xxxxx 毕业设计
题
目
水泥厂热电联产乏汽余热利用研究
学生姓名
xxxx
学号
xxxxx
所在学院
机械工程学院
专业班级
xxxxxxx
指导教师
xxxxxxx
完成地点
xxxxxxxxxx
2015 年 5 月 20 日
水泥厂热电联产乏汽余热利用研究
作者：xx
（xxxx 机械工程学院 xxxx 班,xx xxx xxxxx）
指导教师：xxxx
[摘要] 众所周知，水泥窑窑头，窑尾都有大量的余热，水泥窑的余热除了工艺自身利用作为原料磨和煤磨的烘干热源之外，还有很大部分热量，如何利用一直是水泥工作者所关心的问题。余热发电是一个很好的利用途径，它既充分利用了能源，又为企业创造了可观的经济效益。同时还可利用一部分余热直接或经转换后供应吸收制冷机，实现为企业或居民区集中供暖和制冷。我国新型干法水泥生产线基本上全部配备了纯低温余热发电系统。纯低温余热发电机组容量小、参数低、发电能力受到生产情况的制约,通常提高热效率的方式对其难以适用,若想进一步发掘其节能潜力,则应从发电与供热制冷相结合入手。因此可以将余热发电后产生的乏汽再加以利用，采用余热吸收式制冷方式为生产车间提供制冷。根据该水泥厂余热电站的不同运行工况，分别制定各种工况下低温废气的余热回收方案，并研究各种条件下低温废气的余热回收总热量及回收热量的用途。所以分析水泥厂的余热资源,研究水泥厂余热发电与供热制冷的配合,对于进一步挖掘水泥厂余热节能潜力有着积极的意义。
[关键词] 水泥厂，热电联产，乏汽余热，空调制冷和供暖。
THE CEMENT PLANT COGENERATION STEAM EXHAUST WASTE HEAT UTILIZATION
The Author :xxxx (Grade 11,Class 1,Major Testing and Monitoringhnology and Instrumentation ,xxxxUniversity of Technology xxxxxxx,xxx) Tutor:xxxx
Abstract:
As is known to all, cement kiln head and preheater has a lot of heat, using cement kiln of waste heat in addition to the technique as the drying heat source of raw materials and coal grinding, also has the very big part of the heat, how to use has been a cement worker’s concerns. Waste heat power generation is a very good utilization way, it is make full use of the energy, and create the considerable economic benefits for the enterprise. As the same time also can use a part of the waste heat supply absorption refrigerants directly or after conversion, implementation or residential central heating and cooling for the enterprise.New dry process cement production line in our country basically all equipped with pure low temperature waste heat power generation system. Pure low temperature waste heat power generation unit capacity of small, low parameter, power generation capacity is restricted by the production situation, usually to improve thermal efficiency of the way is difficult to apply to its, if want to further explore the energy-saving potential, should be power generation combined with heating and cooling. So waste heat power generation can be produced after steam exhaust to exploit again, using waste heat absorption refrigeration refrigeration for production workshop. According to the different operating conditions of the cement waste heat power station, under various working conditions were developed under the low temperature waste heat of exhaust gas recycling schemes, and study for low temperature exhaust gas under different conditions of total quantity of heat of recovery of waste heat and heat recycling use. So the analysis of cement waste heat resources, research cement waste heat power generation and refrigeration, heating for further mining cement waste heat energy saving potential is of positive significance.
