廢熱發(fā)電背景

隨著社會的進(jìn)步, 人類對一次能源的消耗會越來越多這迫使人們除了從數(shù)量上尋求更多的一次能源之外, 還要盡可能充分利用現(xiàn)存的一次能源。采用低溫廢熱發(fā)電, 就是減少一次能源消耗的一條有效可行的途徑。

排放中低溫廢熱的工藝過程, 在生產(chǎn)實(shí)際中是大量存在的, 諸如建材、冶金、化工等行業(yè)。

以一條水泥熟料生產(chǎn)線為例, 介紹中低溫廢熱發(fā)電的思路與方法：

在較先進(jìn)的水泥生產(chǎn)工藝中, 水泥熟料的鍛燒過程, 采用窯尾預(yù)分解和回轉(zhuǎn)窯燒成工藝在此過程中生料吸收煤粉燃燒釋放的熱量而被鍛燒成水泥熟料二然后進(jìn)入窯頭蓖冷機(jī)經(jīng)空氣急冷后進(jìn)人下一道工序。上述生產(chǎn)工藝過程將產(chǎn)生兩部分廢熱第一部分是窯尾分解爐排出的煙氣, 在工藝上一般被用作原料的烘干熱源, 但流經(jīng)四級旋風(fēng)分離器后, 其溫度仍保持在約400℃ 左右, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原料烘于對熱源的溫度要求工藝要求（一般不低于160℃ 即可）。這一溫差之間的熱量可被視為廢熱。

第二部分廢熱是窯頭流經(jīng)蓖冷機(jī)作為熟料冷卻介質(zhì)的空氣所攜帶的熱量, 其溫度近400℃ 這部分熱空氣在生產(chǎn)工藝上已不再利用, 通常經(jīng)除塵后排放到大氣中, 由此完全成為廢熱。

廢熱發(fā)電的基本思路

1、分別設(shè)置SP爐和AQC爐

針對水泥生產(chǎn)中特點(diǎn)不同的兩部分廢熱,需由不同的熱交換器來回收。在窯尾用于回收煙氣余熱的熱交換器稱為SP爐。用于回收窯頭熱空氣熱能的熱交換器稱為AQC爐.鍋爐所能回收利用的溫度下限應(yīng)由鋼煤比價來確定本例中, SP爐出口煙氣溫度為180℃ , 是由水泥原料干燥工藝要求所決定的爐內(nèi)由于其加熱介質(zhì)是熱空氣而不是燃料的燃燒產(chǎn)物, 不含有氣體, 也就不存在酸腐蝕問題這樣, 在考慮鋼煤比價的基礎(chǔ)上, 可以將熱空氣溫度降到較低水平, 以最大限度地回收窯頭所排空氣的余熱。

還需說明的是, 因受各種因素的影響, 窯頭熱空氣所攜熱能具有較大的波動性, 當(dāng)所設(shè)置能的AQC爐單獨(dú)作為一臺汽輪發(fā)電機(jī)組的熱源時, 會由于其蒸汽的溫度或流量的不穩(wěn)定性,導(dǎo)致機(jī)組的頻繁起停為此, 在窯頭、窯尾同時設(shè)置SP爐和AQC爐, 兩爐引出的蒸汽混合進(jìn)人汽輪機(jī)作功發(fā)電, 就能以爐的相對穩(wěn)定性來彌補(bǔ)爐的相對不穩(wěn)定性, 保證機(jī)組發(fā)電具有一定的穩(wěn)定性。

2、設(shè)置多級閃蒸器并采用混汽式發(fā)電系統(tǒng)

為最大限度地回收余熱, 就必須盡量降低熱介質(zhì)的排出溫度對爐來說, 其出口熱介質(zhì)溫度不僅受到鋼煤比價、煙氣酸露點(diǎn)等因素的制約, 還要受到水泥自身干燥工藝對熱介質(zhì)的溫度要求。而對爐來說, 其加熱介質(zhì)為排放到大氣中的熱空氣, 主要受到技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的制約。

降低AQC爐出口熱空氣的有效方法是采用多級閃蒸器。多級閃蒸器的介質(zhì)來自AQC爐預(yù)熱段。這就增大了AQC爐中預(yù)熱段的熱量回收, 有效降低了AQC爐熱介質(zhì)的出口溫度。由于閃蒸器出來的蒸汽參數(shù)均較低, 且當(dāng)閃蒸器串聯(lián)工作時, 其蒸汽參數(shù)會逐級降低,為充分利用這些蒸汽, 可采用混汽式發(fā)電系統(tǒng)。

所謂混汽式發(fā)電系統(tǒng), 就是采用多次進(jìn)汽式汽輪機(jī)即在以主蒸汽正常進(jìn)入汽輪機(jī)的基礎(chǔ)上, 將低參數(shù)蒸汽分次引人汽輪機(jī)中間級,形成多次進(jìn)汽, 分級作功之模式, 以提高余熱動力回收之效果。

廢熱發(fā)電通?？刹捎茫簭U熱蒸汽動力循環(huán)發(fā)電和廢熱有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電等。

