基于多种技术的巴基斯坦水泥厂余热发电方法讨论.doc

《基于多种技术的巴基斯坦水泥厂余热发电方法讨论.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于多种技术的巴基斯坦水泥厂余热发电方法讨论.doc（24页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、基于多种技术的巴基斯坦水泥厂余热发电方法讨论 在巴基斯坦水泥行业的案例研究S. Ali Abbas Kazmi1, M. Zahir Khan2Electrical Engineering Department1,2University of Engineering and TechnologyPeshawar, Pakistanengrkazmi_, zahirkhannwfpuet.edu.pk摘要熟料生产过程中在悬浮预热器（SP）和气淬室（AQC）排出的废气里约40%的热未被利用而被排放到大气中，水泥工业具有余热回收（余热回收）的最大潜力。在本文中，将对通过余热回收发电系统的不同技术进行

2、讨论。而我们主要关注的是目前提高功率，这和利用不同的余热回收技术的出发点是相同的。该论证是基于一个案例研究，没有实际安装余热回收系统。对利用不同的方法得到的发电结果进行比较，应用清洁发展机制方法后产生的排放也减少了。根据我们的各种操作的条件和局限性，最终给出了最合理最佳的系统。另外也设计了余热发电厂的监控计费和电力使用的系统，并提及余热回收装置系统的优缺点，它可以为向巴基斯坦这样的第三世界国家提供可持续发展。缩写与全称对应余热回收（WHR）；余热回收系统（WHRS）；悬浮预热器（SP）；气淬室（AQC）；余热回收发电厂（WHRPP）；全国传输调度公司（NTDC）；温室气体（GHGs）；清洁发展

3、机制（CDM）；有机朗肯循环（ORC）。1引言水泥工业是巴基斯坦的主要产业之一，其中熟料生产产生的约40%污染环境的热量被排放到大气中1，同时，世界各地尤其是在巴基斯坦的电力短缺，经济问题和高能源需求等问题要求一个高产能并且环境友好型的电能生产系统，而余热回收系统完全符合这项要求。在巴基斯坦，水泥工业地区余热气体比较多，是安装回收系统的很好选择。结果减少了巴基斯坦如全国传输调度公司这样的全国高压输电线网的部分负载依赖和水泥生产成本。当每个水泥厂由新技术开发中心指示减少负荷时，他还确保回转窑在休息时间的正常运转，在减少温室气体如二氧化碳，这是一个对全球变暖和环境污染的主要因素，而且根据京都协议书

4、发展机制，可以将出售电能清洁发展的方法资本化2。2 论文概述2.1示范项目介绍 我们的项目基于Askari（阿斯卡里）水泥有限公司，它位于Hassan-abdal（哈桑阿卜杜勒）附近，巴基斯坦Punjab（旁遮普）省。它一条生产线生产能力为3700吨，以前没有自备电厂和余热回收系统。它采用ABB公司6.3kV、50Hz自动化电压，这方面的努力的目的是为了给未建设余热回收电厂演示余热回收系统的项目的整体观。目前，全球范围应用不同的有效技术来操作、维护和满足我们要求的余热回收系统。2.2世界范围不同的余热回收技术世界上使用的三大主要技术讨论了按他们的电力生产、辅助设备消耗3，余热回收发电厂基于蒸汽

5、朗肯循环，单次闪光系统和双压系统可以在南亚考虑使用，因为水泥厂坐落于这里，SP和AQC出口气体温度高，而且工作介质是水，它环境友好、安全、低成本和资源充足。有机朗肯循环系统结构简单、适合低温余热回收发电。但因为像夹点这样的若干因素而发电是有限的，工作液分解与高温下工作液的成本高，环境关注者担心他们破坏臭氧层（大多是氟利昂制冷剂）等等。卡利纳循环利用水、氨水的混合物和电源，该系统直接取决于该混合物施加的压力和温度的浓度。它有一个复杂的系统，它通常与在巴基斯坦水泥厂的余热回收条件重叠，所有的结果通过MATLAB仿真程序证明。2.3减少排放该技术的另一个优点是有功于温室气体如二氧化碳减排。减少二氧化