Keywords:
cement plant, cogeneration, steam exhaust waste heat, air conditioning refrigeration and heating.
xxxxx 毕业设计
I
目
录
1 前 言 .....................................................................................................1
2水泥厂纯低温余热利用的研究 ..........................................................3 2.1本次毕业设计课题的目的和意义..............................................3 2.2当前水泥厂余热发电状况..........................................................3 2.3纯低温余热发电量利用分析......................................................4 2.4某水泥厂废气余热回收现状......................................................5
3余热制冷概况 ........................................................................................8
3.1基本原理......................................................................................8 3.2溴化锂吸收制冷剂装置..............................................................9
4中央空调系统 ......................................................................................10
4.1空调系统流程............................................................................10 4.2中央空调余热回收器................................................................11 4.3夏季余热回收方案....................................................................12 4.4中央空调系统及经济比较........................................................13
5 低温废气余热回收供暖系统 ............................................................16
5.1汽轮机组满负荷发电工况下低温废气余热回收供暖系统方案分析..........................................................................................................16 5.2汽轮机组停止发电工况下低温废气余热回收供暖系统方案分析..............................................................................................................17 5.3汽轮机组部分负荷发电工况下低温废气余热回收供暖系统方案分析......................................................................................................20 6 总结 .......................................................................................................23
致谢 ..........................................................................................................24
参考文献 .................................................................................................25
xxxxx 毕业设计
第 1
页 共 26 页 1 前言
伴随着世界经济的不断发展，对能源需求的日益增加，传统的能源结构已渐渐不能满足人类发展的需求。提高能源的利用效率，合理利用能源是关系到国民经济发展，建设节约型社会，实施循环经济的重要内容，而且影响到生态环境和人类的生存，也是从事能源研究的学者和工程技术人员重点研究的课题。
