蒸汽/热水闪蒸复合发电技术在水泥窑纯低温余热发电项目中的应用

一、 前言
　　蒸汽／热水闪蒸复合发电技术是一项能最大限度地回收中、低温余热热能的发电技术，是国家重点推广的八项资源节约综合利用技术1之一，为国家新型实用技术专利。该项技术的主要特点是综合利用效果好、适应性强、运行稳定、应用领域广泛。在我国的宁国水泥厂水泥窑余热发电项目、海南南山燃气联合循环项目中，蒸汽／热水闪蒸复合发电技术的应用使得这两个项目获得了良好的经济效益；在国外（尤其是在日本），该项技术在水泥、冶金、轻工、纺织、化工等行业中被广泛应用，在全世界范围内还有数十家利用地热温泉中蕴涵的热能通过闪蒸技术进行发电的电厂。
　　华效资源有限公司早于1994年就开始着手蒸汽／热水闪蒸复合发电技术的研究，并完成了原国家经贸委的课题：“中低温余热利用—蒸汽/热水闪蒸复合发电示范工程预可行性研究报告”，并于同年9月通过原国家经贸委的课题评审。2002年1月，华效资源有限公司与海南中海能源南山电厂签订专项技术服务合同，将蒸汽／热水闪蒸复合发电技术应用到燃气轮机排气的余热发电工程中，2003年5月该项目投入试运行，实际发电效率比合同效率高出5%。2004年9月，华效资源有限公司与新矿集团正式签订了新矿泰山水泥有限公司的日产7500吨水泥窑余热发电项目总承包协议书，该项目于2004年年底开工，计划于2005年8月并网发电。
　　通过多年的实践与研究，华效资源有限公司积累了丰富的余热综合利用实践经验。本文主要结合水泥窑余热资源的特性介绍蒸汽／热水闪蒸复合发电技术的原理、特点以及在水泥行业余热发电项目中的优势。
二、 水泥窑中低温余热资源特性
　　目前，我国大部分水泥熟料生产线窑尾预热器（PH）排出的废气温度一般为350℃左右，窑头空气冷却器（AQC）排出的废气温度一般为250℃左右。这些废气属于中低温余热资源，为二次能源、中级能，其携带的热能主要包括燃料燃烧产物经利用后的排气显热、灰渣及高温熟料的显热、水蒸汽汽化潜热等部分组成。尽管废气中所携带的热量较大，但其火用值2较低，故此对其进行回收利用的难度较大。
　　根据水泥熟料生产线的工作特点，废气排气量和排气温度均不稳定，存在一定的波动范围，窑头空气冷却器（AQC）排气温度的波动范围甚至高达±100℃。导致排气量和排气温度产生波动的原因是多样的，也是必然的。因此，为保证水泥熟料生产线的安全稳定运行，余热回收发电系统及主要设备必须要适应排气量和排气温度的大幅度波动特性，并保证在任何工况下都能尽最大限度地回收余热资源。
　　此外，水泥熟料生产线排出废气的粉尘浓度较大且废气压力较低（接近-6000Pa左右）。因此，余热锅炉的设计不仅要考虑减少积灰、降低磨损，而且还要解决密封问题，减少漏风损失，提高余热资源的综合利用率。
　　上述这些水泥窑中低温余热资源特性均对余热回收发电系统及各项设备提出了较高的要求。因此，为最大限度地提高余热资源的综合利用率，必须针对水泥窑中低温废气的各种特性，提出用蒸汽／热水闪蒸复合发电技术的解决方案，使余热发电系统更高效、更经济、更环保、更稳定、更安全。
三、 蒸汽／热水闪蒸复合发电技术简介
1、 热水闪蒸技术
　　水的沸点与压力一一对应，压力越高，对应的沸点越高，压力越低，沸点也越低。高压热水或高压饱和水突然扩容或降压，则有一部分水会汽化成蒸汽，其加热热源来自水中的汽化潜热。
　　如果以高压水为工质，在余热锅炉中将水吸热升温后并不汽化，然后在闪蒸器中扩容降压，产生一定压力的蒸汽，再让蒸汽通过汽轮机膨胀作功，发出电能，这就是“闪蒸发电系统”。
　　闪蒸技术在世界范围内已得到了广泛应用，技术相当成熟可靠。主要应用领域包括：
* 冶金、水泥行业排放的中低温废气余热综合利用，通过余热锅炉加热给水，然后通过闪蒸产生蒸汽用于发电；
* 企业冷凝水回收余热利用，通过闪蒸从冷凝水中产生蒸汽用于给水加热和热交换；
* 锅炉排污余热利用，通过闪蒸从锅炉排污水中产生蒸汽用于给水加热和/或热交换；
* 闪蒸发电厂，利用地热温泉闪蒸产生蒸汽用于发电。
2、 蒸汽/热水闪蒸复合发电技术
　　蒸汽/热水闪蒸复合发电技术的最主要特点是：根据余热资源的数量和品位，实现合理的能级匹配，在符合技术经济原则的条件下，有机地将常规余热发电系统和闪蒸系统结合起来，最大限度地利用余热资源。
　　蒸汽/热水闪蒸复合发电技术主要以200~500℃的低温废气作为加热热源，系统设置余热锅炉、闪蒸器、汽轮发电机组等。余热锅炉在不补燃的情况下生产出一定温度压力的过热蒸汽及一定量的高温高压热水，高温高压热水通过闪蒸器闪蒸出饱和蒸汽，过热蒸汽和闪蒸出的饱和蒸汽分别进入汽轮机主进汽口和补汽口作功发电。
　　-下图是两窑四炉一机一级闪蒸水泥余热发电综合利用项目的系统示意图。

