水泥工廠清潔能源發(fā)電方式分析

周瑩瑩1，田博1，田哲1，向崢1，裴凌旭2

1天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司；2中材水泥有限責(zé)任公司

來(lái)源：《水泥技術(shù)》

1前言

近年來(lái)，為積極響應(yīng)國(guó)家能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化與節(jié)能減排政策，諸多水泥工廠在煤炭?jī)r(jià)格持續(xù)上漲、生產(chǎn)成本逐年增加的形勢(shì)下，充分利用清潔能源發(fā)電，大幅提高新能源使用占比，推進(jìn)水泥工廠的綠色低碳循環(huán)發(fā)展。本文以某水泥工廠項(xiàng)目為例，介紹分析了各種清潔能源發(fā)電方式和優(yōu)缺點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)水泥工廠“零購(gòu)電”提供了思路。

2清潔能源發(fā)電方式介紹

2.1光伏發(fā)電方式

太陽(yáng)能是一種清潔、可再生能源，光伏發(fā)電方式可直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，既不釋放污染物，也不產(chǎn)生溫室氣體。利用水泥廠車間的屋頂，布置分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，既可節(jié)省建設(shè)光伏電站所需的大面積土地，還可減少火力發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的CO2、SO2等大氣污染物，具有較高的開發(fā)價(jià)值。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要采用單晶硅太陽(yáng)能電池組件作為光電轉(zhuǎn)換裝置，由逆變控制器將直流電逆變成三相交流電后升壓，并通過(guò)并網(wǎng)柜接入廠區(qū)并網(wǎng)點(diǎn)。

以某項(xiàng)目為例，該地區(qū)太陽(yáng)總輻射月總量主要集中在3~9月份，其中，6月份日照輻射量最佳。根據(jù)全國(guó)日照輻射量分布，水平面全年日照輻射總量約1343kW·h/m2，該項(xiàng)目所在地光伏發(fā)電資源屬三類（C類）地區(qū)。該項(xiàng)目采用高效單晶硅540Wp太陽(yáng)能光伏板，以固定支架的方式安裝。其中，中控化驗(yàn)室屋頂、水泥粉磨車間屋頂、廠前區(qū)（辦公樓、食堂、宿舍）屋頂均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)屋頂，光伏板沿混凝土屋頂按最佳傾角15°敷設(shè)，護(hù)坡上的光伏板沿護(hù)坡按最佳傾角45°敷設(shè)，綠化帶上的光伏板按最佳傾角15°敷設(shè)，其他車間屋頂為壓型鋼板形式屋頂，光伏板考慮沿屋面平鋪。水泥廠太陽(yáng)能光伏板的布置與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在保證發(fā)電效率的同時(shí)，兼顧與建筑造型和周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性。

該項(xiàng)目采用型號(hào)為SG100CX、SG50CX、SG33CX的三種組串式逆變器，按照14塊的串聯(lián)數(shù)量組串。各屋頂光伏發(fā)電量經(jīng)逆變匯流后，經(jīng)就近車間變壓器升壓至10kV，再經(jīng)2回集電線路分別接入窯尾和水泥磨配電站的光伏進(jìn)線柜后，并入10kV母線。

該項(xiàng)目光伏發(fā)電規(guī)劃容量為9.2MW，其分布式光伏發(fā)電裝置設(shè)計(jì)壽命為25年，初步測(cè)算其首年發(fā)電量為10 296MW·h，25年平均發(fā)電量為9 504MW·h。按照每年發(fā)電950萬(wàn)度電計(jì)，可節(jié)約標(biāo)煤2 892t，減排CO2 7 736t、SOX 58.92t、NOX 19.96t。

該水泥工廠的光伏發(fā)電充分利用了閑置屋頂和護(hù)坡等區(qū)域，發(fā)出的電能采用就近原則接入廠內(nèi)配電網(wǎng)，形式靈活多樣，可進(jìn)一步減少碳排放，保護(hù)環(huán)境。但其仍存在一些不足，如，發(fā)電量受日照條件影響大，光伏板需定期清洗維護(hù)等。

2.2余熱發(fā)電方式

在水泥生產(chǎn)過(guò)程中，大量的余熱未得到充分利用，既造成了能源浪費(fèi)，又加劇了環(huán)境污染。加強(qiáng)余熱回收成為水泥廠節(jié)約能源和治理環(huán)境污染的重要途徑。目前，余熱發(fā)電技術(shù)已在水泥廠大量運(yùn)用。