热电联产技术出现和发展，对于节能和环境保护意义重大，尤其是 21 世纪的今天，世界各国非常重视。由于热电联产是采用了功的蒸汽对外供热，这部分蒸汽冷源损失完全被利用，热电联产以大型的电站锅炉取代了许多小型供热锅炉，大锅炉的除尘效率高，并配以较高的烟捅，从而大大减轻了对城市的污染，使得生态环境大为改善。同时，由于热电联产热效率高，节约能源，在对外供应相同电能和热能时，可以减少燃煤量，从而减小了排放，减轻了大气污染。
我国水泥行业到 2010 年，如果 40%新型干法生产线采用余热发电技术，可以预期，新型干法水泥余热年发电量可达 84 亿度。按电站自用电率 8%计算，年供电量约为 77 亿度。如按供电煤耗每度假 380 克标煤计算，相当于年节约 300 万吨标煤、减少粉尘排放约 660万吨、减少 SO 2 排放约 6 万吨、减少 NO X 排放约 4.5 万吨，可使吨水泥熟料成本降低约 10-15元。可以看出，水泥企业充分利用余热发电，即可以最大限度满足企业终身的用电需求，减少外购电量，又可以降低水泥制造成本，提高经济效益，是世界水泥工业发展的趋势。我国作为世界最大的水泥生产和消费大国，也是能源紧缺国家，充分利用水泥窑余热发电技术，并纳入设计规范，作为新型干法水泥工厂建设的不可或缺的工程内容。因此，中国有多少条水泥生产线，水泥余热发电市场就有多大。
目前不少水泥企业水泥熟料锻烧过程中,由窑尾预热器、窑头熟料冷却机等排掉的 400 ℃ 以下低温废气余热,其热量约占水泥熟料烧成总耗热量 30% 以上,造成的能源浪费非常严重。水泥生产,一方面消耗大量的热能(每吨水泥熟料消耗燃料折标准煤为 100～ 115 kg),另一方面还同时消耗大量的电能(每吨水泥约消耗 90～ 115 kWh )。如果将排掉的 400℃以下低温废气余热转换为电能并回用于水泥生产,可使水泥熟料生产综合电耗降低 60%或水泥生产综合电耗降低 30%以上,对于水泥生产企业:可以大幅减少向社会发电厂的购电量或大幅减少水泥生产企业燃烧燃料的自备电厂的发电量以大大降低水泥生产能耗; 可避免水泥窑废气余热直接排入大气造成的热岛现象,同时由于减少了社会发电厂或水泥生产企业燃烧燃料的自备电厂的燃料消耗,可减少 CO2 等燃烧废物的排放而有利于保护环境。我
第 2
页 共 26 页 国新型干法水泥生产线基本上全部配备了纯低温余热发电系统，然而纯低温余热发电机组容量小，参数低，发电能力受到生产情况的制约，通常提高热效率的方式对其难以适用，因此可以将余热发电后产生的乏汽再加以利用，采用余热吸收式制冷方式为生产车间提供制冷。根据该水泥厂余热电站的不同运行工况，分别制定各种工况下低温废气的余热回收方案，并研究各种条件下低温废气的余热回收总热量及回收热量的用途。
第 3
页 共 26 页 2 2 水泥厂纯低温余热利用的发展
1 2.1 本次毕业设计课题的目的和意义
众所周知，水泥窑窑头、窑尾都有大量的余热，水泥窑的余热除了工艺自身利用作为原料磨和煤磨的烘干热源之外，还有很大部分热量，如何利用一直是水泥工作者所关心的问题。余热发电是一个很好的利用途径，他既充分利用了能源，又为企业创造了可观的经济效益。同时它还可利用一部分余热直接或经转换后供应吸收式制冷机，实现企业或居民区的中央空调。
毕业设计是培养学生综合运用本学科的基本理论、专业知识和基本技能，提高分析与解决实际问题的能力，完成工程师的基本训练和初步培养从事科学研究工作的重要环节。毕业设计也是完成教学计划达到专业培养目标的一个重要的教学环节；学生通过毕业设计，综合性地运用几年内所学知识去分析、解决一个问题，在毕业论文的过程中，所学知识得到疏理和运用，它既是一次检阅，又是一次锻炼。使学生的实践动手、动笔能力得到锻炼，增强了即将跨入社会去竞争，去创造的自信心。
毕业设计具有以下目的：
(1)
通过阅读有关资料对当前余热综合利用的发展有进一步的了解。
(2)
融汇、贯通几年里所学习的专业基础知识和专业理论知识。
(3)
综合运用所学专业理论知识和技能提高独立分析问题和解决实际问题的能力。
(4)
培养和提高与设计群体合作、相互配合的工作能力。
2 2.2 当前水泥厂余热发电状况
目前我国不少水泥企业已在新型干法线的基础上配套余热发电装置，有效降低了能耗，但余热发电后仍不能充分利用水泥工业余热，利用效率不高。
余热发电系统的整个装置为一台 PH 锅炉，一台 AQC 锅炉，一台闪蒸器及锅炉给水系统，一套汽轮机发电机及其冷却水系统。当 PH 锅炉具备升温条件时，预热器出口的 350℃的废气被引入 PH 锅炉，先通过炉内的过热器，蒸发器后，尚有 250℃左右的废气由窑尾风机抽出，一部分用来烘干生料和煤，另一本分经过增湿塔及窑尾电收尘后排入大气。水泥厂余热发电系统中，当 AQC 锅炉具备升温条件时，篦冷机内的 360℃废气被引入 AQC 锅炉，先后通过炉内的过热器，蒸发器及省煤器，出口废气为 90℃左右，由窑头风机抽出排入大气，仍
第 4
页 共 26 页 有部分热量未被利用。
3 2.3 纯低温余热发电利用分析
锅炉有效利用的热量用于产生蒸汽并驱动汽轮机发电系统产生电能。一定热量下产生电能的多少，取决于热力发电系统的效率。
蒸汽动力装置的理想循环就是朗肯循环，其动力设备如图 2.1。朗肯循环的 T-s 图见图2.2。
图 2.1 简单朗肯循环图
图 2.2 朗肯循环 T-s 图 （1）
锅炉效率 A1:余热锅炉吸收的热量，考虑 2%的锅炉排污率等热损失，其余全变成蒸汽去发电，则此处可认为锅炉效率为 98%。
（2）
管道效率 A2：一般情况下，若不计工质损失为 99%，考虑到水泥厂纯低温余热发电系统相距较远，主蒸汽有压降，温降，此出取效率为 98%。
（3）
循环热循环 A3：因朗肯循环的 1 点状态参数，温度影响较大，废弃温度在 350℃左
第 5
