基于CO2循环和有机朗肯循环的水泥窑余热发电系统的制作方法

本实用新型属于电站节能减排、工业窑炉余热利用领域，特别涉及基于co2循环和有机朗肯循环的水泥窑余热发电系统。

背景技术：

自2003~2015年全国近90%的新型干法窑配套建设了1700余座余热电站。由于当时全部国产的余热电站技术及装备尤其是设计思想方面的不足（仅能够正常投产发电），加之行业内配套建设余热电站速度过快，使目前绝大多数余热电站存在诸多问题。总的来说就是，余热电站设计效率不高，实际发电能力达不到应该达到的发电能力。

随着经济的发展和生活水平的提高，人们对能源的需求日益增加，能源供应缺口逐渐增大。在建材领域中，水泥行业是能源消耗大户。我国经济经过三十多年的迅猛发展，水泥产能的增加，水泥厂排放的高温余热废气越来越多。2018年，全球水泥产量约39.5亿吨，而中国的水泥产量为22.1亿吨占世界总产量的56%。

水泥生产过程包括原材料的制备、熟料煅烧和水泥的磨制，熟料的煅烧阶段是核心，也是水泥生产过程中能耗最大的一块。在生产过程中将经过研磨的生料加入旋风分离器由热空气不断加热，然后在高温的水泥回转亩内煅烧转化为熟料至冷却机中冷却。窑头冷却器和窑尾旋风预热器会产生大量的废热温度在300℃～400℃的烟气，其热量约占水泥熟料生产的35%以上，造成大量余热资源被浪费。

在工业低温余热利用方面，普通的蒸汽朗肯循环效率低，能源得不到充分综合的利用造成了较高的能耗。因此，更适合低温的超临界二氧化碳布雷顿循环和有机朗肯循环被大家逐渐重视起来。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供基于co2循环和有机朗肯循环的水泥窑余热发电系统，其特征在于，系统主要包括水泥窑、窑头冷却器、窑尾旋风预热器、水泥窑静电除尘器、水泥窑烟囱、co2加热器、蒸发器、汽轮机、膨胀机、发电机、co2高温回热器、co2低温回热器、co2预冷器、co2主压气机、co2分压气机、冷凝器、工质泵，其特征在于，将窑头冷却器的中间做两个出烟气口，分别是靠近水泥窑的a口和远离水泥窑的b口；窑头冷却器的中间a口出来的高温烟气进入co2加热器作为s-co2布雷顿循环系统的热源，然后出口烟气与窑尾旋风预热器出口烟气、窑头冷却器的中间b口烟气汇合进入蒸发器作为有机朗肯循环的热源，再次降温后的烟气经过水泥窑静电除尘器、水泥窑烟囱排至大气中；s-co2布雷顿循环系统中，超临界co2在汽轮机中做功后流过co2高温回热器、co2低温回热器，降温后的co2分为两路，一路经过co2预冷器、co2主压气机、co2低温回热器后与另一路直接经过co2分压气机的co2汇合后在co2高温回热器回热后进入co2加热器继续升温到工作温度，最后进入汽轮机中做功；在有机朗肯循环中，膨胀机出口乏汽通过相连的冷凝器、工质泵、蒸发器后回到膨胀机做功。

将窑头冷却器的中间做两个出烟气口，分别是靠近水泥窑的a口和远离水泥窑的b口。

温度高的窑头冷却器的中间a口烟气进入热效率高的s-co2布雷顿循环，降温后同温度低的窑头冷却器的中间b口、窑尾旋风预热器出口烟气进入有机朗肯循环，最后烟气经过水泥窑静电除尘器、水泥窑烟囱，排至大气中。

超临界co2在汽轮机中做功后流过co2高温回热器、co2低温回热器，降温后的co2分为两路，一路经过co2预冷器、co2主压气机、co2低温回热器后与另一路直接经过co2分压气机的co2汇合后在co2高温回热器回热后进入co2加热器继续升温到工作温度，最后回到汽轮机。

膨胀机出口乏汽通过相连的冷凝器、工质泵、蒸发器后回到膨胀机做功。

汽轮机和膨胀机共同带动发电机发电。

本实用新型的有益效果为：

1.实现了工业小窑炉的深度余热利用。针对工业小窑炉排烟温度高、余热利用率差的问题，创造性的将工业窑炉余热发电与s-co2布雷顿循环和有机朗肯循环结合，将工业窑炉蕴含的余热分为不同能级，分别选用其适合的方式用来发电。具体来说，水泥窑的窑尾旋风预热器出口烟气和窑头冷却器中间出口的烟气都带有大量的余热，将高温烟气送到热源温度最适合的s-co2布雷顿循环，低温烟气送到热源温度最适合的的有机朗肯循环，最后降温后的烟气进入水泥窑静电除尘器除尘后从水泥窑烟囱排至大气中。水泥窑产生的余热在各系统中随温度变化梯级利用，实现了水泥窑烟气的深度余热利用。

