石灰窯超低溫余熱發(fā)電可行性技術(shù)探討

　　1 石灰窯工藝及余熱量分析

　　太原鋼鐵集團(tuán)東山礦業(yè)600TPD活性石灰回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線項目由中信重工總承包，以煤為燃料，采用帶豎式預(yù)熱器、回轉(zhuǎn)窯及豎式冷卻器組成的生產(chǎn)工藝線，自動化程度高，目前已投入生產(chǎn)。

　　窯尾加裝了豎式預(yù)熱器，使窯尾的煙氣余熱可直接傳導(dǎo)給了石灰石，煙氣溫度可降低到200℃，有效地回收了尾氣排放所帶走的熱量，同時也為后續(xù)除塵減少了負(fù)荷。

　　現(xiàn)場對預(yù)熱器出口廢氣實際標(biāo)定見表1，煙氣成分見表2。

　　表1煙囪煙氣量　　

用戶	煙氣量	含塵量	氣體溫度(℃)
太原鋼鐵東山石灰石礦	20萬m3/h	20g/Nm3	180~220

　　表2 太鋼東山礦石灰窯煙氣成分

成分	CO	O2	SO2	NO2	NO	CO	NOx
	（%）	（%）	（mg/m3）	（mg/m3）	（mg/m3）	（mg/m3）	（mg/m3）
含量	20.2	9.4	0	3	298	20	480

　　2 余熱發(fā)電技術(shù)的可行性

　　石灰回轉(zhuǎn)窯煙氣余熱發(fā)電國內(nèi)還沒有可借鑒的案例，但在水泥行業(yè)利用回轉(zhuǎn)窯煙氣余熱進(jìn)行發(fā)電已經(jīng)非常成熟。

　　汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)，適用于熱量大，蒸汽品質(zhì)較好且相對穩(wěn)定的場合。采用汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)，發(fā)電效率較高，一次性投資相對低，但占地面積大，運(yùn)行復(fù)雜，人力成本高。

　　石灰窯廢氣溫度低，只能采用有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)加以利用，有研究表明，當(dāng)熱源溫度低于350℃時，采用水蒸氣朗肯循環(huán)不經(jīng)濟(jì)，適宜采用有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)（ORC）技術(shù)。

　　ORC特點是系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要設(shè)置除氧、除鹽、排污及疏放水設(shè)施；凝結(jié)器里一般處于略高于環(huán)境大氣壓力的正壓，不需設(shè)置真空維持系統(tǒng)?？蓪崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制，無人值守，需要極少的運(yùn)行、維修人員，運(yùn)行成本很低。

　　3 工藝方案及計算

　　本次工藝方案的選擇是，利用石灰窯余熱，采用集熱器產(chǎn)生熱水。工藝上采用循環(huán)熱水和有機(jī)工質(zhì)的雙工質(zhì)系統(tǒng)，即廢煙氣加熱水，熱水加熱有機(jī)工質(zhì)，冷卻后的熱水繼續(xù)返回到煙氣加熱過程中吸熱。

　　3.1集熱器系統(tǒng)

　　集熱器采用立式、對流換熱結(jié)構(gòu)，小風(fēng)速、低阻力的設(shè)計，集熱器阻力在600Pa左右，保證石灰窯排風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

　　表3集熱器設(shè)計計算一覽表

集熱器	煙氣進(jìn)口	煙氣出口	冷水進(jìn)口	熱水出口
溫度	180-200℃	100℃	71.5℃	140℃
流量	200000m3/h	200000m3/h	40t/h	40t/h

　　3.2工藝系統(tǒng)

　　將集熱器產(chǎn)生的熱水引入ORC型螺桿膨脹發(fā)電站做功，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)完電后排出70℃左右熱水，接入回水管道，以供煙氣集熱器循環(huán)使用。當(dāng)螺桿機(jī)需檢修或緊急停機(jī)時，螺桿機(jī)快關(guān)閥立即關(guān)閉，熱水經(jīng)原管道輸送或者排出，不影響前續(xù)、后續(xù)工藝正常生產(chǎn)。

　　在熱水管道安裝自動閥門，一旦發(fā)生事故（發(fā)電機(jī)組停機(jī)等）自動開啟自動閥門使熱水經(jīng)原管道輸送或者排出，同時煙道旁通蝶閥打開，在緊急停機(jī)時發(fā)電機(jī)自動從電網(wǎng)中解列出來，對電網(wǎng)不產(chǎn)生影響。

　　3.3 接入系統(tǒng)

　　根據(jù)擬建煙氣置換熱水余熱發(fā)電工程的具體情況，為確保新建工程生產(chǎn)運(yùn)行及管理的合理、順暢，新建機(jī)組發(fā)電線路，經(jīng)發(fā)電站輸出380V至用戶低壓配電室。在買方的配電室內(nèi)經(jīng)低壓接入柜并網(wǎng)（ORC發(fā)電機(jī)組以外的電纜由甲方提供），從而實現(xiàn)余熱發(fā)電工程與系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行。在不改變原有供電、運(yùn)行方式的前提下，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電將全部用于全廠低壓負(fù)荷（380V）。

　　3.4 編制原則及控制方案

　　為了使余熱發(fā)電工程處于運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)約能源，提高勞動效率，本工程擬采用技術(shù)、性能可靠的可編程邏輯控制系統(tǒng)（簡稱PLC系統(tǒng)）對發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制、檢查和集中管理。