页 共 26 页 右,决定了朗肯循环的 1 点蒸汽温度小于 330℃，而蒸汽压力（无论是 1.3MPa 或2.0MPa）h1 变化不大。取效率为 31.43%。
（4）
汽轮机的绝对内效率 A4:一般情况下为 75%--85%，水泥厂用低温汽轮机取为 80%。
（5）
汽轮机的机械效率 A5:况下取 96%--99%，此处取 98%。
（6）
发电机效率 A6:却方式有关，对于中小容量的空气冷却机组，其效率在 97%--98%，一般取 98%。
总效率：将以上各项效率考虑进去，则大型干法水泥生产线纯低温余热发电系统的总效率为：A=A1*A2*A3*A4*A5*A6=23.19%。
若汽轮机的绝对内效率取 75%，则系统的总效率为 21.74%。
综合分析大型干法水泥生产线纯低温余热发电系统的总效率为：21%--23%。因此，目前提高水泥厂余热的综合利用是非常有必要的。
4 2.4 某水泥厂废气余热回收现状调研
图 2.3 新型干法水泥生产线水泥生产流程简图
由图2.3可见，新型干法水泥生产工艺中水泥生料在进入水泥窑窑筒体进行煅烧之前，需要经过窑尾五级预热器进行预热，在五级预热器中与来自水泥窑的高温烟气进行热交换以提高水泥生料的温度。水泥生料在水泥窑中经过高温煅烧之后转变成高温水泥熟料，水泥熟料在窑头熟料冷却机中被低温空气冷却，冷却之后的水泥熟料可转移至熟料储存库进行保存。
水泥厂低温废气主要分为两部分，一部分来自水泥生产线的窑头，另一部分来自窑尾。
第 6
页 共 26 页 低温废气一般是指经窑头、窑尾余热发电系统的余热锅炉利用之后，从余热锅炉出口排出的温度在 100~200℃。窑头余热锅炉入口废气主要来自篦冷机中部取风，而另一部分较低温度的剩余废气从篦冷机尾部与窑头余热锅炉出口废气汇合后进入收尘器，除尘后由烟囱排出；窑尾余热锅炉出口废气一部分被用于原料烘干，之后与另一部分窑尾余热锅炉出口废气汇合后进入收尘器，经收尘后经由烟囱排入大气。
为了更好的研究水泥厂低温废气的余热回收，本课题选取了某水泥厂两条水泥生产线作为研究的实例。图2.4为该水泥厂对窑头、窑尾废气余热进行回收的原理图：
图2.4 水泥厂废气余热回收利用原理图
由图2.4可见，该水泥厂对窑尾烟气及窑头空气中的余热进行回收的方法为纯低温余热发电技术，即利用余热锅炉换取窑头、窑尾废气中的余热产生蒸汽，由蒸汽推动汽轮发电机组进行发电。
该水泥厂拥有两条日产 2500 吨的新型干法水泥熟料生产线，为了更好的利用水泥厂中低温废气余热，提高企业的经济效益，同时创造良好的社会效益和环境效益，该厂于 2008 年建成了 2×4.5MW 余热电站。该余热电站自建成以来，经过连续两年的实际运行，不仅供热稳定、发电运转率高，且自动化投入率达到 95%以上，相对于水泥生产线运转率 98%，平均发电功率达到 7500kW 以上。公司用电自给率达 25%左右，相当于节约标准煤 1.8万吨，取得了较好的经济效益和社会效益。
经过余热锅炉利用之后的水泥生产线中低温废气温度一般在200℃以下,深入该水泥厂生产第一线对低温废气的相关数据进行了现场实测，测试结果如下列表格2.1所示：
第 7
页 共 26 页
表2.1 窑头余热锅炉进口管道测量参数
温度（℃）
压力(pa)
工况风量(m3／h) 标况风量（Nm3／h）
窑头余热锅炉入口
416
-385
234462
92570
窑头余热锅炉出口
95
-1175
128364
94268
窑头收尘器出口
81
-1650
195957
148673
窑尾余热锅炉入口
335
-7575
366754
152487
窑尾余热锅炉出口
214
-8050
300966
155468
窑尾收尘器出口
131
-2250
253148
167421
表2.2窑尾收尘器出口气体成分标定值
测点
CO2（ % ）
O2（ % ）
CO（ % ）
H2O（ % ）
N2（ % ）
窑尾 EP 出口
24.00
7.67
0.01
4.00
64.32
第 8
页 共 26 页 3 3 余热制冷概况
1 3.1 基本原理
压缩制冷是电能的转换过程。压缩机讲蒸发器内所产生的低压低温的制冷机气体（如氟利昂）吸入气缸内，经压缩后成为压力温度较高的气体被排入冷凝器，冷凝成液体，再经调压阀节流降压进入蒸发器，此时低压制冷剂气体汽化吸收蒸发器内的热量而降温，这就是我们所需要的空调冷水，压缩过程需要消耗较大电能。
余热制冷是一种吸收式制冷，是消耗热能作为补偿的，而这种热能主要是低位热能，例如 0.4～0.8 表压的蒸汽，或 60℃以上的热水以及利用工业废气等。吸收式制冷一般是指用溴化锂作为工质的吸收式制冷。溴化锂水溶液只是吸收剂，其中水才是真正的制冷机，利用水在高真空下低沸点汽化，吸收热量达到制冷目的。它只能制取 0℃以上的冷媒，正适合制备空调所需冷冰水。溴化锂吸收式制冷循环的基本原理如图 3.1 所示：
图 3.1 溴化锂吸收式制冷循环基本原理图 来自发生器的高压水蒸气在冷凝器中被冷却为高压液态水。通过膨胀阀后成为低压水蒸气进入蒸发器。在蒸发器中，冷媒水与冷却水进项热交换而发生汽化。带走冷冻水的热量后成为低压冷媒蒸汽进入吸收器，被吸收其中的溴化锂溶液（又称浓溶液）吸收，吸收的冷过程中的热量由送入吸收器中冷却水带走，吸收后的溴化锂由溶液泵送至发生器。通过与送入发生其中的热源（热水或蒸汽）进行热交换而使其中的水发生汽化，重新产生高压蒸汽。同时，由于溴化锂的蒸发温度较高，稀溶液汽化后，吸收剂则成为浓溶液重新回到吸收器中。
第 9
页 共 26 页 在这一过程中，实际上包括了两个循环，即制冷剂（水）的循环和吸收剂（溴化锂溶液）的循环，只有这两个循环同时工作，才能保证整个制冷系统的正常运行。
这与压缩式冷水机组相比是微不足道的。在我国目前的情况下，许多城市都存在电力紧张的状况，为溴化锂冷水机组的广泛应用起到了一定的推进作用。
溴化锂具有很强的吸水性，它极易溶于水，生成溴化锂水溶液。其主要特性是：