為高效利用窯頭熟料冷卻機(jī)廢氣余熱，提高窯頭余熱鍋爐的煙氣溫度，從而提高余熱鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性，該項(xiàng)目取用了窯頭熟料冷卻機(jī)中段廢氣余熱。考慮取風(fēng)點(diǎn)至余熱鍋爐進(jìn)口的煙風(fēng)管道溫度損失及旁通管道閥門密封不嚴(yán)的漏風(fēng)損失，預(yù)熱器至窯尾余熱鍋爐的煙風(fēng)管道的溫度損失按照3℃考慮，窯尾余熱鍋爐旁通煙風(fēng)管道漏風(fēng)損失按照1.5%考慮；窯頭冷卻機(jī)中部取風(fēng)口至窯頭鍋爐的煙風(fēng)管道溫度損失按照3℃考慮，其廢氣余熱可利用的余熱量為33 918kW。

根據(jù)上述最大可利用余熱條件（窯尾預(yù)熱器六級(jí)運(yùn)行），余熱電站采用復(fù)合雙壓熱力系統(tǒng)，采用1臺(tái)7.5MW補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)＋1臺(tái)7.5MW發(fā)電機(jī)＋1臺(tái)窯尾余熱鍋爐+1臺(tái)窯頭余熱鍋爐的裝機(jī)方案。發(fā)電機(jī)由電站10kV母線經(jīng)單回電纜線路與總降變電站10kV母線連接，從而實(shí)現(xiàn)余熱電站與系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行。同期并網(wǎng)操作設(shè)在電站側(cè)，在發(fā)電機(jī)出口斷路器、電站側(cè)發(fā)電機(jī)聯(lián)絡(luò)斷路器處設(shè)置同期并網(wǎng)點(diǎn)。該項(xiàng)目余熱發(fā)電站裝機(jī)規(guī)模7.5MW，設(shè)計(jì)發(fā)電功率6 385kW，年發(fā)電量47 504MW·h，按用電率5%計(jì)，每年可向水泥廠供電45 129MW·h。

水泥工廠采用余熱發(fā)電方式具有諸多優(yōu)點(diǎn)，一是水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)具有較高的熱能利用率；二是余熱發(fā)電方式不需要額外能源，發(fā)電成本低；三是可有效利用熱能資源，減少對(duì)環(huán)境的污染。余熱發(fā)電方式也存在一些不足，如發(fā)電效率低、發(fā)電機(jī)組復(fù)雜、維修過(guò)程繁瑣等。

2.3風(fēng)力發(fā)電方式

該項(xiàng)目所在區(qū)域地勢(shì)北高南低，一面陽(yáng)坡，呈階梯狀分布，屬暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)氣候。基于中尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，風(fēng)資源分布落差較大，100m風(fēng)速約4.41~6.71m/s。廠區(qū)北側(cè)為山脈，受地形遮擋嚴(yán)重，且周邊居民區(qū)密集，廠區(qū)內(nèi)僅能夠規(guī)劃2臺(tái)機(jī)組，考慮在周邊區(qū)域規(guī)劃集中式風(fēng)電場(chǎng)。據(jù)此，該項(xiàng)目設(shè)置風(fēng)電方案如下：

（1）廠區(qū)內(nèi)選用兩臺(tái)機(jī)組，容量9.1MW，等效利用小時(shí)數(shù)為1 957h。

（2）周邊區(qū)域規(guī)劃風(fēng)場(chǎng)，選用9臺(tái)機(jī)組，容量40.95MW，等效利用小時(shí)數(shù)為2 082h。

（3）該項(xiàng)目風(fēng)力發(fā)電有兩個(gè)接入點(diǎn)：一是將廠區(qū)內(nèi)兩臺(tái)機(jī)組劃為一組，就近接入廠區(qū)總降壓變電站，通過(guò)單回路電纜線路與總降內(nèi)10kV開關(guān)柜相連接；二是集中式風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)規(guī)劃兩座升壓站，將電壓升至110kV，直接并入最近的國(guó)家電網(wǎng)110kV變電站，向電力系統(tǒng)輸送電能。

風(fēng)能與太陽(yáng)能同屬于可再生清潔能源，且在轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程中，不產(chǎn)生有害氣體。需注意的是，風(fēng)力發(fā)電的可靠性和穩(wěn)定性受風(fēng)速制約較大；另外，在風(fēng)力發(fā)電前期，建設(shè)投資成本相對(duì)較高。

