水泥工廠清潔能源發電方式分析

周瑩瑩1，田博1，田哲1，向崢1，裴凌旭2

1天津水泥工業設計研究院有限公司；2中材水泥有限責任公司

來源：《水泥技術》

1前言

近年來，為積極響應國家能源結構優化與節能減排政策，諸多水泥工廠在煤炭價格持續上漲、生產成本逐年增加的形勢下，充分利用清潔能源發電，大幅提高新能源使用占比，推進水泥工廠的綠色低碳循環發展。本文以某水泥工廠項目為例，介紹分析了各種清潔能源發電方式和優缺點，為實現水泥工廠“零購電”提供了思路。

2清潔能源發電方式介紹

2.1光伏發電方式

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

以某項目為例，該地區太陽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。根據全國日照輻射量分布，水平面全年日照輻射總量約1343kW·h/m2，該項目所在地光伏發電資源屬三類（C類）地區。該項目采用高效單晶硅540Wp太陽能光伏板，以固定支架的方式安裝。其中，中控化驗室屋頂、水泥粉磨車間屋頂、廠前區（辦公樓、食堂、宿舍）屋頂均為鋼筋混凝土結構屋頂，光伏板沿混凝土屋頂按最佳傾角15°敷設，護坡上的光伏板沿護坡按最佳傾角45°敷設，綠化帶上的光伏板按最佳傾角15°敷設，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。水泥廠太陽能光伏板的布置與建筑結構相結合，在保證發電效率的同時，兼顧與建筑造型和周圍環境的協調性。

該項目采用型號為SG100CX、SG50CX、SG33CX的三種組串式逆變器，按照14塊的串聯數量組串。各屋頂光伏發電量經逆變匯流后，經就近車間變壓器升壓至10kV，再經2回集電線路分別接入窯尾和水泥磨配電站的光伏進線柜后，并入10kV母線。

該項目光伏發電規劃容量為9.2MW，其分布式光伏發電裝置設計壽命為25年，初步測算其首年發電量為10 296MW·h，25年平均發電量為9 504MW·h。按照每年發電950萬度電計，可節約標煤2 892t，減排CO2 7 736t、SOX 58.92t、NOX 19.96t。

該水泥工廠的光伏發電充分利用了閑置屋頂和護坡等區域，發出的電能采用就近原則接入廠內配電網，形式靈活多樣，可進一步減少碳排放，保護環境。但其仍存在一些不足，如，發電量受日照條件影響大，光伏板需定期清洗維護等。

2.2余熱發電方式

在水泥生產過程中，大量的余熱未得到充分利用，既造成了能源浪費，又加劇了環境污染。加強余熱回收成為水泥廠節約能源和治理環境污染的重要途徑。目前，余熱發電技術已在水泥廠大量運用。

為高效利用窯頭熟料冷卻機廢氣余熱，提高窯頭余熱鍋爐的煙氣溫度，從而提高余熱鍋爐運行的穩定性，該項目取用了窯頭熟料冷卻機中段廢氣余熱。考慮取風點至余熱鍋爐進口的煙風管道溫度損失及旁通管道閥門密封不嚴的漏風損失，預熱器至窯尾余熱鍋爐的煙風管道的溫度損失按照3℃考慮，窯尾余熱鍋爐旁通煙風管道漏風損失按照1.5%考慮；窯頭冷卻機中部取風口至窯頭鍋爐的煙風管道溫度損失按照3℃考慮，其廢氣余熱可利用的余熱量為33 918kW。

根據上述最大可利用余熱條件（窯尾預熱器六級運行），余熱電站采用復合雙壓熱力系統，采用1臺7.5MW補汽凝汽式汽輪機＋1臺7.5MW發電機＋1臺窯尾余熱鍋爐+1臺窯頭余熱鍋爐的裝機方案。發電機由電站10kV母線經單回電纜線路與總降變電站10kV母線連接，從而實現余熱電站與系統并網運行。同期并網操作設在電站側，在發電機出口斷路器、電站側發電機聯絡斷路器處設置同期并網點。該項目余熱發電站裝機規模7.5MW，設計發電功率6 385kW，年發電量47 504MW·h，按用電率5%計，每年可向水泥廠供電45 129MW·h。

水泥工廠采用余熱發電方式具有諸多優點，一是水泥窯純低溫余熱發電技術具有較高的熱能利用率；二是余熱發電方式不需要額外能源，發電成本低；三是可有效利用熱能資源，減少對環境的污染。余熱發電方式也存在一些不足，如發電效率低、發電機組復雜、維修過程繁瑣等。