（1）具有很低水蒸气压力，它比同温度下的单纯水的饱和蒸汽压力要小得多。溴化锂水溶液浓度越高或温度越低时，其水蒸气分压力就越小。因此它对水蒸气的吸收性很强，在高温下又能将吸收的水释放出来。
（2）制冷机水在低压下汽化时要吸收热量。气化温度与压力有关：压力越低，水的汽化（沸腾、蒸发）温度就越低。在吸收式制冷中如让水在 70℃ 就汽化（沸腾、蒸发），那么压力就要降到 1kpa。可见，作为制冷机水在实现制冷循环过程中都是在高度真空度下进行的。
2 3.2 溴化锂吸收制冷剂装置
溴化锂吸收式制冷装置主要由四部分组成。其工作过程分述如下：
(1)发生器：当吸收了水蒸气的溴化锂水溶液由发生器泵，经过热交换器吸收到发生器内时，依靠发生器管束内的热量（蒸汽，热水，废气热）加热，使溶液中的水汽化成为溴化锂水蒸气而溶液得以浓缩。
(2)冷凝器：汽化后溴化锂水蒸气经过挡水板将液滴分离（防止污染），便进入冷凝器冷凝成冷剂水，聚集在冷凝器下部的底盘内。热量由管内的冷却水带走，汽化形成的水蒸气进入吸收器中被浓的溴化锂水溶液吸收。
(3)蒸发器：冷凝器中出来的压力较高的冷剂水经过“U”型管节流装置降压后进入蒸发器内的底盘内，在经过冷剂水泵送到喷淋管喷淋蒸发器管束。吸收空调回水的热量，降温后冷冻水就成了空调用水。
(4)吸收器：冷剂水汽化形成的水蒸气经过挡水板进入吸收器中被浓的水溶液吸收。被由吸收泵送来喷淋的中间溶液（是发生器来的浓溶液和吸收器中溶液的混合物）所吸收，是喷淋溶液变稀。中间溶液在吸收水蒸汽过程中所放出的热量，则被吸收器中管束内冷却水带走。溴化锂稀溶液再由发生器泵送到发生器中加热以蒸发其中的水分。该浓溶液经热交换器放出热量后流入吸收器中，重新吸收冷剂水蒸汽就这样组成一个连续的制冷循环。
第 10
页 共 26 页 4 中央空调系统
1 4.1 空调系统流程
图 3.1 余热吸收式制冷中央空调系统流程
夏季：蒸汽或高温水进入吸收式制冷机，降制冷水从温度 12℃将至 7℃，7℃的制冷水再送到空调用户使用（如风机盘管）吸收室内热量后室内温度降低(约 27℃)，制冷水温度升高(约 12℃)回到吸收式制冷机，如此循环。
冬季：蒸汽或高温水经水一水热交换器将空调热回水(约 50℃)加热至 60℃左右，60℃的热水再送到空调用户使用(如风机盘管)加热室内温度。室内温度提高后(约 21℃)空调水温度降低(约 50％)回到水一水热交换器将空调热回水加热至 60℃。亦如此循环。
（1）中央空调余热回收技术的特点:
1)热回收量大。在一般空调使用工况下，在水温需求为 30-65℃,可回收热量为制冷量的 30%-80%；水温需求为 55-60℃时，可回收热量为制冷量的 30%。
2) 保护环境。由于利用废热提供了所需的热水，大大减少了供热锅炉向大气排放 CO2气体，从而减少了使地球大气候变暖的温室效应。同时直接减少了向大气的废热排放量。
3)提高空调机组效率，节省机组用电量。空调机组压缩机的一部分热量经过热回收器吸
第 11
页 共 26 页 收以后，原冷凝器的热负荷减少，热交换效率提高，空调机组的效率提高，耗电量也将显著减少，同时，由于采用热回收技术，机组的负荷减少，使用寿命延长。
4) 体积小，重量轻。热回收器可直接安装在中央空调机组上，无需占用建筑面积。
5) 电脑自控，无需人工管理。
6)具有防止结垢和水质软化处理功能。
7）可靠性高，在不用或该系统故障时，就不会影响原有热水系统或中央空调主机工作。
（2）中央空调的发展方向：
在炎热的夏季为了提供一个舒适的环境，不管是生活、工作中空调已经得到了普遍的使用。由于人们长时间处于工作状态，为了能提供一个更好的工作环境，写字楼、工厂或超市等大型公共场所都在使用中央空调。中央空调的作用就是对空气进行调节和控制，为人体提供一个舒适室内的环境，还要满足工艺生产所需的室内空气环境及排除室内有害气体和集中散发的热量和湿量。这便解决了夏季炎热天气带来的困扰。随着技术的不断创新和发展，环保成为了现代社会的一大研究课题，而绿色空调成为了中央空调发展的必然方向。因为现在的空调大部分是采用氟利昂为制冷剂的，该制冷剂会对臭氧层带来极大的伤害，还会耗费大量的可利用自然资源。我们夏天使用空调散发出来的热，也给生活环境造成了污染。为了能更好的保护环境，建筑的中央空调的研究应该更绿色环保些。绿色建筑与绿色中央空调的使用才能实现环保生活。而绿色建筑就是能为人体提供健康、舒适、安全及方便的室内环境，不会给环境带来污染，可充分利用可再生资源和高效利用自然资源的建筑，符合这种条件的空调才是“绿色空调”，这才是中央空调绿色化发展的前提条件。为了绿色中央空调能够在国内推广起来，部分城市已经开始使用此类空调，为实现绿色环保的生活环境提供了保障。
2 4.2 中央空调余热回收器
余热回收收技术主要有 2 个特点，其一是废热利用，获得免费热水，其二是提高原机组工作效率、延长机组寿命。压缩机工作过程中会排放大量的废热，热量等于空调系统从空间吸收的总热量加压缩机电机的发热量。水冷机组通过冷却水塔，风冷机组通过冷凝器风扇将这部分热量排放到大气环境中去。热回收技术利用这部分热量来获取热水，实现废热利用的目的。热回收技术应用于水冷机组，减少原冷凝器的热负荷，使其热交换效率更高；应用风冷机组，使其部分实现水冷化，使其兼具有水冷机组高效率的特性；所以无论是水冷、风冷机组，经过热回收改造后，其工作效率都会显著提高。由于技术改造后负载减少，机组故障减少，寿命延长。余热中央空调吸收器如下图 4.2 所示：
第 12
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图 4.2 余热中央空调吸收器
3 4.3 夏季余热回收制冷方案
夏季是需要供冷的季节，利用热水型和蒸汽型第一类溴化锂吸收式制冷机。
夏季余热回收供冷方案组，产生 7/12℃的冷冻水进行供冷。
