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摘要：随着科技的不断发展，各种先进技术如雨后春笋般涌现。ORC技术以其独特的优势在能源领域中占据了一席之地，尤其在余热回收利用方面表现突出。将ORC技术与水泥余热发电技术相结合，不仅可以充分发挥两者的优势，还能有效解决传统水泥生产过程中的高能耗、高排放问题。这一创新性的技术方案，为水泥行业的绿色发展提供了新的可能。

关键词：水泥余热发电；ORC；有机郎肯循环

0 前言

余热发电技术是一种利用工业生产中废弃的热量进行发电的创新技术。它通过一系列高效能的装置，将工业生产过程中产生的废热转化为电能，从而实现对热能的回收利用。这一技术的应用不仅提高了能源的利用效率，还为企业节约了能源成本，同时也为环境保护做出了贡献。

在水泥生产线配套余热发电系统中，利用的废气主要来自窑头篦冷机和窑尾预热器C1筒。这些废气中含有大量的热能，通过余热发电系统，可以有效回收并转化为电能。余热发电系统的应用，不仅能提高水泥工厂的能源利用效率，降低生产成本，还能满足日益严格的环保要求。这一技术的应用，有助于水泥工厂实现绿色、可持续发展，为我国的节能减排事业贡献力量。随着国内水泥余热发电技术的发展，尽管出现了各种不同的余热发电技术，例如单压、双压、闪蒸等技术方案，但在这些方案中，基本上都是采用常规SRC系统（即以蒸汽为介质的朗肯循环） ，而ORC系统（有机工质朗肯循环），截至目前在国内水泥生产线配套余热发电行业中，尚未有实际应用案例。

1水泥余热发电技术

常规水泥余热发电技术大都采用的是SRC技术，以单压方案为例：首先，窑尾预热器C1筒出口的废气被引入SP锅炉进行热交换，同时窑头篦冷机中部的废气进入AQC锅炉进行热交换。在此过程中，废气中的热量被回收，并用于产生蒸汽。这些蒸汽随后推动汽轮机工作，进而转化为电能，而被吸收完热量的废气则返回到原系统，经过收尘器净化后达标排放，这个流程确保了废气的清洁排放，符合环保标准。

其一般SRC系统的汽水流程介绍如下：锅炉给水泵从除氧器水箱处抽取水，并将其输送到AQC锅炉的公共省煤器中进行加热，这些水被初步加热后按照一定的比例分别进入AQC炉高压省煤器和SP炉省煤器。在两台锅炉中，水被加热并转化为过热蒸汽，然后两台锅炉产生的过热蒸汽通过管道混合后，一同送入汽轮机，驱动汽轮机转动，进而发电。从汽轮机尾部排出的蒸汽，在凝汽器中被冷却并凝结为凝结水。凝结水泵将凝结水吸走，并将其送入除氧器进行除氧处理。经过除氧后的水，再由给水泵输送到锅炉，完成整个水循环。

这个循环过程实现了高效的水资源利用和热能回收，使得锅炉可以持续地为汽轮机提供动力，从而实现稳定发电。这种设计是现代水泥工厂余热发电系统中常见的配置。

总的来说，余热发电系统通过高效利用水泥工厂中的废气余热，实现了能源的循环利用和电能的生产，既降低了能耗，又满足了环保要求。这种技术对于推动水泥工业的绿色、可持续发展具有重要意义。

2 ORC技术简介

有机工质朗肯循环余热发电技术，即ORC（Organic Rankine Cycle）技术，其采用的循环工质一般为各种有机物或者其他一些低沸点工质。与传统的以水－水蒸气为介质的朗肯循环技术（SRC）相比，ORC技术的工质沸点较低，这意味着在相对较低的压力（0.15～0.5MPa）和温度（60～70℃，甚至40～50℃）下，工质就能汽化为蒸汽。这使得ORC技术能够利用原本被废弃的低品位热能，将这些能源重新利用并转化为电能。