   
　　系统之所以设置闪蒸系统主要考虑提高吨熟料发电量及适应水泥窑废气热源的不稳定性及变工况情况。主要表现如下：
　　a) 闪蒸系统的设置能最大程度地利用余热资源，增加吨熟料发电量，综合利用效果好。
　　对于汽轮机做功而言，蒸汽入口参数越高，焓降越大，其做功能力也越强，因此要求余热锅炉应尽可能提高过热蒸汽的参数。然而，根据传热机理，在一定的废气参数条件下，余热锅炉能提供蒸汽参数（流量、温度、压力）是相对有限的。换言之，尽管水泥窑熟料生产线排出中低温废气热源携带着较大的热量，但能用于产生一定参数的过热蒸汽所需要的废气热量只占中低温废气热源所携带全部热量的一部分，还有一部分中低温废气热源没有利用。这对于任何余热发电系统而言都是相同的。
　　因此，为最大限度地提高余热资源的利用率，在系统中设置热水闪蒸系统，余热锅炉设置给水加热低温段，在不产生受热面低温腐蚀的前提下，尽可能降低排烟温度，最大限度地回收中低温废气热源没有被利用的部分，同时使余热产生大量的热水在闪蒸器中产生饱和蒸汽。这部分饱和蒸汽即可以直接送至汽轮机低温段作功，进而提高发电量，也可以再送回余热锅炉用于提高过热蒸汽的产量。采用此项技术一般可比常规中低温余热发电技术多发电10%~30%。
　　下图是蒸汽/热水闪蒸复合发电技术与常规中低温余热发电技术在余热综合利用方面的比较。

   
　　b) 闪蒸系统的设置能很好地适应水泥窑生产线的变工况情况，能适应水泥窑废气量及废气温度的大幅度波动，使余热发电系统安全运行、稳定可靠，提高设备运转率、运转时间以及相对窑运转率。
　　水泥窑熟料生产线的特点决定了其排出的废气热源存在必然的不稳定性，废气排气量和排气温度均有较大的波动范围。由于余热发电属于副产品，不影响水泥生产线的正常运行，即不影响水泥熟料的产量和质量，是余热发电系统设计的前提。具体表现为：不能影响水泥生产线的正常运转，必须很好地适应水泥生产线正常的工况变化，并且在各种变化的工况条件下仍能保持较高的余热利用率和发电效率。因此，任何余热利用发电技术必须要具备上述几项条件，才能保证余热综合利用发电项目的安全性、可靠性、稳定性和经济性。
　　对于常规余热发电技术而言，其系统的设计是按照给定的设计参数并考虑一定的废气热源波动范围进行的，然而，从设计的角度出发，发电系统及各主要设备的设计能适应热源波动的范围有限，且当废气参数偏离设计工况时，不仅难以达到设计效率而且还有可能影响到水泥窑生产线的正常运转。这主要是因为常规余热发电技术没有相应的调节手段。
　　然而，在蒸汽/热水闪蒸复合发电技术中，由于设置了热水闪蒸系统，当废气参数发生大幅度波动或废气热源的工况条件发生变化时，工质侧高温段的吸热量可保持相对不变，废气热源发生变化的部分在工质侧低温段消化吸收，可通过调整给水量及闪蒸系统的液位高度等方法实现。
　　同时，蒸汽/热水闪蒸复合发电技术可保证在废气热源波动及工况变化时，实现最大化的余热利用率和发电效率，进而提高余热发电系统相对窑运转率、设备运转率和运转时间，不影响水泥窑生产线的正常运转，提高余热综合利用系统的安全性和可靠性，只有这样才能保证整个项目的经济性和社会效益。
四、 蒸汽/热水闪蒸复合发电技术应用实例
* 由日本NEDO无偿捐赠的低温余热发电技术和设备，采用蒸汽/热水闪蒸复合发电技术，于1998年底在安徽宁国水泥厂投入运行。经几年的实践证明，该项技术成熟可靠，其发电量、设备运转率、运转时间以及相对窑运转率均较高，经济效益显著。
* 2002年1月华效资源与海南中海能源南山电厂签订燃气轮机排气蒸汽／热水闪蒸复合发电技术服务合同。2003年5月18日海南南山电厂项目正式完成72小时试运行验收、并网发电。实际发电效率比合同效率高5%左右。

    
2004年10月，华效资源有限公司与新矿集团正式签订新矿泰山水泥有限公司日产7500吨水泥窑余热发电项目总承包合同。
2004年12月28日，新矿泰山水泥有限公司日产7500吨水泥窑余热蒸汽／热水闪蒸复合发电项目破土动工，计划2005年8月并网发电。
1 国家经贸委资源司《资源[1994] 036号》文件《关于抓紧做好申报1995年资源节约综合利用技术改造专项贷款项目及有关工作的通知》。
2 （Exergy），也称为“可用能”，是指能量中的可用部分。