窑尾废气可回收用于制备驱动吸收式制冷机组需要的 95℃高温水，而窑头废气余热品位较低，不适宜回收利用制备高温水。该方案的系统流程图如图4.3所示：
图 4.3 夏季汽轮机组满负荷发电工况下低温废气余热回收区域供冷系统方案流程图
第 13
页 共 26 页 （1）窑尾低温废气余热回收：
利用两级气--水换热器结合热水型溴化锂吸收式制冷机回收窑尾收尘器入口的废气热量进行制冷和热水供应。其中，一级换热器制备的 95℃热水用于驱动溴化锂吸收式制冷机；二级换热器制备的 60℃生活热水，供洗浴和食堂使用。对于一级气--水换热器，窑尾废气从 160℃降至 120℃，供热水从 85℃升温至 95℃。所制备的95℃热水驱动溴化锂吸收式制 冷机，85℃出制冷机。溴化锂吸收式制冷机的制冷系数按0.7计算，则回收余热量 4.86MW，制冷量 3.4MW。
对于二级气-水换热器，窑尾废气从 120℃降至 100℃，制备 60℃热水供洗浴和食堂使用。回收余热量为 2.48MW，供热量为 2.48MW。
该窑尾废气余热回收系统总回收余热量为7.34MW ， 制冷量为3.4MW，供热量（热水供应）2.48MW。
（2）该技术方案的主要技术特点：
①在本余热供冷系统技术方案中，余热供冷系统不影响余热发电系统的正常运行；
②窑头废气余热没有得到回收。其原因为窑头废气余热品位较低，不能用来制备 95℃高温余热水驱动溴化锂吸收式制冷机；
③由于溴化锂吸 收式制冷机组 的驱动热源 既有热水又 有低压蒸汽， 因此，余热回收系统比较复杂，给运行管理带来不便。
4.4 中央空调系统经济对比
表 4.1: 余热吸收式制冷中央空调投资估算
表 4.2：中央空调四种方案经营费用比较
项目
冷水制冷机型式
备注 电制冷 （ 离 心式）
普通蒸汽型（吸收式）
直燃型（吸收式）
余热型（吸收式）
供热量（KW）
1160 1160 1160 1160
主机功率（KW）
268 4.85 7.05 4.85
名称
设备费
安装费
土建费
其他
总计
费用（万元）
150
50
40
10
250
所占％
60
20
16
4
100
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夏季供冷
辅机功率（KW）
80
80
80
80
水泵，冷却塔，末端装置 系统功率（KW）
348 85 87 85
年（夏季）耗电量（KWh／a）
313220
76500
78300
76500 夏 季 运 行1500h，运行负荷按 60％计。
夏季电费（万元）
18.8
4.59
4.7
4.59 电费 0.6 元／kwh 配备制冷机的供热
不需要 另设油炉
直燃式
余热
蒸汽需要量(kg／h)
1300
耗油量(kg／h)
92
年（夏季）耗油量（t／a）
79.5
夏季油费（万元）
23.85
夏季运行费（万元）
18.8
28.44
23.6
4.59
冬季供热
供热量（KW）
930
930
930
930
供热方式
设置油炉 设置油 炉
直燃式
余热
蒸汽量（kg／h）
1300
1300
耗油量（kg／h）
92
92
82.7
年（冬季）耗油量（t／a）
82.8
82.8
74.43
冬季运行1500h，运行负荷率按60 %计。
冬季油费（万元）
24.8
41.4
22.33
油价 3000元／t。
系统电功率（KW）
38
38
38
38
年（冬季）耗电量（KWh／a）
34200
34200
34200
34200
冬季电费（万元）
2.05
2.05
2.05
2.05
冬季运行费（万
第 15
页 共 26 页 元）
26.85 26.85 26.85 2.05 全年空调运行费用（万元）
45.65
50.45
50.45
6.64
根据水泥厂或家属区等实际需要决定所需的空调面积而后计算冷量及选定制冷机组的规格大小。设水泥厂办公楼或其它建筑物建筑总面积 6000～7000m2，设置余热中央空调。制冷量约 1160kW，制冷机组有几种方案可供选择。如果利用余热实施中央空调，其投资额约为 250 万元，见表 1；经营费用见表 2。
可见，由于燃油而使电制冷及普通型吸收式制冷系统的运行费用较高，而采用余热型吸收式机组能耗最低，经营费用也最省。年经营费用约 7 万元。折算每 m2 建筑面积只有 10元左右。以家属区设置这套系统按 100 住户，每户建筑面积 100m2 计算，每户一年也只负担l000 元左右的空调经营费(未计折旧费、人员工资、管理费等)应该说负担还是比较轻的。
第 16
页 共 26 页 5 低温废气余热回收供暖系统 1 5.1 汽轮机组满负荷发电工况下低温废气余热回收供暖方案分析
汽轮机组满负荷发电工况下低温废气余热回收供暖方案主要利用气-水换热器与第二类溴化锂吸收式热泵回收窑尾，窑头收尘器入口的废气热量。该方案的流程图如图 5.1:
图 5.1 汽轮机组满负荷发电工况下低温废气余热回收供暖系统流程图
（1）窑尾低温废气余热回收
该方案利用两级气--水换热器结合第二类溴化锂吸收式热泵回收窑尾收尘器入口的废气热量进行供热。其中一级换热器制备的 95℃热水直接用于供热，二级换热器制备的 70℃循环余热水用作第二类溴化锂吸收式热泵的驱动热源，该换热器水侧入口温度为 60℃。
对于一级气-水换热器，窑尾废气从 160℃降至 120℃，供热水从 70℃升温至 95℃。回收余热量 4.96MW，供热量 4.96MW。对于二级 气- 水换热器， 窑尾废 气从 120℃降 至 80 ℃，循 环余热水 从60℃升温至 70℃，该循环余热水用于驱动第二类溴化锂吸收式热泵。供热水 70℃进入热泵，95℃出热泵。冷却水 12℃进入热泵，17℃出热泵，到增设的冷却塔中散热。第二类溴化锂吸收式热泵的热力系数按 0.5 计算，则回收余热量 4.86MW，供热量 2.43MW。
