行的，然而，從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，發(fā)電系統(tǒng)及各主要設(shè)備的設(shè)計(jì)能適應(yīng)熱源波動(dòng)的范圍有限，且當(dāng)廢氣參數(shù)偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，不僅難以達(dá)到設(shè)計(jì)效率而且還有可能影響到水泥窯生產(chǎn)線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這主要是因?yàn)槌Ｒ?guī)余熱發(fā)電技術(shù)沒有相應(yīng)的調(diào)節(jié)手段。
　　然而，在蒸汽/熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)中，由于設(shè)置了熱水閃蒸系統(tǒng)，當(dāng)廢氣參數(shù)發(fā)生大幅度波動(dòng)或廢氣熱源的工況條件發(fā)生變化時(shí)，工質(zhì)側(cè)高溫段的吸熱量可保持相對(duì)不變，廢氣熱源發(fā)生變化的部分在工質(zhì)側(cè)低溫段消化吸收，可通過調(diào)整給水量及閃蒸系統(tǒng)的液位高度等方法實(shí)現(xiàn)。
　　同時(shí)，蒸汽/熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)可保證在廢氣熱源波動(dòng)及工況變化時(shí)，實(shí)現(xiàn)最大化的余熱利用率和發(fā)電效率，進(jìn)而提高余熱發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)窯運(yùn)轉(zhuǎn)率、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，不影響水泥窯生產(chǎn)線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高余熱綜合利用系統(tǒng)的安全性和可靠性，只有這樣才能保證整個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效益。
四、 蒸汽/熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)應(yīng)用實(shí)例
* 由日本NEDO無償捐贈(zèng)的低溫余熱發(fā)電技術(shù)和設(shè)備，采用蒸汽/熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)，于1998年底在安徽寧國(guó)水泥廠投入運(yùn)行。經(jīng)幾年的實(shí)踐證明，該項(xiàng)技術(shù)成熟可靠，其發(fā)電量、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間以及相對(duì)窯運(yùn)轉(zhuǎn)率均較高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
* 2002年1月華效資源與海南中海能源南山電廠簽訂燃?xì)廨啓C(jī)排氣蒸汽／熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電技術(shù)服務(wù)合同。2003年5月18日海南南山電廠項(xiàng)目正式完成72小時(shí)試運(yùn)行驗(yàn)收、并網(wǎng)發(fā)電。實(shí)際發(fā)電效率比合同效率高5%左右。

    
2004年10月，華效資源有限公司與新礦集團(tuán)正式簽訂新礦泰山水泥有限公司日產(chǎn)7500噸水泥窯余熱發(fā)電項(xiàng)目總承包合同。
2004年12月28日，新礦泰山水泥有限公司日產(chǎn)7500噸水泥窯余熱蒸汽／熱水閃蒸復(fù)合發(fā)電項(xiàng)目破土動(dòng)工，計(jì)劃2005年8月并網(wǎng)發(fā)電。
1 國(guó)家經(jīng)貿(mào)委資源司《資源[1994] 036號(hào)》文件《關(guān)于抓緊做好申報(bào)1995年資源節(jié)約綜合利用技術(shù)改造專項(xiàng)貸款項(xiàng)目及有關(guān)工作的通知》。
2 （Exergy），也稱為“可用能”，是指能量中的可用部分。