如图1所示，有机工质朗肯循环（ORC）发电系统的核心组成部分包括蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵。在这个系统中，有机工质首先从热源处吸收热量，达到沸点并转化为蒸汽。随后，这些蒸汽送入膨胀机，带动膨胀机和发电机做功并产生电能。完成动作后，低温的工质在冷凝器中向冷源放热，凝结后通过工质泵送到蒸发器再次加热。

ORC发电技术与传统的SRC发电技术在原理上是相似的，不同的地方在于循环的工质。ORC技术使用的是低沸点的有机工质，这使得它能够更有效地利用那些原本被视为低价值、难以利用的低温低品位热源。这种特性使得ORC技术在可再生能源利用和废弃热源的回收方面具有显著的优势。

3 水泥余热发电与ORC技术结合方案

水泥工厂余热发电系统，作为水泥生产线节能降耗的重要手段必不可少，而ORC技术又具有其独特的优势，如何将两者较好的结合起来，即将ORC技术应用到水泥生产线的余热发电系统中，方案介绍如下：

水泥生产线ORC余热发电系统可以分为三个核心的能量传递、转换的过程。首先，余热锅炉作为整个ORC水泥余热发电系统的第一个核心过程中的核心设备，承担着回收水泥生产线余热的重要任务。通过余热锅炉，水泥生产线的余热被有效地转化为中间传热介质的热量，这个介质常选用导热油，有时也可以采用水或有机工质本身，具体选择取决于实际热源的情况。所以水泥生产线ORC余热发电系统烟气侧主要核心设备包括余热锅炉（通常为导热油炉）、烟风管道系统以及输灰系统等部分。

其次，在余热锅炉中完成吸热的中间介质通过管道以及换热器将热量传递给有机工质，这也是整个系统中的第二个核心过程。在此过程中，有机工质在换热器中吸收热量，并逐步由低温液态转化为高温气态，从而实现热量的有效利用。同时，导热油在放热后，通过导热油循环泵送入余热锅炉（导热油炉），完成循环维持系统的持续运作。此部分的核心设备主要包括，一系列管壳式热交换器、导热油循环泵以及管道及其附件等。

最后，是作为系统中最重要的核心过程——有机工质发电系统。此部分核心设备有透平机、发电机、再热器、冷凝器以及工质泵等。这个系统的工作流程如下：首先，在换热器中完成吸热的有机工质从液态变为高品质的蒸汽状态。这个蒸汽状态的有机工质具有较高的热能。接着，这些蒸汽在透平中进一步膨胀，并做功驱动发电机组发电。在这一过程中，工质的热能被转化为电能，为工厂供电。完成动作后，乏蒸汽从透平中排出。这些乏蒸汽首先经过再热器，以回收部分热能。随后，乏蒸汽进入冷凝设备进行冷却，液态的有机工质再次形成。最后，冷却后的液态有机工质在工质泵的作用下被加压，并通过再热器升温后，重新进入换热器，开始下一轮的循环。

该组合系统典型示例流程如下：

如图2所示，该系统为水泥余热发电与ORC技术结合的典型系统。采用中间热载体将余热从烟气中回收，然后在换热器中将其传给有机工质。中间热载体（导热油）在预热器、蒸发器等中预热并蒸发有机工质 （3→4→5）；有机工质在透平中驱动涡轮（5→6），带动发电机产生电力；透平排出的乏汽流经再热器（6→7），并加热液体有机工质（2→3）；冷却后的乏汽在空冷器中冷凝（7→8→1）；然后将有机工质泵入预热器和蒸发器（1→2），从而完成闭式循环操作。

整个有机工质发电系统通过这种连续的循环，实现了热能的有效转化和利用，为工厂提供稳定的电力供应。同时，由于使用的是有机工质，该系统能够适应低温低品位的热源，提高了能源利用的效率。

综上所述，水泥工厂的ORC余热发电循环系统主要包含两个子循环系统：中间介质（导热油）循环系统和有机工质循环系统。

中间介质（导热油）循环系统作为整个系统的热能传输媒介，起着至关重要的作用。导热油在余热锅炉中吸收工厂余热，并通过循环泵进行加压和传输。导热油在传输过程中将热量传递给有机工质，以实现热能的利用。