该窑尾低温废气余热回收系统总回收余热量为9.82MW，供热量7.39MW。
（2）窑头低温废气余热回收利用气- 水换热器结合第二类溴化锂吸收式热泵回收窑头
第 17
页 共 26 页 收尘器入口的废气热量进行供热。首先，利用气- 水换热器回收窑头收尘器入口的废气热量。废气从 110℃降温至 80℃，循环余热水从 60℃升温至 70℃。该部分循环余热水用于驱动第二类溴化锂吸收式热泵，供热水 70℃进入热泵，95℃出热泵；冷却水 12℃进入热泵，17℃出热泵，到增设的冷却塔中散热。第二类溴化锂吸收式热泵的热力系数按 0.5 计算，回收余热量 3.0MW，供热量 1.5MW。该方案窑头、窑尾可总回收低温废气余热量为 12.82MW ， 供热量8.89MW。
（3）汽轮机组满负荷发电工况下低温废气余热回收供暖方案的主要特点
①余热供暖系统不影响余热发电系统的正常运行；
②与汽轮机组停止发电工况或部分负荷发电工况下余热回收供暖系统方案比较，以上两种方案供热量都相对较低，不能满足采暖初期和末期的供热负荷要求；
③对窑头、窑尾的废气余热回收充分，但需在水泥厂厂区新增第二类溴化锂吸收式热泵和冷却塔等设备，水泵耗电量大，设备形式复杂多样，运行管理复杂，系统造价较高且设备占地面积较大； 5.2. 汽轮机组停止发电工况下低温废气余热回收供暖方案分析
（1）技术方案一
汽轮机组停止发电工况下低温废气余热回收供暖方案主要利用气--水换热器结合第一类溴化锂吸收式热泵回收窑尾、窑头收尘器入口的废气余热进行供热，其系统流程见图 5.2：
图 5.2 汽轮机组停止发电工况下低温废气余热回收供暖系统方案一流程图
（1）窑尾低温废气余热的回收
第 18
页 共 26 页 汽轮机组停止发电工况下低温废气余热回收供暖方案是利用两级气--水换热器结合第一类溴化锂吸收式热泵回收窑尾收尘器入口的废气热量进行供热 。其中，一级换热器 制备的 95℃热水直接用于供热，二级换 热器制备 的 55 ℃热 水用于第一 类溴化锂吸收式热泵的低 温热源。
对于一级气-水换热器，窑尾废气从 160℃降至 120℃，供热水从 70℃升温至 95℃。回收余热量 4.96MW，供热量 4.96MW。对于二级 气- 水换热器， 窑尾废 气从 120℃降 至 80 ℃，循 环余热水 从35℃升温至 55℃。利用溴化锂吸收式热泵回收该 35/55℃循环余热水热量，余热锅炉生产的 1.03MPa-323.8℃高压蒸汽经降温降压至 0.8MPa-170.4℃饱和蒸汽驱动热泵，高压蒸汽凝水 95℃出热泵。循环余热水 55℃进入热泵，35℃出热泵。供热水 70℃进热泵，95℃出热泵。溴化锂吸收式热泵的性能系数按 1.7 计算，回收余热量 4.86MW，供热量 11.8MW。该 窑 尾 废 气 余 热 回 收 系 统 总 回 收 余 热 量 为 9.82MW ， 总 供 热 量16.76MW。
(2）窑头低温废气余热的回收 利用气--水换热器结合第一类溴化锂吸收式热泵回收窑头收尘器入口的废气热量进行供热。首先，利用气- 水换热器回收窑头收尘器入口的废气热量。窑头废气从130℃降至 60℃，循环余热水从 35℃升温至 55℃。利用溴化锂吸收式热泵回收该 35/55℃循环余热水热量，余热锅炉生产的 1.03MPa-323.8℃高压蒸汽经降温降压至 0.8MPa-170.4℃饱和蒸汽驱动热泵，高压蒸汽凝水约 95℃出热泵，循环余热 水 55℃进入 热泵，35℃ 出热泵。供热 水 70℃进热 泵，95℃出热泵。溴化锂吸收式热泵的性能系数按 1.7 计算，回收余热量 6.99MW，供热量 16.98MW。
该方案窑头、窑尾可总回收低温废气余热量为 16.81MW ，供热量33.74MW。
(2）技术方案二
这种方案特点在于利用余热锅炉入口的废气直接驱动热泵。由于汽轮机组停止发电，因此，可考虑余热锅炉也停止运行，直接利用余热锅炉入口高于300℃的高温废气驱动热泵，废气驱动热泵的排烟温度一般约为 170℃。该方案的系统流程见图 5.3：
第 19
页 共 26 页
图5.3 汽轮机组停止发电工况下低温废气余热回收供暖系统方案二流程图
（1）窑尾低温废气余热的回收
利用窑尾余热锅炉入口处的高温废气直接驱动溴化锂吸收式热泵。热泵入口废气温度为 335℃，热泵出口废气温度为 170℃，废气在热泵发生器中放热量为 13.74MW。热泵出口的 170℃废气首先进入生料粉磨，温度下降到 120℃。之后进入窑尾气- 水换热器换热，温度从 120℃降至 46℃（高于露点温度），循环余热水从 35℃升温至 55℃。该 35/55℃循环余热水作为废气驱动热泵的低温热源；供热水 70℃进热泵，95℃出热泵。溴化锂吸收式热泵的性能系数按1.7 计算，回收余热量 9.62MW，供热量 23.36MW。该 窑 尾 废 气 余 热 回 收 系 统 总 回 收 余 热 量 为 23.36MW ， 供 热 量 为23.36MW。
（2）窑头低温废气余热的回收
利用窑头余热锅炉入口处的高温废气直接驱动溴化锂吸收式热泵。热泵入口废气温度为 416℃，热泵出口废气温度为 170℃，废气在热泵发生器中放热量为 15.61MW。热泵出口的废气进入气- 水换热器换热，窑头废气从 170℃降至 68℃，循环余热水从 35℃升温至 55℃。该 35/55℃循环余热水作为废气驱动热泵的低温热源，即循环余热水 55℃进入热泵，
第 20
页 共 26 页 35℃出热泵。供热水 70℃进热泵，95℃出热泵。溴化锂吸收式热泵的性能系数按 1.7 计算，回收余热量10.93MW ， 供热 量 26.54MW 。
该窑 头废 气余 热 回收 系统 总回 收 余热 量为26.54MW，供热量为 26.54MW。
该方案窑头、窑尾可总回收废气余热量为 49.9MW，供热量 49.9MW。
（3）方案一与方案二的比较