2.4垃圾焚燒發(fā)電方式

近年來(lái)，我國(guó)的垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅猛，利用有機(jī)生活垃圾焚燒轉(zhuǎn)化成的能源屬于生物質(zhì)能范疇，屬于可再生能源。垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)主要包含垃圾接收儲(chǔ)存及輸送系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)、汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、輸送電及自動(dòng)化系統(tǒng)等重點(diǎn)系統(tǒng)。

城市垃圾由專用垃圾車運(yùn)入廠區(qū)，進(jìn)行檢測(cè)、稱重、卸料等一系列操作后進(jìn)入焚燒系統(tǒng)。垃圾焚燒爐的運(yùn)行性能直接影響垃圾焚燒處理的綜合排放指標(biāo)和全套設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率。目前，項(xiàng)目多采用機(jī)械爐排爐焚燒方式處置生活垃圾。機(jī)械爐排爐采用層狀燃燒技術(shù)，對(duì)垃圾的預(yù)處理要求不高，對(duì)垃圾熱值適應(yīng)范圍廣，運(yùn)行及維護(hù)簡(jiǎn)便，是目前最常用、處理量最大的城市生活垃圾焚燒爐。焚燒垃圾產(chǎn)生的熱能通過(guò)余熱鍋爐產(chǎn)生穩(wěn)定的蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組工作，從而轉(zhuǎn)變成電能。

垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)與水泥工廠的“零購(gòu)電”方案相結(jié)合，不僅可以解決簡(jiǎn)單填埋處理垃圾對(duì)環(huán)境造成的污染和破壞問(wèn)題，還能夠填補(bǔ)水泥工廠電力缺口。需注意的是，垃圾焚燒發(fā)電效率不高，且為了最大程度減少對(duì)周圍環(huán)境的影響，垃圾焚燒發(fā)電廠設(shè)備投資大，技術(shù)集成度高，管理也極為嚴(yán)格。

3氫能發(fā)電方式的探索

氫能是21世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗唬彩歉餍袠I(yè)碳減排研究的熱點(diǎn)。2022年3月，國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局出臺(tái)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）》，正式將氫能上升到國(guó)家能源戰(zhàn)略地位。眾多大型能源企業(yè)開始加快布局氫能全產(chǎn)業(yè)鏈。在國(guó)家能源戰(zhàn)略新發(fā)展背景下，水泥企業(yè)有必要提前規(guī)劃布局氫能產(chǎn)業(yè)，圍繞雙碳目標(biāo)任務(wù)，密切關(guān)注氫能制取和儲(chǔ)運(yùn)等環(huán)節(jié)的前瞻性技術(shù)研究，開展氫能項(xiàng)目試點(diǎn)的前期工作。同時(shí)，水泥企業(yè)還可與化學(xué)工程公司聯(lián)手，在氫氣制備、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、應(yīng)用等領(lǐng)域及氫能產(chǎn)業(yè)示范園區(qū)建設(shè)開展全方位合作。

氫氣作為燃料，具有燃值高、清潔、可再生等優(yōu)勢(shì)，利用氫氣作為燃料，不僅能夠減少碳排放，而且可以減少二氧化硫和汞排放，環(huán)境和社會(huì)效益顯著。然而，氫能在水泥行業(yè)中的應(yīng)用還面臨一些挑戰(zhàn)，最主要的挑戰(zhàn)是氫氣的生產(chǎn)成本較高，其次是氫氣制備、存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)仍在探索和發(fā)展階段。

4結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，我國(guó)水泥行業(yè)不斷加快探索綠色低碳的循環(huán)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)方式，通過(guò)布局新能源項(xiàng)目促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展。水泥產(chǎn)業(yè)已不僅僅是傳統(tǒng)的單一建材制造產(chǎn)業(yè)，而是兼具環(huán)保處理、能源中轉(zhuǎn)等生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈的多功能產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)綠色電能、替代燃料取代傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型已成為水泥企業(yè)提升綜合實(shí)力與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵突破點(diǎn)。加快對(duì)光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電、氫能發(fā)電等清潔能源發(fā)電技術(shù)的拓展，可進(jìn)一步助力水泥工廠的新能源轉(zhuǎn)型發(fā)展。

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