6、碳排放是全球变暖和减轻环境污染的一个重要任务。小规模的项目AMS-111Q废气减排可用于我们的清洁发展机制的方法案例研究，根据联合国气候变化框架公约2和4京都议定书，它产生的电能，可以出售给国际市场带来额外的收入，同没有环保发展机制比较，有助于进一步收到快速的投资回报。3 余热发电方法出口废气的数量和质量主要取决于水泥厂窑产能，水泥厂的产能越大，产生的功率就越多，如图1所示： 图1 电力生产能力与水泥厂的产能在世界不同的有机朗肯循环技术为基础的余热发电单次闪光系统中，特别是像亚洲特别是南亚这样的地方温度环境比较高，双压系统所用的燃料是安全、廉价和环境友好的水。基于有机朗肯循环技术的余热回收发电

7、厂发电系统中所需的辅助设备的消耗正常情况下的10%。在很多因素下，它经济的价格可以容易地满足巴基斯坦水泥工业温度条件1。其他的系统结构简单，主要用于欧洲，这对温度要求相对非常低的的有机朗肯循环来说是好的，但由于夹点制约、质量、流量对温度限制对温度的影响等原因，这样导致对环境来说发电能力较小。它没被使用也因为有机朗肯循环的工作流体非常昂贵（25美元/公斤）。它们是易燃的，有机朗肯循环比锅炉（热交换器）环境威胁大。在基于有机朗肯循环的余热回收发电厂技术系统中所需的辅助设备使用的功率比未安装系统降低6%。虽然燃料价格和其他因素的它的成本和价格高，但它是非常容易操作6。另一个日益普及全球的技术是卡利纳

8、循环，使用含有氨和水的特定比例混合燃料。它与以有机朗肯循环基础相比，吸收了更多的热量，而且发电量更多。余热回收发电厂统中所需的辅助设备的消耗的功率利用率达14%。这种发电技术是受进水氨氮浓度影响较大，这是非常昂贵的，需要一个高水平的观察和维护78。3.1水泥厂的余热回收所需数据通过余热回收发电厂发电主要取决于水泥厂的工艺参数。实证研究的典型参数（3700吨/天）如表1所示。表1 典型项目的废气条件水泥厂余热气体参数序号参数单位数值1预热器气体温度3802SP锅炉气体温度2203熟料冷却机废气温度3704预热器排气质量流量kg/s925熟料冷却机废气质量流量kg/s636SP废气流量m/h167

9、5007AQC排气质量流量m/h1925008AQC废物排放的气体密度kg/m2.129SP废气密度kg/m1.823.2方程和单位温度范围从T1到工作流体达到的最高温度T4的工作流体温度锅炉，温度范围是T1T4。锅炉：高压高温的余热气体送到供热锅炉，它进一步分为省煤器，预热器和过热器。省煤器：从泵锅炉提高流体的温度9Q = mCp(T2-T1) (1)预热器：预热工作流体的蒸汽 Q = mCp(T3-T2) (2)过热器：加热过热蒸汽Q = mCp(T4-T3) (3)锅炉效率10：B = 0.8锅炉效率：结合两AQC和SP锅炉。BC = 0.80.8=0.64实际热回收：QA = BCmC

10、p(T4-T1) (4) 实际热回收KWt： QAMW = BCmCp(T4-T1)0.001163 (5) 其中：0.001163 =（1/860）KW在紧急的情况下关闭操作涡轮的实际效率：T = 0.75/其余的蒸汽流出，闪光或辅助锅炉再生利用。水轮机实际工作KWt：PAMWT = BCTmCp(T4-T1)0.001163 (6)截止阀工作在反向功率的情况下发电机的实际效率：G = 0.90发电机实际工作KWe：PAMWG = GPAMWT (7)当其他的发电机跳闸时，经过冷却塔冷凝器的冷却工作流体温度逐渐降低，水泵（多级）收回工作流体返回到通风装置和锅炉（回收装置）。3.3仿真结果和不

11、同的余热回收技术的比较全球各种利用余热回收系统构成的技术单次闪光技术，双压技术，有机朗肯循环技术和卡利纳循环技术的有效发电，主要涉及两个主要的输入参数：烟道气体温度和气体流量3。 基于单次闪光系统的余热回收发电厂原理图如图2所示，显示出其工作流程。闪光装置不仅消除了氧还增加为发电汽轮机涡轮的不饱和蒸汽的温度。图2 基于余热回收发电厂的单次闪光示意图基于双压系统的余热回收发电厂原理图如图3所示，显示出其工作流程。它包含一个额外的锅炉，利用排水和释放蒸汽实现发电和效率高的小型电力生产。图3 基于双压的余热回收发电厂示意图图4 基于有机朗肯循环的余热回收发电厂示意图基于有机朗肯循环的余热回收发电厂系