廢熱發(fā)電蒸汽動力循環(huán)

對于廢氣余熱回收， 傳統(tǒng)的方法是以水為工質(zhì)的蒸汽動力循環(huán)，該類技術(shù)相對比較成熟，已經(jīng)在多個行業(yè)得到應(yīng)用，主要有單壓余熱發(fā)電系統(tǒng)、雙壓余熱發(fā)電系統(tǒng)及閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)等。

（1）單壓余熱發(fā)電系統(tǒng)

單壓余熱發(fā)電循環(huán) 是在余熱鍋爐中利用煙氣余熱加熱給水，產(chǎn)生單壓過熱蒸汽，進(jìn)入汽輪機(jī)做功，做過功的蒸汽經(jīng)過冷凝、除氧送入余熱鍋爐完成循環(huán)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行維護(hù)簡便、投資小等優(yōu)點(diǎn)，普遍采用。然而，該系統(tǒng)缺點(diǎn)是廢氣余熱得不到充分利用，其發(fā)電能力相對較低。

（2）雙壓余熱發(fā)電系統(tǒng)

雙壓余熱發(fā)電循環(huán)是將給水分為兩路，在余熱鍋爐中被熱煙氣加熱，產(chǎn)生兩股壓力不同的蒸汽，一股高壓蒸汽從主汽門進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電，另一股低壓蒸汽從汽輪機(jī)的中間級進(jìn)入汽輪機(jī)，與主蒸汽一起做功，增大發(fā)電量。該系統(tǒng)總體來說，發(fā)電能力較高，但由于采用兩種壓力蒸汽，因此系統(tǒng)復(fù)雜，投資較大?；翠摕Y(jié)余熱發(fā)電項目就是采用雙壓余熱發(fā)電系統(tǒng)。

（3）閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)

閃蒸余熱發(fā)電循環(huán)是一路由余熱鍋爐生產(chǎn)的主蒸汽送入汽輪機(jī)做功，另一路由余熱鍋爐生產(chǎn)高溫?zé)崴腿腴W蒸器降壓蒸發(fā)出蒸汽，補(bǔ)入汽輪機(jī)做功。該系統(tǒng)發(fā)電能力和投資在前兩種系統(tǒng)之間。廢氣蒸汽動力循環(huán)發(fā)電技術(shù)的難點(diǎn)在于補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)的研發(fā)，我國已在該技術(shù)上取得突破，國產(chǎn)補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)已在多個項目獲得應(yīng)用。以上介紹的三種系統(tǒng)如何選用，要綜合考慮投資大小、投資回報、運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性后確定。

廢熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)

對于低溫廢氣余熱回收，除了采用蒸汽動力循環(huán)外，還可采用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)。該循環(huán)工作時，有機(jī)工質(zhì)在換熱器內(nèi)吸收低溫余熱，蒸發(fā)汽化后進(jìn)入渦輪機(jī)做功，渦輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，做過功后的乏汽被冷凝后形成液體由工質(zhì)泵送入換熱器吸熱完成循環(huán)。該循環(huán)所利用的熱源溫度多為溫度230℃以下，甚至100℃左右的熱源。ORC 技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于水泥廠、石化廠、造紙廠、燃?xì)廨啓C(jī)及內(nèi)燃機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域的余熱發(fā)電。盡管有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電已經(jīng)有商業(yè)應(yīng)用，但該技術(shù)還在不斷完善中。近年來，該技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要集中在：有機(jī)工質(zhì)的選擇，熱力系統(tǒng)優(yōu)化等。

有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)的選擇應(yīng)著重考慮工質(zhì)的毒性、易燃性、化學(xué)穩(wěn)定性、腐蝕性及熱力特性等，同時對其經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保方面都有要求，即要求對臭氧層無破壞作用。根據(jù)工質(zhì)在溫熵圖上飽和汽化線的斜率不同，有機(jī)工質(zhì)可分為干流體、等熵流體與濕流體。如果選擇干流體，則進(jìn)入渦輪機(jī)的工質(zhì)只需加熱到飽和蒸汽即可，過熱反而會降低系統(tǒng)效率。如果選擇濕流體，則進(jìn)入渦輪機(jī)的工質(zhì)需加熱到過熱蒸汽。

熱力系統(tǒng)優(yōu)化方面，可采用內(nèi)置熱交換器，利用乏汽余熱加熱冷凝液，這種方法對于濕流體過熱循環(huán)的效率有一定提高。還可以采用抽汽回?zé)崾接袡C(jī)朗肯循環(huán)，該循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生等量電能所需的吸熱量要比普通ORC 系統(tǒng)低、熱效率更高、產(chǎn)生等量電能所需的熱量更少，具有更好的性能。但這兩種方法均需增加設(shè)備投資，運(yùn)行維護(hù)工作量大，因此需經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后決定。

1、節(jié)約能源

利用水泥窯窯頭、窯尾所排放的廢熱來發(fā)電, 將直接節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤。