①在汽轮机组停止发电工况下，制定了两种余热供暖技术方案。其中，方案一的特点是利用高压蒸汽驱动第一类吸收式热泵回收循环余热水和生产线循环冷却水进行供热，不回收热泵出口的凝水余热，此方案使窑头余热锅炉的排气温度升高，窑头废气余热量增大；方案二的技术特点是直接利用余热锅炉入口的废气驱动热泵进行供热；根据热量计算结果，两种方案的理论供热量分别为 54.08MW、61.09MW； ②方案二利用高温废气直接驱动热泵，减少了废气在余热锅炉中的热损失，与利用高压蒸汽驱动热泵的方案一相比较，供热量更大。方案二中窑尾回收废气余热降温到 46℃，与方案一的窑尾废气降温到 80℃相比，对窑尾废气余热的回收更加充分，但需增大气- 水换热器的面积。对窑头废气余热回收后排放废气温度为 68℃，不如方案一对窑头废气的利用充 （4）利用废气驱动热泵还存在以下问题：
a）窑尾废气需要进入生料粉磨机中预热生料，余热锅炉正常生产时锅炉 出 口 废 气 的实测数据为214 ℃ ，而废气通过热泵之后温度则降到70℃，这对于水泥生产工艺的正常生产可能会有不利影响；
b）窑尾气- 水换热器的总换热面积比较大，且作为热泵的低位热源循环余热水量比较大，输送这部分循环余热水量需要消耗较多的水泵电能；
c）由于废气中的含尘量较大，热泵发生器的清灰效果将严重影响热泵性能，因此本方案中热泵发生器的清灰问题是一个关键的问题。为了达到较好清灰效果，会增加 废气驱动型溴化 锂吸收式热泵的造价，也增加了其设计、制造的难度。
3 5.3 汽轮机组部分负荷发电工况下低温废气余热回收供暖方案分析
汽轮机组部分负荷发电工况下低温废气余热回收供暖方案的主要特点为：利用气- 水换热器结合第一类溴化锂吸收式热泵回收窑尾、窑头收尘器入口的废气余热进行供热。该方案的系统流程图如图 5.4 所示：
第 21
页 共 26 页
图 4.4 汽轮机组部分负荷发电工况下低温废气余热回收供暖系统方案流程图 （1）窑尾低温废气余热的回收 利用两级气—水换热器结合第一类溴化锂吸收式热泵回收窑尾收尘器入口的废 气热 量进行供热 。其中，一级换热器制备的95℃热水直接用于供热，二级换热器制备的 55 ℃热 水用于第一类溴化锂吸收式 热泵 的低 温热源。
对于一级气-水换热器，窑尾废气从 160℃降至 120℃，供热水从 70℃升温至 95℃。回收余热量 4.96MW，供热量 4.96MW。对于二级 气- 水换热器， 窑尾废 气从 120℃降 至 80 ℃，循 环余热水 从35℃升温至 55℃；利用溴化锂吸收式热泵回收该 35/55℃循环余热水热量，余热锅炉生产的 1.03MPa-323.8℃高压蒸汽降温降压至 0.8MPa-170.4℃饱和蒸汽驱动热泵，高压蒸汽凝水 95℃出热泵 ；循环余热 水 55℃进入热 泵，35℃出热泵。供热水 70℃进热泵，95℃出热泵。溴化锂吸收式热泵的性能系数按 1.7 计算，回收余热量 4.86MW，供热量 11.8MW。该 窑 尾 废 气 余 热 回 收 系 统 总 回 收 余 热 量 为 9.82MW ， 供 热 量16.76MW。
（2）窑头低温废气余热的回收
利用气--水换热器结合第一类溴化锂吸收式热泵回收窑头收尘器入口的废气热量进行供热。首先，利用气- 水换热器回收窑头收尘器入口的废气热量。窑头废气从110℃降至 60℃，循环余热水从 35℃升温至 55℃。然后，利用溴化锂吸收式热泵回收该 35/55℃循环余热水热量，余热锅炉生产的 1.03MPa-323.8℃高压蒸汽经降温降压至 0.8MPa-170.4℃饱和
第 22
页 共 26 页 蒸汽驱动热泵，高压蒸汽凝水约95℃出热泵；循环 余热水 55℃ 进入热泵， 35℃出热泵。
供热水 70℃ 进热泵，95℃出热泵。溴化锂吸收式热泵的性能系数按 1.7 计算，回收余热量 4.99MW，供热量 12.13MW。
该方案窑头、窑尾可总回收废气余热量为14.81MW，供热量28.89MW。
第 23
页 共 26 页 总结
(1)采用余热型吸收式冷热机组来实现水泥厂中央空调不能不说是一个最佳方案。吸收式制冷机组所需要的热能是从水泥窑的余热提供，不需要另设热源。冬季又是利用余热供热．机组所需要的热能也很省．这确实是一项非常节能的技术。
(2)余热中央空调十分节能，因此其经营费用不高。只有电制冷的 15％左右。它的一次性投资也不很大．且不需要电力增容(电容量只 10kW 左右)这就为水泥厂设置余热中央空调系统创造了很好的条件。
(3)余热型吸收式制冷是一项成熟的技术，安装完毕可一次投入运行，且操作简单、稳定，除了三台小功率电机外，没有回转机械，因而自身噪声也很小，设备故障率低。在其它行业已得到广泛应用。
(4)吸收式制冷为环保型。而电制冷的制冷剂大多是氟利昂，它对大气臭氧层有破坏作用及产生温室效应，造成气候的变异。而吸收式制冷剂是水，吸收剂溴化锂溶液对人体无毒性，对皮肤也没有刺激作用。
总之，水泥企业利用余热设置节能型中央空调系统．可以说为水泥窑余热回收的利用扩展了一个新的领域．目前水泥厂空调仅限于中央控制室、电气控制室等，随着时代的发展，人们对空调的需求更为迫切．工厂也有必要也有条件为员工创造一个舒适的工作、生活环境。如果家属区离工厂区不远就更可以实施余热中央空调方案．为职工谋福利．它的应用前景应该说是非常好的。
第 24
页 共 26 页 致 谢
毕业设计已结束，本次设计从选题到完成整个过程中得到了孟欣老师的悉心指导。从老师身上不仅学到了理论知识，更多的是待人接物与为人处世的道理。其严以律己，宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，使人倍感温馨。
本文是在导师孟欣老师的悉心指导和热情关怀下完成的。大学本科期间，从课程的学习和论文的选题及撰写，导师给我的不仅仅是丰富的学术知识还有为人处事的严谨态度。同时在个人工作和人生规划方面也给出了很多热情的帮助和诚恳的教导，让我更坚定人生前...