2.实现余热电站节能减排。高温烟气和低温烟气分别进入s-co2布雷顿循环和有机朗肯循环，大大提高了发电的热效率，提升了机组出力，实现余热电站节能减排，建设高效率的余热电站。

附图说明

图1为基于co2循环和有机朗肯循环的水泥窑余热发电系统。

图中：1-水泥窑、2-窑头冷却器、3-窑尾旋风预热器、4-水泥窑静电除尘器、5-水泥窑烟囱、6-s-co2加热器、7-蒸发器、8-汽轮机、9-膨胀机、10-发电机、11-co2高温回热器、12-co2低温回热器、13-co2预冷器、14-co2主压气机、15-co2分压气机、16-冷凝器、17-工质泵。

具体实施方式

本实用新型提供了基于co2循环和有机朗肯循环的水泥窑余热发电系统，下面结合附图和具体实施方式对本系统工作原理做进一步说明。

图1所示为基于co2循环和有机朗肯循环的水泥窑余热发电系统的示意图。其特征在于，系统主要包括水泥窑1、窑头冷却器2、窑尾旋风预热器3、水泥窑静电除尘器4、水泥窑烟囱5、co2加热器6、蒸发器7、汽轮机8、膨胀机9、发电机10、co2高温回热器11、co2低温回热器12、co2预冷器13、co2主压气机14、co2分压气机15、冷凝器16、工质泵17，其特征在于，将窑头冷却器2的中间做两个出烟气口，分别是靠近水泥窑1的a口和远离水泥窑1的b口；窑头冷却器2的中间a口出来的高温烟气进入co2加热器6作为s-co2布雷顿循环系统的热源，然后出口烟气与窑尾旋风预热器3出口烟气、窑头冷却器2的中间b口烟气汇合进入蒸发器7作为有机朗肯循环的热源，再次降温后的烟气经过水泥窑静电除尘器4、水泥窑烟囱5排至大气中；s-co2布雷顿循环系统中，超临界co2在汽轮机8中做功后流过co2高温回热器11、co2低温回热器12，降温后的co2分为两路，一路经过co2预冷器13、co2主压气机14、co2低温回热器12后与另一路直接经过co2分压气机15的co2汇合后在co2高温回热器11回热后进入co2加热器6继续升温到工作温度，最后进入汽轮机8中做功；在有机朗肯循环中，膨胀机9出口乏汽通过相连的冷凝器16、工质泵17、蒸发器7后回到膨胀机9做功。

将窑头冷却器2的中间做两个出烟气口，分别是靠近水泥窑1的a口和远离水泥窑1的b口。

温度高的窑头冷却器2的中间a口烟气进入热效率高的s-co2布雷顿循环，降温后同温度低的窑头冷却器2的中间b口、窑尾旋风预热器3出口烟气进入有机朗肯循环，最后烟气经过水泥窑静电除尘器4、水泥窑烟囱5，排至大气中。

超临界co2在汽轮机8中做功后流过co2高温回热器11、co2低温回热器12，降温后的co2分为两路，一路经过co2预冷器13、co2主压气机14、co2低温回热器12后与另一路直接经过co2分压气机15的co2汇合后在co2高温回热器11回热后进入co2加热器6继续升温到工作温度，最后回到汽轮机8。

膨胀机9出口乏汽通过相连的冷凝器16、工质泵17、蒸发器7后回到膨胀机9做功。

汽轮机8和膨胀机9共同带动发电机发电10。

其工作过程为：

将水泥窑1的窑头冷却器2中间开两个出气口，其中a口烟气温度大于500℃，b口烟气在360℃左右，窑尾旋风预热器3出口烟气也为360℃左右；将a口的烟气通向最适合其作为热源的s-co2布雷顿循环，b口、窑尾旋风预热器3出口、a口降温后的烟气进入有机朗肯循环做功，充分回收余热的烟气经过水泥窑静电除尘器4、水泥窑烟囱5后排放至大气中；窑头冷却器2中间a口烟气进入s-co2布雷顿循环系统中，在co2加热器6加热co2，加热后的co2先进入汽轮机8中做功，然后流过co2高温回热器11、co2低温回热器12，降温后的co2分为两路，一路经过co2预冷器13、co2主压气机14、co2低温回热器12后与另一路直接经过co2分压气机15的co2汇合后在co2高温回热器11回热后回到co2加热器6；窑头冷却器2中间b口、a口降温后、窑尾旋风预热器3出口的烟气进入有机朗肯循环中，在蒸发器7中加热有机工质，工质气体进入膨胀机9做功，乏气通过相连的冷凝器16、工质泵17后回到蒸发器7。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。