2.3風力發電方式

該項目所在區域地勢北高南低，一面陽坡，呈階梯狀分布，屬暖溫帶大陸性半濕潤氣候。基于中尺度數據進行分析，風資源分布落差較大，100m風速約4.41~6.71m/s。廠區北側為山脈，受地形遮擋嚴重，且周邊居民區密集，廠區內僅能夠規劃2臺機組，考慮在周邊區域規劃集中式風電場。據此，該項目設置風電方案如下：

（1）廠區內選用兩臺機組，容量9.1MW，等效利用小時數為1 957h。

（2）周邊區域規劃風場，選用9臺機組，容量40.95MW，等效利用小時數為2 082h。

（3）該項目風力發電有兩個接入點：一是將廠區內兩臺機組劃為一組，就近接入廠區總降壓變電站，通過單回路電纜線路與總降內10kV開關柜相連接；二是集中式風電場內規劃兩座升壓站，將電壓升至110kV，直接并入最近的國家電網110kV變電站，向電力系統輸送電能。

風能與太陽能同屬于可再生清潔能源，且在轉化為電能的過程中，不產生有害氣體。需注意的是，風力發電的可靠性和穩定性受風速制約較大；另外，在風力發電前期，建設投資成本相對較高。

2.4垃圾焚燒發電方式

近年來，我國的垃圾焚燒發電技術發展迅猛，利用有機生活垃圾焚燒轉化成的能源屬于生物質能范疇，屬于可再生能源。垃圾焚燒發電系統主要包含垃圾接收儲存及輸送系統、焚燒系統、汽輪機發電系統、輸送電及自動化系統等重點系統。

城市垃圾由專用垃圾車運入廠區，進行檢測、稱重、卸料等一系列操作后進入焚燒系統。垃圾焚燒爐的運行性能直接影響垃圾焚燒處理的綜合排放指標和全套設備的運轉率。目前，項目多采用機械爐排爐焚燒方式處置生活垃圾。機械爐排爐采用層狀燃燒技術，對垃圾的預處理要求不高，對垃圾熱值適應范圍廣，運行及維護簡便，是目前最常用、處理量最大的城市生活垃圾焚燒爐。焚燒垃圾產生的熱能通過余熱鍋爐產生穩定的蒸汽，推動汽輪發電機組工作，從而轉變成電能。

垃圾焚燒發電技術與水泥工廠的“零購電”方案相結合，不僅可以解決簡單填埋處理垃圾對環境造成的污染和破壞問題，還能夠填補水泥工廠電力缺口。需注意的是，垃圾焚燒發電效率不高，且為了最大程度減少對周圍環境的影響，垃圾焚燒發電廠設備投資大，技術集成度高，管理也極為嚴格。

3氫能發電方式的探索

氫能是21世紀最有發展潛力的清潔能源之一，也是各行業碳減排研究的熱點。2022年3月，國家發改委和國家能源局出臺《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》，正式將氫能上升到國家能源戰略地位。眾多大型能源企業開始加快布局氫能全產業鏈。在國家能源戰略新發展背景下，水泥企業有必要提前規劃布局氫能產業，圍繞雙碳目標任務，密切關注氫能制取和儲運等環節的前瞻性技術研究，開展氫能項目試點的前期工作。同時，水泥企業還可與化學工程公司聯手，在氫氣制備、存儲、運輸、應用等領域及氫能產業示范園區建設開展全方位合作。

氫氣作為燃料，具有燃值高、清潔、可再生等優勢，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，環境和社會效益顯著。然而，氫能在水泥行業中的應用還面臨一些挑戰，最主要的挑戰是氫氣的生產成本較高，其次是氫氣制備、存儲、運輸等技術仍在探索和發展階段。

4結語

近年來，我國水泥行業不斷加快探索綠色低碳的循環經濟生產方式，通過布局新能源項目促進產業的綠色發展。水泥產業已不僅僅是傳統的單一建材制造產業，而是兼具環保處理、能源中轉等生態產業鏈的多功能產業，推動綠色電能、替代燃料取代傳統能源轉型已成為水泥企業提升綜合實力與市場競爭力的關鍵突破點。加快對光伏發電、風力發電、垃圾焚燒發電、氫能發電等清潔能源發電技術的拓展，可進一步助力水泥工廠的新能源轉型發展。

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