石灰窑超低温余热发电可行性技术探讨

　　石灰窑超低温余热发电可行性技术探讨

　　1 石灰窑工艺及余热量分析

　　太原钢铁集团东山矿业600TPD活性石灰回转窑生产线项目由中信重工总承包，以煤为燃料，采用带竖式预热器、回转窑及竖式冷却器组成的生产工艺线，自动化程度高，目前已投入生产。

　　窑尾加装了竖式预热器，使窑尾的烟气余热可直接传导给了石灰石，烟气温度可降低到200℃，有效地回收了尾气排放所带走的热量，同时也为后续除尘减少了负荷。

　　现场对预热器出口废气实际标定见表1，烟气成分见表2。

　　表1烟囱烟气量　　

用户	烟气量	含尘量	气体温度(℃)
太原钢铁东山石灰石矿	20万m3/h	20g/Nm3	180~220

　　表2 太钢东山矿石灰窑烟气成分

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 余热发电技术的可行性

　　石灰回转窑烟气余热发电国内还没有可借鉴的案例，但在水泥行业利用回转窑烟气余热进行发电已经非常成熟。

　　汽轮机发电技术，适用于热量大，蒸汽品质较好且相对稳定的场合。采用汽轮机发电技术，发电效率较高，一次性投资相对低，但占地面积大，运行复杂，人力成本高。

　　石灰窑废气温度低，只能采用有机工质朗肯循环加以利用，有研究表明，当热源温度低于350℃时，采用水蒸气朗肯循环不经济，适宜采用有机工质朗肯循环（ORC）技术。

　　ORC特点是系统构成简单，不需要设置除氧、除盐、排污及疏放水设施；凝结器里一般处于略高于环境大气压力的正压，不需设置真空维持系统。可实现远程控制，无人值守，需要极少的运行、维修人员，运行成本很低。

　　3 工艺方案及计算

　　本次工艺方案的选择是，利用石灰窑余热，采用集热器产生热水。工艺上采用循环热水和有机工质的双工质系统，即废烟气加热水，热水加热有机工质，冷却后的热水继续返回到烟气加热过程中吸热。

　　3.1集热器系统

　　集热器采用立式、对流换热结构，小风速、低阻力的设计，集热器阻力在600Pa左右，保证石灰窑排风机的正常运行。

　　表3集热器设计计算一览表

集热器	烟气进口	烟气出口	冷水进口	热水出口
温度	180-200℃	100℃	71.5℃	140℃
流量	200000m³/h	200000m³/h	40t/h	40t/h

　　3.2工艺系统

　　将集热器产生的热水引入ORC型螺杆膨胀发电站做功，驱动发电机发电，发完电后排出70℃左右热水，接入回水管道，以供烟气集热器循环使用。当螺杆机需检修或紧急停机时，螺杆机快关阀立即关闭，热水经原管道输送或者排出，不影响前续、后续工艺正常生产。

　　在热水管道安装自动阀门，一旦发生事故（发电机组停机等）自动开启自动阀门使热水经原管道输送或者排出，同时烟道旁通蝶阀打开，在紧急停机时发电机自动从电网中解列出来，对电网不产生影响。

　　3.3 接入系统

　　根据拟建烟气置换热水余热发电工程的具体情况，为确保新建工程生产运行及管理的合理、顺畅，新建机组发电线路，经发电站输出380V至用户低压配电室。在买方的配电室内经低压接入柜并网（ORC发电机组以外的电缆由甲方提供），从而实现余热发电工程与系统并网运行。在不改变原有供电、运行方式的前提下，发电机发出的电将全部用于全厂低压负荷（380V）。

　　3.4 编制原则及控制方案

　　为了使余热发电工程处于运行状态，节约能源，提高劳动效率，本工程拟采用技术、性能可靠的可编程逻辑控制系统（简称PLC系统）对发电系统进行数据采集和控制、检查和集中管理。

　　3.5 系统配置及功能

　　电气控制系统(PLC，西门子S7－300)，实现系统工艺逻辑控制，完成数据采集、报警停机、远程控制等相关操作。预留20%备用I/O点。

　　3.6 ORC设计计算

　　3.6.1 设计条件

　　工况：热源水流量10.9kg/s，热源水温140℃，发电后水温71.5℃。

　　ORC工质冷凝温度：25度。

　　3.6.2 主要设备设计参数

　　表4 主要设备设计参数

ORC螺杆膨胀发电机组
1、设备型号：KE440-100W-1-50II		数量（台/套）	1
主机型号：2 * SKYe172/400 名义发发电功率：370 kW 蒸发冷功耗：37 kW，补水量：4.5 t/h 工质泵：33 kW 油泵：5 kW 净发电功率：295kW 预热器出水温度为71.5 ℃
设备运行重量（单台）	90t
设备外形尺寸（单台）	11600(L)mm×9670(W)mm×11298(H)mm

　　4工艺设计及布置

　　4.1 集热器的布置

　　集热器布置在石灰窑竖式预热器与收尘器之间，原烟风管道作为旁路不变，在原烟风管道上安装烟风阀门，从原烟风管道引烟气进集热器，集热器烟气出口回原烟道，根据需要切换烟气走向，确保在余热发电系统检修或故障时石灰窑的正常生产。集热器产生的灰尘通过集热器拉链机输送到收尘器拉链机里。

　　4.2 ORC厂房的布置

　　ORC独立布置在一个钢结构厂房内，厂房左侧集中布置水箱、泵、电气及控制柜，右侧布置ORC机组，厂房采用单层布置，房顶布置蒸发式冷凝器。

　　4.3 余热发电工艺流程

　　集热器利用预热器出口烟风温度产生热水，一部分热水进ORC做功发电，冷水采用循环泵再进入集热器循环使用，系统采用自动补水装置进行补水稳压，确保系统点不汽化，另外一部分热水在冬季做为办公楼采暖热源，供办公楼采暖使用。

　　5 余热发电运行情况

　　太钢东山矿余热发电工程经5个月的建设完成，热负荷试车，一次性成功。项目在试运行阶段，克服预热器入锅炉烟气温度波动较大的影响，当入余热锅炉烟气温度高时，适当开启原旁路阀，当入余热锅炉烟气温度过低时，热水做内循环，不进入ORC机组。运行时净发电功率稳定在310KW左右，完全达到设计要求，运行状态良好。

　　6 余热发电设计需注意问题

　　集热器、ORC机组选型要匹配，参数要合理，保持石灰窑余热处于利用状态。集热器在保证换热效率的前提下，一定要有适应烟气量和烟风温度波动幅度较大这一特征的保障措施。

　　石灰窑预热器状况要稳定，温度波动要小，石灰窑操作人员一定要与余热发电操作人员保持沟通，达到一个合适的运行参数，稳定安全操作。

　　石灰窑烟气粉尘含量大，易吸水结块，腐蚀性强。集热器在设计中，要针对这些烟气的特性做好清灰、防腐蚀、防磨损、防漏风的要求。

　　7 结语

　　石灰窑低品质烟气运用余热发电技术是可行的，技术是成熟的。石灰窑超低温余热发电项目，既做到余热资源的利用，又减少了环保压力，同时增加了经济效益。在当前经济形势下，是企业竞争力和生存能力的一个很好选择。

　　参考文献

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　　[3] 马宇飞。石灰回转窑烟气余热回收利用分析[J].能源与节能，2014（7）：153~155