關(guān)于水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)的若干思考

董凡 丁繼村

摘 要：水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)在新型干法水泥生產(chǎn)過(guò)程中的運(yùn)用，可以將水泥窖排出的中、低溫廢棄余熱合理轉(zhuǎn)換成電能，借此以達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。基于此，本文就水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行深入的探究。

關(guān)鍵詞：水泥生產(chǎn);水泥窯;余熱發(fā)電

1 ?引言

水泥行業(yè)屬于“高電耗、高能耗”的行業(yè)，水泥生產(chǎn)過(guò)程中水泥窯會(huì)排出很多溫度大約為350℃的中低溫廢氣，這些廢氣的熱量在燃料總輸入熱量中所占的比重為30%，如果直接向大氣排放，就會(huì)導(dǎo)致能源的巨大浪費(fèi)。通過(guò)余熱發(fā)電技術(shù)將此些中、低溫的廢氣加以回收應(yīng)用，形成的高溫過(guò)熱蒸汽就會(huì)進(jìn)入到汽輪機(jī)中做功發(fā)電，發(fā)電機(jī)所輸出的電量能夠提供給水泥廠自身的廠區(qū)生活和生產(chǎn)線用電，有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。與火力發(fā)電廠相比，余熱發(fā)電技術(shù)不需要使用煤炭等其他燃料，因此就不會(huì)形成二氧化碳等其他污染物。

2 ?余熱發(fā)電概述

所謂“余熱發(fā)電”，主要是指將生產(chǎn)環(huán)節(jié)剩余的熱能轉(zhuǎn)化成電能的技術(shù)手段。余熱發(fā)電不但有利于節(jié)能，而且還有助于保護(hù)環(huán)境。余熱發(fā)電的主要設(shè)施為余熱鍋爐，其將廢液和廢氣等工質(zhì)中的可燃質(zhì)或者熱當(dāng)作熱源，形成蒸汽用來(lái)發(fā)電。因?yàn)楣べ|(zhì)的溫度并不是很高，所以鍋爐的體積較大，會(huì)消耗大量的金屬。可用于發(fā)電的余熱主要包括：化學(xué)反應(yīng)余熱、高溫?zé)煔庥酂帷⒌蜏赜酂幔ㄐ∮?00℃）、廢液和廢氣余熱等等。除此以外，還可以利用多余壓差來(lái)發(fā)電;比如：高爐煤氣在爐頂?shù)膲毫Ρ容^大，可以先通過(guò)膨脹汽輪發(fā)電機(jī)繼發(fā)電后再傳送給煤氣用戶利用。

3 ?水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

自水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)誕生以來(lái)，總共出現(xiàn)過(guò)三代余熱發(fā)電技術(shù)。第一代：在窯尾與窯頭分別安裝余熱鍋爐，用于回收篦冷機(jī)與預(yù)熱器一級(jí)出口所排放的溫度在350℃～400℃左右的廢氣余熱。主要包含復(fù)合閃蒸式系統(tǒng)、單壓不補(bǔ)汽式系統(tǒng)以及雙壓補(bǔ)汽式系統(tǒng)等，其都是經(jīng)由形成低壓的蒸汽來(lái)做功發(fā)電。第二代：在窯頭篦冷機(jī)上安裝兩個(gè)抽氣口，用過(guò)熱器來(lái)回收高溫口排放的溫度為500℃的廢氣余熱供，用熱鍋爐來(lái)回收低溫口排放的溫度低于360℃的廢氣余熱;窯尾直接回收預(yù)熱器一級(jí)出口排放的溫度為350℃廢氣余熱，在二級(jí)預(yù)熱器中安裝過(guò)熱器用于回收。相較于第一代，第二代技術(shù)在窯尾二級(jí)預(yù)熱器內(nèi)的廢氣余熱，同時(shí)在窯頭篦冷機(jī)處采取分級(jí)抽氣的形式，達(dá)到了溫度對(duì)口、梯度應(yīng)用，進(jìn)一步加強(qiáng)余熱的回收效率。第三代：主要針對(duì)第二代技術(shù)實(shí)施優(yōu)化、改善，增加了窯頭篦冷機(jī)處的抽氣口，確保低溫、中溫以及高溫廢氣余熱的梯度利用。

4 ?水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)的特征

（1）先進(jìn)的雙壓技術(shù)。水泥窯有著大量的余熱廢氣，溫度通常低于350℃，為了完全應(yīng)用此些低溫?zé)嵩矗瑒t需求發(fā)電系統(tǒng)更加科學(xué)。按照熱工理論可知，雙壓技術(shù)可以使得相對(duì)高溫?zé)嵩矗?10℃～360℃煙氣）形成更高參數(shù)的蒸汽，使得相對(duì)低溫?zé)嵩矗?00℃～210℃煙氣）形成更低參數(shù)的蒸汽，有利于對(duì)廢氣能量進(jìn)行梯度使用，大大提高系統(tǒng)余熱的應(yīng)用效率。

（2）采取高效補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)。主蒸汽由調(diào)節(jié)門與主汽門進(jìn)入到汽輪機(jī)中，低壓蒸汽由汽輪機(jī)的第四級(jí)進(jìn)入到汽輪機(jī)沖動(dòng)葉片中實(shí)施發(fā)電，做功以后的蒸汽通過(guò)冷凝器冷凝后，當(dāng)作凝結(jié)水循環(huán)應(yīng)用，產(chǎn)生“蒸汽——水——蒸汽”額的循環(huán)。此是現(xiàn)階段提升汽輪機(jī)效率的主要渠道。