同时，有机工质循环系统则承担着将热能转化为机械能的任务。有机工质在吸收导热油的热量后，状态发生变化，从液态变为气态。这些有机工质蒸汽在透平中膨胀并做功，进而驱动发电机组发电。完成发电后，乏蒸汽经过冷凝和再热等过程，重新进入有机工质循环，实现能量的连续转化和利用。

这两个系统的协同工作，实现了水泥工厂余热的回收和高效利用，同时也为工厂提供了可再生的电力供应，对环境保护和能源可持续发展具有重要意义。

本系统的关键难点和要点主要集中在以下几个方面：

（1）取风位置的选择：选择合适的取风位置对于整个系统的运行至关重要。要确保取风口能够捕获到足够且稳定的余热热源，同时也要考虑到烟气流动的均匀性和连续性，以确保系统稳定运行。

（2）烟气参数的确定：烟气的温度、流量和成分等参数都会影响到系统的运行效率和安全性。因此，对这些参数进行准确测量和合理控制是系统设计的关键。

（3）两套循环的介质选择与参数优化：对于中间介质（导热油）循环和有机工质循环，需要针对不同的介质特性进行合理的选择和优化。这包括介质的热传导性能、稳定性、安全性以及经济性等方面的考虑。

（4）经济效益的最大化：在满足系统运行效率和安全性的前提下，如何通过合理的参数选择和配置，最大化系统的经济效益，是本系统的另一个重要目标。

为了实现上述目标，需要综合考虑各种因素，进行详细的分析和计算，并进行必要的实验验证。同时，与专业的工程师和专家进行深入的合作与交流也是非常必要的。

4 应用探讨

根据当前的技术趋势和市场环境，国内水泥窑余热发电系统仍将以SRC系统为主导。然而在国外水资源稀缺地区和欧洲、土耳其等人力成本较高的地区，ORC系统的优势得到了充分体现，部分客户开始倾向于选择该系统[1]。

为了满足不同客户的多样化需求，对ORC和SRC系统进行深入研究至关重要。根据具体项目的特点，为客户提供最适合的余热发电解决方案已成为一个重要的发展方向。

以下为某5000t/d水泥厂采用ORC余热发电技术方案的思路：

综合考虑水泥窑余热资源的温度及导热油运行的安全性、稳定性等，选择导热油种类T66；选择环戊烷作为有机工质，有机工质蒸汽参数需根据热源及冷源温度，综合分析选取。

热力系统图如下：

热力参数汇总：

注意上表仅仅是某假定项目的ORC系统参数，在实际特定的项目中我们需要根据实际情况，有针对性地选择恰当的烟气参数，并选择出合理的循环工质，才能得到最大的发电效率。

5 发展前景

水泥窑余热发电采用ORC系统，有其特有的优势，如可以适应更低温度的热源，自动化程度高以及可以做到零水耗等。不过，现阶段该系统在国内并未得到广泛的应用和推广，主要是仍然存在以下问题：

1）核心技术仍缺乏。

尽管最近几年国内出现了很多ORC设备厂家，其他行业也实施了一些ORC项目，但是国内还没有出现能和国外一线主流厂家叫板的高效ORC透平机组[2]。应加强各企业与科研机构的合作，理论与实际结合，共同解决核心技术问题。

2）产品经济性不突出

ORC低温余热发电系统的整体投入仍然过大，组件大多依靠进口，回收期较长，一般都至少需要5年，使得经济性不突出。

3）国家财政补贴及政策支撑乏力

国外ORC行业发展快、落地项目多，主要也是得益于美国和欧洲各国政府对于地热及生物质行业的财政补贴及政策支持。但是我国缺乏相关鼓励政策，这也是导致整个行业发展缓慢的一个重要因素，未来发展任重而道远。

参考文献：

[1] 陶军普. ORC与SRC余热发电系统的选型原则[J]. 水泥技术， 2022（2）： 80-84.

[2] 王大彪， 段捷， 胡哺松， 等. 有机朗肯循环发电技术发展现状[J]. 节能技术， 2015，33（3）： 235-242.