12、统如图4所示，显示出它的工作流程。它具有结构简单使用方便的优点，但它低温热能回收有限，除了工作液成本高和造成环境危害之外，发电时维修费用作业成本也都很高6。 基于卡利纳的余热回收发电厂原理图如图5所示，显示出其工作流程。图5 基于卡利纳的余热回收发电厂示意图表2 基于不同技术的余热回收发电厂比较序号参数单次闪光双压系统有机朗肯循环卡利纳1AQC锅炉输入（MW）24.47924.47916.68734.7722SP锅炉输入（MW）10.80410.8044.88213.98723输入合计（MW）35.28335.28321.50948.75924实际输入（MW）28.226928.93217.2

13、139.00765锅炉热输出的有效回收（KW）18.065218.68825.211821.94186AQC锅炉的过热蒸汽(T/h)31.454531.454549.959633.5667SP锅炉的过热蒸汽(T/h)13.88113.88115.750916.48558锅炉辅机05.6666009过热蒸汽(T/h)45.33555165.710550.051510水轮机输出（KW）8.67138.97025.91399.873811发电机输出（KW）7.80428.07325.32268.886412厂用电（KW）0.78040.84770.31941.244113净输出功率（KW）7.023

14、87.22555.00327.642314过程的效率(%)27.64827.734430.925140.5卡利纳循环工作过程复杂，但具有更高发电工艺流程和效率。由于设计和工艺的限制，它的发电水平限于10MWe以下11。它系统运行和维护成本高，辅助设备的功耗大，但对单线的小型旧水泥厂，这是更好的选择，给水泥厂一种新的发展，因为在未来，只有水泥厂在合适的时间安装该系统并将电能作为额外的收入来源，水泥厂将以额外增产三分之一在竞争中获得优势。所有种类余热回收发电厂系统整体的比较的仿真结果如表2所示12。4 减排和清洁发展机制的方法通过计算，项目的实施中温室气体如CO2减排的量减少， 我们的AMS-11

15、1Q项目示范案例研究使用清洁发展机制，根据余热回收的小规模项目的方法学（气/热/压力）项目中的版本4（清洁发展机制方法学指南），可以计算某一年减排量，给出的方程如下4：ERy = EByEPy (8)其中： ERy = 在Y年应用余热回收发电厂系统后温室气体减排量（吨二氧化碳）EBy = 在Y年没有应用余热回收发电厂系统是温室气体的排放量（吨二氧化碳）EPy = 在Y年应用余热回收发电厂系统的生产过程中温室气体排放量（吨二氧化碳）。此参数是零。Enet,y = 厂用电 = 6000KWEFy = 巴基斯坦排放因数 = 0.483（tCO2/MWh）.EBy = Enet,y EFy (9)结果

16、生产每MWh电力减少20866吨的二氧化碳排放，若清洁发展机制承诺期为5年，按二氧化碳为18美元/ 14吨，然后对回收的影响就更明显。5 余热回收发电厂对水泥厂的影响 图6 余热回收发电厂系统中熟料生产整体效果图7 余热回收发电厂系统中水泥生产整体效果用于演示的案例研究是一个产能为3700（吨/天）的水泥生产厂，它最大需量为19MW，我们假设利用单一的基于单次闪光的余热回收发电厂系统生产7.2 MW总电力，最大1MW辅助消费。实际生产中，水泥总产能为108.3251千瓦时/吨，熟料生产成本51.5千瓦时/吨。 余热回收发电厂系统的整体效果如图6所示12。5.1监控系统及计费尽管电力生产的可用于

17、现场，但由于特殊的硬件设计昂贵，所以它的总体成本高，导致一个最强大的系统从余热回收发电厂系统运行中可用发电功率利用率是有限的。一个简单的和更好的解决方案是安装接收器接收来自国家电网和余热回收发电厂系统传输侧的数据然后再输送到国家电网。所以整体的账单将包括，从余热回收发电厂系统得到的国家电网的数据，并将国家电网的电力供应中停机和故障条件计算在内。计费系统的算法程序如下所示：if PNET generated,Power transmitted to cement plant Main sub-station (MSS) toWAPDA/NTDC (National grid) giving re

18、ading onsending/transmitting meter.else if P is not generated, Power taken from WAPDA/ NTDC(National grid), giving reading on receiving meterend ifif Power Produced by WHRPPNet Bill = Bill of Received Power from WAPDA - Bill ofTransmitted/generated Power by WHRPPelseNet Bill = Bill of Received Power