2、改善環(huán)境

中低溫廢熱發(fā)電, 是利用了水泥生產(chǎn)過程或其它生產(chǎn)過程中所排放的余熱來發(fā)電, 因此這項技術(shù)除了可以直接節(jié)約一次能源外, 還可以減少常規(guī)發(fā)電廠的有害氣體、粉塵、灰渣等向環(huán)境的排放。

3、中低溫余熱發(fā)電, 是將原來廢棄于大氣環(huán)境的熱量加以回收利用, 因此還有效地減少了排向大氣的熱量。

中船重工第七一二研究所已研制出國內(nèi)最大功率的超低溫余熱回收發(fā)電裝置，可用70℃以上熱水或100℃以上煙氣等工業(yè)余熱發(fā)電。

技術(shù)人員解釋說，高耗能企業(yè)中，煤炭、天然氣燃燒產(chǎn)生的熱能往往會有大量剩余，工廠一般會安裝回收裝置，將200℃以上的水蒸氣收集后發(fā)電。但像70℃左右的熱水、100℃以上的煙氣，卻難以利用，當(dāng)作“廢熱”白白排掉，“像青山大煙囪里冒出的白氣，就是這些余熱遇冷凝結(jié)而成?！庇袑＜抑赋?，如果把全國浪費(fèi)的工業(yè)余熱、廢熱回收起來，每年產(chǎn)生的電量相當(dāng)于幾個“三峽工程發(fā)電總量”。

據(jù)悉，七一二所研制的新裝置使用了一種新的有機(jī)物，遇到70℃左右的熱水就會蒸發(fā)，從而驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。該所測算，一臺每小時發(fā)電300千瓦的裝置，成本需300余萬元，中型企業(yè)安裝后2年半即可收回投資，既環(huán)保又節(jié)約。

該所介紹，新裝置的研制成功，標(biāo)志著我國已具備200千瓦至1000千瓦大功率等級的超低溫余熱回收發(fā)電全套設(shè)計和制造能力，成為國際上少數(shù)幾個掌握相關(guān)核心技術(shù)的國家之一。 2100433B

廢熱火力發(fā)電廠循環(huán)冷卻水?dāng)y帶的廢熱是地位能源 ，其直接利用范圍和利用率非常低，將熱泵技術(shù)應(yīng)用于火力發(fā)電廠循環(huán)冷卻水廢熱 回收中 , 能夠有效提高低 品位能源的 品味 , 擴(kuò)大能源應(yīng)用 范圍 , 提高能源 的利用率 。 現(xiàn)階段，熱泵技術(shù)在火力發(fā)電廠廢熱回收中的應(yīng)用越來越廣泛，科研人員也不 斷在實(shí)踐中根據(jù)低 品位能源的形 式和特征開發(fā)出更多類型、更能滿足廢熱回收需求的熱泵，比如工業(yè)余熱 泵 、 地源熱 泵 、 太陽 能熱泵 、 城市污水源熱泵、 空氣源熱 泵等。不 同的低位熱源其特點(diǎn)也 不盡相 同 , 這就在一 定程度上 限制 了各種熱 泵技術(shù)的應(yīng)用 , 也 使得熱泵技術(shù)存在著一定的缺陷，比如地源熱泵的取水問題、回灌問題，且易對地溫帶來影響，太陽能熱 泵的非持續(xù)供熱層，城市污水源熱 泵在污水處理和 設(shè)備防腐方面存在著一 系列問題，空氣源熱泵的蒸發(fā)器冬季易結(jié)霜 等。 將火力發(fā)電廠循環(huán)冷卻水作為熱泵的低位熱源是可行的。但是由于受到較低的出水溫度、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等 因素的限制，熱泵的應(yīng)用范 圍較小，火力發(fā)電廠廢熱回收利用效率較低。 因此，可結(jié)合火力發(fā)電廠的生 產(chǎn)特點(diǎn)，按照上文思路和方案，利用熱泵技術(shù)達(dá)到循環(huán)冷卻水廢熱回收再利用的目的。

將燃燒未利用的的熱量用于發(fā)電，將大大提高燃燒能源利用，廢熱火力發(fā)電廠擁有廣泛的前景。2100433B

熱泵回收--熱泵是一種能夠?qū)嵩磸牡蜏丨h(huán)境中轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境中的裝置，能夠提升能量。在火力發(fā)電廠廢熱回收中，熱泵的工作原理是通過消耗一定的電能或高溫蒸汽，將循環(huán)冷卻水 中所攜帶的低 品位熱 能 吸收 , 并將高位能和 低位熱 能這兩部分能量通過 熱泵輸送到高溫環(huán)境中去。對于熱 泵工作性能的評價，可將熱 泵機(jī)組 的供熱 系數(shù)作為評價依據(jù)。當(dāng)前，應(yīng)用于火力發(fā)電廠廢熱回收中的熱泵一般為電動壓縮式熱泵，其供熱系數(shù)在之間，由此可 以看出來 , 當(dāng)熱泵消耗一定的高位能的時候 , 中位能的產(chǎn) 生可達(dá)數(shù)倍。所以，熱泵是一種非常有效的廢熱回收裝置，其應(yīng)用于循環(huán)冷卻水的回收利用 中對火力發(fā)電廠來說具有重要意義。