水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法与流程

文档序号：11513946阅读：336来源：国知局

本发明涉及环保与能源技术领域，尤其涉及一种结合解决水泥生产线各环节各类高温热能造成的一些具体的不利影响问题，经济的获取水泥厂超临界co2发电所需的主要高温能源的方法。

背景技术：

众所周知，水泥生产企业为公认的高耗能高污染企业，是二氧化碳的主要排放源之一，不仅一次能源（煤）和二次能源（电）消耗大。水泥生产的co2排放可分为原料碳酸盐的分解和燃料的燃烧产生的co2的直接排放、及生产工艺过程消耗的外部电力等产生的间接排放。据中国建筑材料科学研究总院对我国水泥工业co2排放分析，我国水泥生产过程原料分解、燃料燃烧和电力消耗的co2排放量分别占水泥生产总排放量的59%、26%、12%，co2排放因子干法水泥为0.867t/t。我国干法回转窑生产线达1700多条，水泥产能逾35亿t，由此推断我国水泥工业的co2年排放量达30亿t。可见，我国水泥企业实施节能减排及co2减排更凸显紧迫性和必要性。

作为高耗能的水泥行业，水泥厂熟料的生产系统实质上是一套高温热化学反应窑炉系统，熟料生产中的实际能耗远高于热化学反应平衡所需的能耗，水泥生产过程中持续的产生了大量的废弃余热，且其中的一些高温热能客观上造成了一些不利的影响。现有的水泥厂余热利用主要是利用窑尾预热器排出的280℃～380℃废气余热和窑头篦冷机内中温段抽取的280℃～400℃废气余热进行余热发电和抽取篦冷机内的中温风供煤磨。尚有大量的高温热能不能有效利用，这些高温热能或损害设备装置、或影响窑系统工况的正常运行、或造成严重的热辐射污染，客观上导致了能源浪费和碳排放增加。如回转窑的胴体高温300℃～500℃高温辐射热污染，为防止高温造成回转窑报废，不得不标配成排的电吹风机持续的吹冷风甚至加喷水雾来降低回转窑的胴体温度，不但增加电耗也造成热污染，电耗的增加也增加了碳排放；又如回转窑的窑头罩内850℃～1500℃高温热辐射与传导，窑头罩内承接了来自回转窑内连续卸下的1250℃～1450℃高温熟料流，及喷煤管后退至窑口外燃烧时的1500℃～1700℃的高温辐射热，并承受来自篦冷机内高温段800℃～1200℃的向上的热空气流回转窑和三次风管内的高温气流的冲刷，以致窑头罩内壁耐火材料易于烧蚀损毁，甚至窑头罩金属壳体经常被烧蚀；再如水泥生产线的篦冷机内的200℃～1350℃的高温辐射热，窑头罩下的篦冷机内承接了来自回转窑内连续卸下的1250℃～1450℃高温熟料流，尽管篦冷机头部装设有成排的空气炮用于防止高温熟料熔结成团，但篦冷机内头部的熟料落料区仍经常结块堆雪人甚至不得不停窑清理高温结块，篦冷机鼓风冷却回收的高温余热以二次风和三次风供应回转窑和分解炉，中段的中温风抽出供窑头余热锅炉发电和煤磨，多余的热风由头排风机排出经收尘器收尘后排空，篦冷机内高温熟料产生的大量高温辐射热能既影响窑系统工况、影响熟料冷却质量，也浪费能源增加碳排放，并对环境产生热污染；又如回转窑的窑尾烟室850℃～1200℃的高温热辐射和热传导的热能，窑尾烟室内因温度高达850℃～1200℃导致经常性结皮粘堵影响窑况正常运行，除须标配有多个空气泡清堵外，还不得不每班数名工人穿着防护服拿着铁釺、高压水枪清理烟室内的结皮以保生产能正常运行；还有窑尾第五级或第六级预热器和下料管内大量的850℃～950℃高温料粉因温度偏高导致出现液相产生的预热器锥部和下料管内的结皮粘堵致使停窑清理且清理过程极不安全的问题。