　　3.5 系統(tǒng)配置及功能

　　電氣控制系統(tǒng)(PLC，西門子S7－300)，實現(xiàn)系統(tǒng)工藝邏輯控制，完成數(shù)據(jù)采集、報警停機(jī)、遠(yuǎn)程控制等相關(guān)操作。預(yù)留20%備用I/O點。

　　3.6 ORC設(shè)計計算

　　3.6.1 設(shè)計條件

　　工況：熱源水流量10.9kg/s，熱源水溫140℃，發(fā)電后水溫71.5℃。

　　ORC工質(zhì)冷凝溫度：25度。

　　3.6.2 主要設(shè)備設(shè)計參數(shù)

　　表4 主要設(shè)備設(shè)計參數(shù)

ORC螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組
1、設(shè)備型號：KE440-100W-1-50II		數(shù)量（臺/套）	1
主機(jī)型號：2 * SKYe172/400 名義發(fā)發(fā)電功率：370 kW 蒸發(fā)冷功耗：37 kW，補(bǔ)水量：4.5 t/h 工質(zhì)泵：33 kW 油泵：5 kW 凈發(fā)電功率：295kW 預(yù)熱器出水溫度為71.5 ℃
設(shè)備運(yùn)行重量（單臺）	90t
設(shè)備外形尺寸（單臺）	11600(L)mm×9670(W)mm×11298(H)mm

　　4工藝設(shè)計及布置

　　4.1 集熱器的布置

　　集熱器布置在石灰窯豎式預(yù)熱器與收塵器之間，原煙風(fēng)管道作為旁路不變，在原煙風(fēng)管道上安裝煙風(fēng)閥門，從原煙風(fēng)管道引煙氣進(jìn)集熱器，集熱器煙氣出口回原煙道，根據(jù)需要切換煙氣走向，確保在余熱發(fā)電系統(tǒng)檢修或故障時石灰窯的正常生產(chǎn)。集熱器產(chǎn)生的灰塵通過集熱器拉鏈機(jī)輸送到收塵器拉鏈機(jī)里。

　　4.2 ORC廠房的布置

　　ORC獨立布置在一個鋼結(jié)構(gòu)廠房內(nèi)，廠房左側(cè)集中布置水箱、泵、電氣及控制柜，右側(cè)布置ORC機(jī)組，廠房采用單層布置，房頂布置蒸發(fā)式冷凝器。

　　4.3 余熱發(fā)電工藝流程

　　集熱器利用預(yù)熱器出口煙風(fēng)溫度產(chǎn)生熱水，一部分熱水進(jìn)ORC做功發(fā)電，冷水采用循環(huán)泵再進(jìn)入集熱器循環(huán)使用，系統(tǒng)采用自動補(bǔ)水裝置進(jìn)行補(bǔ)水穩(wěn)壓，確保系統(tǒng)點不汽化，另外一部分熱水在冬季做為辦公樓采暖熱源，供辦公樓采暖使用。

　　5 余熱發(fā)電運(yùn)行情況

　　太鋼東山礦余熱發(fā)電工程經(jīng)5個月的建設(shè)完成，熱負(fù)荷試車，一次性成功。項目在試運(yùn)行階段，克服預(yù)熱器入鍋爐煙氣溫度波動較大的影響，當(dāng)入余熱鍋爐煙氣溫度高時，適當(dāng)開啟原旁路閥，當(dāng)入余熱鍋爐煙氣溫度過低時，熱水做內(nèi)循環(huán)，不進(jìn)入ORC機(jī)組。運(yùn)行時凈發(fā)電功率穩(wěn)定在310KW左右，完全達(dá)到設(shè)計要求，運(yùn)行狀態(tài)良好。

　　6 余熱發(fā)電設(shè)計需注意問題

　　集熱器、ORC機(jī)組選型要匹配，參數(shù)要合理，保持石灰窯余熱處于利用狀態(tài)。集熱器在保證換熱效率的前提下，一定要有適應(yīng)煙氣量和煙風(fēng)溫度波動幅度較大這一特征的保障措施。

　　石灰窯預(yù)熱器狀況要穩(wěn)定，溫度波動要小，石灰窯操作人員一定要與余熱發(fā)電操作人員保持溝通，達(dá)到一個合適的運(yùn)行參數(shù)，穩(wěn)定安全操作。

　　石灰窯煙氣粉塵含量大，易吸水結(jié)塊，腐蝕性強(qiáng)。集熱器在設(shè)計中，要針對這些煙氣的特性做好清灰、防腐蝕、防磨損、防漏風(fēng)的要求。

　　7 結(jié)語

　　石灰窯低品質(zhì)煙氣運(yùn)用余熱發(fā)電技術(shù)是可行的，技術(shù)是成熟的。石灰窯超低溫余熱發(fā)電項目，既做到余熱資源的利用，又減少了環(huán)保壓力，同時增加了經(jīng)濟(jì)效益。在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)形勢下，是企業(yè)競爭力和生存能力的一個很好選擇。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 劉懷亮，時小寶，彭巖。1000t/d石灰窯余熱發(fā)電系統(tǒng)分析及優(yōu)化[J].節(jié)能，2015（1）：8~13

　　[2] 李自成，王云。淺談石灰窯節(jié)能[J].第九屆寧夏青年科學(xué)家論壇論文集：464~465

　　[3] 馬宇飛。石灰回轉(zhuǎn)窯煙氣余熱回收利用分析[J].能源與節(jié)能，2014（7）：153~155