（3）采取DCS分散控制系統(tǒng)。以全集成自動(dòng)化（TIA）思想為基礎(chǔ)構(gòu)造的“PCS7”，經(jīng)由系統(tǒng)考察與系統(tǒng)集成，采取了適合應(yīng)用于低溫余熱發(fā)電額的DCS（分散控制）系統(tǒng)。此系統(tǒng)采取冗余CPU（中央處理器）、冗余總線結(jié)構(gòu)、故障無(wú)擾動(dòng)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)同步光纖以及智能故障通道診斷等等，構(gòu)建起環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng)，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐以及汽輪機(jī)等進(jìn)行智能調(diào)控，同時(shí)擁有自診斷能力，加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性。DCS控制系統(tǒng)與水泥熟料生產(chǎn)線維持暢通聯(lián)系，及時(shí)搜集熟料的各種數(shù)據(jù)，在線調(diào)整余熱發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)，提升余熱的應(yīng)用效率。控制系統(tǒng)可以搜集、儲(chǔ)存、展現(xiàn)以及打印系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中的各類參數(shù)，可用于數(shù)據(jù)歸檔和趨勢(shì)分析。DCS控制系統(tǒng)，按照水泥熟料生產(chǎn)線的具體工作情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)鍋爐汽包壓力、水位、溫度與流量以及汽輪機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速等。DCS控制系統(tǒng)，可以使得補(bǔ)氣閥在事故狀態(tài)時(shí)有較高的安全性、在正常狀態(tài)時(shí)有較高的效率。

5 ?水泥窯余熱發(fā)電的智能化

（1）改善控制策略，合理利用APS技術(shù)。水泥窯余熱發(fā)電控制系統(tǒng)主要是由若干控制算法以及被控制對(duì)象所構(gòu)成，控制系統(tǒng)的及時(shí)性、可靠性和穩(wěn)定性及利用冗余技術(shù)來(lái)保障生產(chǎn)全過(guò)程的安全性，在智能化發(fā)展趨勢(shì)的引導(dǎo)下，改善控制策略以達(dá)到機(jī)組APS自啟停技術(shù)，APS是機(jī)組自動(dòng)啟停的信息控制中心;在啟動(dòng)時(shí)，依次向所有系統(tǒng)或者設(shè)備下達(dá)啟動(dòng)或者停運(yùn)的指示。APS經(jīng)由控制最佳設(shè)置參數(shù)，可以“快速、安全、經(jīng)濟(jì)”地啟動(dòng)或者停止機(jī)組，在機(jī)組處于啟動(dòng)或者停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，經(jīng)過(guò)監(jiān)視全機(jī)組的工作情況，確保機(jī)組長(zhǎng)期處在安全穩(wěn)定的狀態(tài)。

（2）借助大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)以及云平臺(tái)等來(lái)把握市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，合理確定生產(chǎn)方案。根據(jù)市場(chǎng)訴求，減少水泥企業(yè)的生產(chǎn)費(fèi)用，確保經(jīng)濟(jì)利益最佳化，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)以及云平臺(tái)的利用為水泥生產(chǎn)廠商創(chuàng)建廠級(jí)優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度中心奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。按照水泥廠中熟料庫(kù)的存量、熟料市場(chǎng)的銷售價(jià)格、訴求、熟料生產(chǎn)所需求的煤價(jià)等動(dòng)態(tài)化的數(shù)據(jù)和余熱發(fā)電上網(wǎng)的電價(jià)，通過(guò)建立模型進(jìn)行計(jì)算，從而在很大程度上提高余熱發(fā)電的發(fā)電量。

（3）遠(yuǎn)程診斷。遠(yuǎn)程診斷主要包含遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、故障診斷兩部分，是水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)智能化建設(shè)必不可少的部分，將各個(gè)空間的設(shè)施裝置和診斷資源經(jīng)由大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接，動(dòng)態(tài)搜集數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行工況。

（4）定位系統(tǒng)。水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)的定位應(yīng)當(dāng)看作是水泥企業(yè)整體定位系統(tǒng)的重要組成部分，定位系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含車輛定位、人員定位以及物資定位等等。定位系統(tǒng)是以“互聯(lián)網(wǎng)+”為基礎(chǔ)、創(chuàng)建于整個(gè)廠區(qū)三維模型下的安全管理系統(tǒng)。比如：以人員定位為例，經(jīng)由對(duì)工作人員佩戴標(biāo)簽來(lái)進(jìn)行定位，通過(guò)廠區(qū)內(nèi)分布式定位系統(tǒng)基站的雙向數(shù)據(jù)交互，對(duì)所有人員開展高效的監(jiān)管，同時(shí)有助于達(dá)到視頻監(jiān)控與人員定位的聯(lián)動(dòng)，定位系統(tǒng)將人員的實(shí)時(shí)位置和行走軌跡呈現(xiàn)在三維虛擬廠貌中，從而加強(qiáng)監(jiān)控管理的時(shí)效性。

6 ?結(jié)論

綜上所述，水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)可以將廢氣內(nèi)的熱能高效換轉(zhuǎn)成電能，明顯加強(qiáng)水泥生產(chǎn)中的能源運(yùn)用率，節(jié)能功效顯著。除此以外，經(jīng)由余熱鍋爐的處理，廢氣的含塵濃度和排放溫度有較大幅度的下降，避免對(duì)環(huán)境的影響。所以，水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)是兼具社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境效益的先進(jìn)技術(shù)，具有極其廣闊的發(fā)展前景，從而助力實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。

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