另一方面，随着ccs技术的发展，超临界二氧化碳发电系统即一种以超临界状态的二氧化碳为工质的布雷顿循环系统已受到广泛关注，超临界二氧化碳发电系统主要包括热源、高速涡轮机、高速发电机、高速压气机、冷却器等，其高效换热器是超临界发电系统工程应用的基础，其循环过程中的循环介质为二氧化碳，但超临界co2发电的高效率也更需要高温热源。据中国《水泥》（2014.no.9）《利用co2动力循环的水泥余热发电系统》介绍了美国俄亥俄州阿克伦城echogen公司开发的利用水泥厂预热器排出的废气余热和熟料冷却机抽取的废气余热设计的应用co2动力循环余热发电系统，采用的是当前水泥窑余热发现电的中温废气余热，但echogen公司目前开发的eps1008mw热机系统中的中温废热交换器投资就高达2000～2500万美元，远高于国内8mw双锅炉整套余热发电系统的投资总额（国内水泥厂预热器排出的废气余热锅炉和熟料冷却机抽取的废气余热锅炉发电系统总投资4000～6000万元人民币不等），且其高投资的利用中温的方式与换热装置，客观上尚难以适应我国大部分水泥窑系统废气余热温度随原燃材料及窑系统工况波动大的状况，而高温高效换热器是超临界发电系统工程应用的基础。再者，我国水泥企业已普及建好了预热器排出废气余热锅炉和熟料冷却机抽取废气余热锅炉发电系统（以水为工作介质），这种利用相同的中温废气余热热源但产出相同的高投资的系统，在当前国情下缺少现实性。

显然，我国水泥企业要能有效的推广ccs技术或ccus技术，经济地采用超临界co2发电系统发电，近切需要一种全新的理念和创新的方法来开发一种获取超临界co2发电所需的高温能源。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对高耗能水泥行业熟料的生产系统实质上是一套高温热化学反应窑炉系统，熟料生产中的实际能耗远高于热化学反应平衡所需的能耗，生产过程中持续产生大量废弃余热，且其中的一些高温设备和高温物料的高温热能客观上造成了一些不利的影响问题，提供一种结合解决水泥熟料生产过程中高温热能产生的具体的不利影响问题、以低投资的co2蓄能装置蓄集水泥生产过程中高温装备/高温物料所产生的高温辐射热和/或传导热能、简单而经济地获得适应于水泥厂超临界二氧化碳发电所需要的主要高温能源的方法。

本发明解决其技术问题所釆用的技术方案是：水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法，利用水泥厂熟料生产高温热化学反应窑炉系统的工艺及装备特点，以co2蓄能装置直接蓄集高温设备/高温物料的强辐射/传导的部分热能，解决好高温设备和/或高温物料辐射/传导的高温热能所造成的具体的不利影响问题，同时以蓄集的高温热能将co2流体转化为高能量密度的高压热态超临界co2流体，作为超临界co2发电机组发电的主要能源，具体方法主要包括以下几种：

方法一、以窑头罩内置co2蓄能装置直接蓄集干法回转窑生产线的窑头罩内常态的800℃～1450℃及更高温度的强辐射热能，以蓄集的高温热能将co2转化为高能量密度的高压热态超临界co2流体，作为超临界co2发电的主要能源；

所述的窑头罩内置co2蓄能装置，主要包括窑头罩、co2蓄能机构、支吊架、逆止阀和调节阀，所述co2蓄能机构通过支吊架固定在窑头罩内的内壁和/或顶部上，或嵌入内壁耐火材料中，所述逆止阀设于窑头罩外，与窑头罩内的co2蓄能机构的进口相连通，所述调节阀设于窑头罩外，与窑头罩内的co2蓄能机构的出口相连通，所述co2蓄能机构的工作介质为co2流体。

进一步，还设有安全阀，所述安全阀安装在窑头罩外，位于调节阀与窑头罩内的co2蓄能机构的出口之间。

进一步，还设有温压感应器，所述温压感应器安装在窑头罩外，位于安全阀与窑头罩内的co2蓄能机构的出口之间。

进一步，所述的co2蓄能机构可为箱式热交换器和/或板式热交换器和/或盘式空心管热交换器和/或列管式热交换器等。

该方法以送入窑头罩内置co2蓄能装置的co2流体直接吸收窑头罩内常态的800℃～1450℃及更高温度的强辐射热能，将窑头罩内的强辐射热能直接转化为高能量密度的高压热态超临界co2流体能量，作为超临界co2发电的主要能源，能解决高温强辐射热能对窑头罩耐火材料及金属壳体的烧蚀问题，延长窑头罩的使用寿命，降低维修费用，并大幅降低高温强辐射造成的环境热污染危害，可改善生产线巡查工作环境，且对入窑二次风温和入炉三次风温无可见影响。

方法二、以篦冷机内置co2蓄能装置直接蓄集干法回转窑生产线的篦冷机内熟料200℃～1350℃强辐射/传导热能，以蓄集的高温热能将co2转化为高能量密度的高压热态超临界co2流体能量，作为超临界co2发电的主要能源；

所述的篦冷机内置co2蓄能装置，主要包括篦冷机、co2蓄能机构、支吊架、逆止阀和调节阀，所述co2蓄能机构通过支吊架固定于篦冷机内的端头和/或侧壁和/或顶板上，所述逆止阀设于篦冷机外，与篦冷机内的co2蓄能机构的进口相连通，所述调节阀设于篦冷机外，与篦冷机内的co2蓄能机构的出口相连通，所述co2蓄能机构的工作介质为co2流体。