19、 Net Bill = Bill of ReceivedPowerend ifend5.2 余热回收发电厂安装的障碍和优势5.2.1 障碍在安装余热回收发电厂时的障碍有安装余热回收系统的成本。项目成本越高，推广越困难。由于投资的障碍已经被考虑，因为银行等投资机构，随着对项目的实施中技术方面熟悉和相关风险的认识，提供不同的投资和融资机制。它可能风险较大，余热回收发电厂发电和内部收益率（IRR）可能低于预期，在这种情况下，银行有权不延长贷款期限宽限期，所以如果该项目有更糟糕的情况发生必须有其他的替代安排。这也对项目的实现造成了障碍。由于余热回收发电厂主要技术障碍取决于所使用的设备类型，而巴基斯坦尚

20、无余热回收发电厂设备的生产，所以我们都依赖于其它国家。训练有素的人力是余热回收发电厂运行平稳运行的主要问题。余热回收发电厂将缺点颇多的传统的蒸汽发电厂的设计，改变为更大程度上按照工艺要求蒸汽，所以余热回收发电厂的蒸汽需要由训练有素的人力处理。基于有机朗肯循环的余热回收发电厂系统相对更容易处理，但它需要较高人力安全性和工作流体处理技术，因为大多数的有机液体具有挥发性。卡利纳循环的操作更复杂和难以掌握，因为它需要观察能力水平高并训练有素的工作人员，要求监测在高温流体的水和氨的浓度变化很小情况下，经过繁琐流程后对输出功率影响。同时基于卡利纳循环的余热回收发电厂系统的维修人员需要特殊的训练，因为它是相

21、对较新的技术，这进一步增加了生产成本和阻止投资者投资这类项目。水泥工业余热回收发电厂系统过程的主要限制是SP锅炉中原材料和煤的预热不允许其达到最高温度，必须保持在200。同时废气流经过程中有高含量的粘性粉尘会导致锅炉管堵塞。其他的障碍包括余热回收发电厂产能，如余热回收发电厂应该生产电力才有助于窑和冷却区的满负荷运行，甚至国家电网其他地区发电机关机的情况下成为辅助设备13。5.2.2 优势余热回收发电厂系统安装的技术优势和经济优势包括减少对国家电网电力负荷依赖，CO2减排，它还有助于生产过程的顺利进行。因为新技术开发中心指令调度所有在巴基斯坦的水泥厂，会使其在要求的时间（TOD）中负载最小，导致

22、窑旋转速度迅速减小而截至，因此会造成巨大的生产损失。该系统的安装，必须确保完成生产过程中水泥在TOD时间内通过余热回收生产的电能产生足够的力量完成窑的闭环操作，因为只有当窑生产运行时才有废气产生，否则如果一旦窑关机，至少要花30个小时来重启。由公司经济学的主要经济影响方面来讲它节省昂贵的电力支出14。它赋予老水泥厂新的生命，因为它们有最大的余热排放，从而将自己的潜力转化为一个有用的和昂贵的产品电能15。由于在出口处高温气体的温度降低，它使周围环境的温室气体排放量明显减少 16。它发电成本降低，因为没有额外的燃料使用和装置设置，是可持续发展的一个很好的例子，也应该应用于其他工业过程17。6 结语

23、从水泥厂余热回收系统的有关结果证明，基于卡利纳的余热回收发电厂系统产生的功率最大，但比任何其他方法要求都需要高水平的监测且具有较高等级的辅助设备。同时燃料成本和维护成本高。因为它是相对较新的技术，所以人员的训练也是一个问题。另一方面，有机朗肯循环产生一定功率的所需燃料成本高，并有一定的环境问题，但它需要的辅助设备最少且易于监控。利用蒸汽产生功率的余热回收发电厂系统，辅助设备数量合适和系统环境友好，因为它需要水作为工作流体，监测和人员训练不成问题，但测试技术需要较高的废气温度，这对巴基斯坦来说是偏高的。总结起来就是，余热回收发电厂系统最合适的技术时基于卡利纳循环，由于它在余热回收发电厂系统稳定性和可靠性的基础上，产生的电力和蒸汽产能最大。基于卡利纳的余热回收发电厂系统在数量上来说，生产了更多的电力，减少了更多的CO2排放，实现了最大的碳生产，这项技术可以产生整个系统电能和产能的三分之一的效益。