石灰窯超低溫余熱發電可行性技術探討

　　1 石灰窯工藝及余熱量分析

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

　　窯尾加裝了豎式預熱器，使窯尾的煙氣余熱可直接傳導給了石灰石，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，同時也為后續除塵減少了負荷。

　　現場對預熱器出口廢氣實際標定見表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 余熱發電技術的可行性

　　石灰回轉窯煙氣余熱發電國內還沒有可借鑒的案例，但在水泥行業利用回轉窯煙氣余熱進行發電已經非常成熟。

　　汽輪機發電技術，適用于熱量大，蒸汽品質較好且相對穩定的場合。采用汽輪機發電技術，發電效率較高，一次性投資相對低，但占地面積大，運行復雜，人力成本高。

　　石灰窯廢氣溫度低，只能采用有機工質朗肯循環加以利用，有研究表明，當熱源溫度低于350℃時，采用水蒸氣朗肯循環不經濟，適宜采用有機工質朗肯循環（ORC）技術。

　　ORC特點是系統構成簡單，不需要設置除氧、除鹽、排污及疏放水設施；凝結器里一般處于略高于環境大氣壓力的正壓，不需設置真空維持系統。可實現遠程控制，無人值守，需要極少的運行、維修人員，運行成本很低。

　　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，采用集熱器產生熱水。工藝上采用循環熱水和有機工質的雙工質系統，即廢煙氣加熱水，熱水加熱有機工質，冷卻后的熱水繼續返回到煙氣加熱過程中吸熱。

　　3.1集熱器系統

　　集熱器采用立式、對流換熱結構，小風速、低阻力的設計，集熱器阻力在600Pa左右，保證石灰窯排風機的正常運行。

　　表3集熱器設計計算一覽表

集熱器	煙氣進口	煙氣出口	冷水進口	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

　　將集熱器產生的熱水引入ORC型螺桿膨脹發電站做功，驅動發電機發電，發完電后排出70℃左右熱水，接入回水管道，以供煙氣集熱器循環使用。當螺桿機需檢修或緊急停機時，螺桿機快關閥立即關閉，熱水經原管道輸送或者排出，不影響前續、后續工藝正常生產。

　　在熱水管道安裝自動閥門，一旦發生事故（發電機組停機等）自動開啟自動閥門使熱水經原管道輸送或者排出，同時煙道旁通蝶閥打開，在緊急停機時發電機自動從電網中解列出來，對電網不產生影響。

　　3.3 接入系統

　　根據擬建煙氣置換熱水余熱發電工程的具體情況，為確保新建工程生產運行及管理的合理、順暢，新建機組發電線路，經發電站輸出380V至用戶低壓配電室。在買方的配電室內經低壓接入柜并網（ORC發電機組以外的電纜由甲方提供），從而實現余熱發電工程與系統并網運行。在不改變原有供電、運行方式的前提下，發電機發出的電將全部用于全廠低壓負荷（380V）。

　　3.4 編制原則及控制方案

　　為了使余熱發電工程處于運行狀態，節約能源，提高勞動效率，本工程擬采用技術、性能可靠的可編程邏輯控制系統（簡稱PLC系統）對發電系統進行數據采集和控制、檢查和集中管理。

　　3.5 系統配置及功能

　　電氣控制系統(PLC，西門子S7－300)，實現系統工藝邏輯控制，完成數據采集、報警停機、遠程控制等相關操作。預留20%備用I/O點。

　　3.6 ORC設計計算

　　3.6.1 設計條件

　　工況：熱源水流量10.9kg/s，熱源水溫140℃，發電后水溫71.5℃。

　　ORC工質冷凝溫度：25度。

　　3.6.2 主要設備設計參數

　　表4 主要設備設計參數

ORC螺桿膨脹發電機組
1、設備型號：KE440-100W-1-50II		數量（臺/套）	1
主機型號：2 * SKYe172/400 名義發發電功率：370 kW 蒸發冷功耗：37 kW，補水量：4.5 t/h 工質泵：33 kW 油泵：5 kW 凈發電功率：295kW 預熱器出水溫度為71.5 ℃
設備運行重量（單臺）	90t
設備外形尺寸（單臺）	11600(L)mm×9670(W)mm×11298(H)mm

　　4工藝設計及布置

　　4.1 集熱器的布置

　　集熱器布置在石灰窯豎式預熱器與收塵器之間，原煙風管道作為旁路不變，在原煙風管道上安裝煙風閥門，從原煙風管道引煙氣進集熱器，集熱器煙氣出口回原煙道，根據需要切換煙氣走向，確保在余熱發電系統檢修或故障時石灰窯的正常生產。集熱器產生的灰塵通過集熱器拉鏈機輸送到收塵器拉鏈機里。

　　4.2 ORC廠房的布置

　　ORC獨立布置在一個鋼結構廠房內，廠房左側集中布置水箱、泵、電氣及控制柜，右側布置ORC機組，廠房采用單層布置，房頂布置蒸發式冷凝器。

　　4.3 余熱發電工藝流程

　　集熱器利用預熱器出口煙風溫度產生熱水，一部分熱水進ORC做功發電，冷水采用循環泵再進入集熱器循環使用，系統采用自動補水裝置進行補水穩壓，確保系統點不汽化，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 余熱發電運行情況

　　太鋼東山礦余熱發電工程經5個月的建設完成，熱負荷試車，一次性成功。項目在試運行階段，克服預熱器入鍋爐煙氣溫度波動較大的影響，當入余熱鍋爐煙氣溫度高時，適當開啟原旁路閥，當入余熱鍋爐煙氣溫度過低時，熱水做內循環，不進入ORC機組。運行時凈發電功率穩定在310KW左右，完全達到設計要求，運行狀態良好。

　　6 余熱發電設計需注意問題

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

　　石灰窯預熱器狀況要穩定，溫度波動要小，石灰窯操作人員一定要與余熱發電操作人員保持溝通，達到一個合適的運行參數，穩定安全操作。

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

　　7 結語

　　石灰窯低品質煙氣運用余熱發電技術是可行的，技術是成熟的。石灰窯超低溫余熱發電項目，既做到余熱資源的利用，又減少了環保壓力，同時增加了經濟效益。在當前經濟形勢下，是企業競爭力和生存能力的一個很好選擇。

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