CN107062920A - 水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法 - Google Patents

水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法 Download PDF

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    • F27D2017/007—Systems for reclaiming waste heat including regenerators

Abstract

水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法，利用水泥厂熟料生产高温热化学反应窑炉系统的工艺及装备特点，以CO2蓄能装置直接蓄集高温设备和/或高温物料的强辐射/传导的部分热能，解决好高温设备和/或高温物料辐射/传导的高温热能所造成的具体的不利影响问题，同时以蓄集的高温热能将CO2流体转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体，作为超临界CO2发电机组发电的主要能源。本发明从解决好水泥熟料生产过程中的各环节各类高温热能对窑系统运行工况、熟料冷却质量、设备安全及工作人员安全等等的不利影响问题，开发出适应于超临界CO2发电系统高效发电的系列优质高温能源，方法简单而具有工业实用性。

Description

水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法
技术领域
本发明涉及环保与能源技术领域，尤其涉及一种结合解决水泥生产线各环节各类高温热能造成的一些具体的不利影响问题，经济的获取水泥厂超临界CO2发电所需的主要高温能源的方法。
背景技术
众所周知，水泥生产企业为公认的高耗能高污染企业，是二氧化碳的主要排放源之一，不仅一次能源（煤）和二次能源（电）消耗大。水泥生产的CO2排放可分为原料碳酸盐的分解和燃料的燃烧产生的CO2的直接排放、及生产工艺过程消耗的外部电力等产生的间接排放。据中国建筑材料科学研究总院对我国水泥工业CO2排放分析，我国水泥生产过程原料分解、燃料燃烧和电力消耗的CO2排放量分别占水泥生产总排放量的59%、26%、12%，CO2排放因子干法水泥为 0.867 t / t 。我国干法回转窑生产线达1700多条，水泥产能逾35亿t，由此推断我国水泥工业的CO2年排放量达30亿t。可见，我国水泥企业实施节能减排及CO2减排更凸显紧迫性和必要性。
作为高耗能的水泥行业，水泥厂熟料的生产系统实质上是一套高温热化学反应窑炉系统，熟料生产中的实际能耗远高于热化学反应平衡所需的能耗，水泥生产过程中持续的产生了大量的废弃余热，且其中的一些高温热能客观上造成了一些不利的影响。现有的水泥厂余热利用主要是利用窑尾预热器排出的280℃～380℃废气余热和窑头篦冷机内中温段抽取的280℃～400℃废气余热进行余热发电和抽取篦冷机内的中温风供煤磨。尚有大量的高温热能不能有效利用，这些高温热能或损害设备装置、或影响窑系统工况的正常运行、或造成严重的热辐射污染，客观上导致了能源浪费和碳排放增加。如回转窑的胴体高温300℃～500℃高温辐射热污染，为防止高温造成回转窑报废，不得不标配成排的电吹风机持续的吹冷风甚至加喷水雾来降低回转窑的胴体温度，不但增加电耗也造成热污染，电耗的增加也增加了碳排放；又如回转窑的窑头罩内850℃～1500℃高温热辐射与传导，窑头罩内承接了来自回转窑内连续卸下的1250℃～1450℃高温熟料流，及喷煤管后退至窑口外燃烧时的1500℃～1700℃的高温辐射热，并承受来自篦冷机内高温段800℃～1200℃的向上的热空气流回转窑和三次风管内的高温气流的冲刷，以致窑头罩内壁耐火材料易于烧蚀损毁，甚至窑头罩金属壳体经常被烧蚀；再如水泥生产线的篦冷机内的200℃～1350℃的高温辐射热，窑头罩下的篦冷机内承接了来自回转窑内连续卸下的1250℃～1450℃高温熟料流，尽管篦冷机头部装设有成排的空气炮用于防止高温熟料熔结成团，但篦冷机内头部的熟料落料区仍经常结块堆雪人甚至不得不停窑清理高温结块，篦冷机鼓风冷却回收的高温余热以二次风和三次风供应回转窑和分解炉，中段的中温风抽出供窑头余热锅炉发电和煤磨，多余的热风由头排风机排出经收尘器收尘后排空，篦冷机内高温熟料产生的大量高温辐射热能既影响窑系统工况、影响熟料冷却质量，也浪费能源增加碳排放，并对环境产生热污染；又如回转窑的窑尾烟室850℃～1200℃的高温热辐射和热传导的热能，窑尾烟室内因温度高达850℃～1200℃导致经常性结皮粘堵影响窑况正常运行，除须标配有多个空气泡清堵外，还不得不每班数名工人穿着防护服拿着铁釺、高压水枪清理烟室内的结皮以保生产能正常运行；还有窑尾第五级或第六级预热器和下料管内大量的850℃～950℃高温料粉因温度偏高导致出现液相产生的预热器锥部和下料管内的结皮粘堵致使停窑清理且清理过程极不安全的问题。
另一方面，随着CCS技术的发展，超临界二氧化碳发电系统即一种以超临界状态的二氧化碳为工质的布雷顿循环系统已受到广泛关注，超临界二氧化碳发电系统主要包括热源、高速涡轮机、高速发电机、高速压气机、冷却器等，其高效换热器是超临界发电系统工程应用的基础，其循环过程中的循环介质为二氧化碳，但超临界CO2发电的高效率也更需要高温热源。据中国《水泥》（2014.No.9）《利用CO2动力循环的水泥余热发电系统》介绍了美国俄亥俄州阿克伦城Echogen公司开发的利用水泥厂预热器排出的废气余热和熟料冷却机抽取的废气余热设计的应用CO2动力循环余热发电系统，采用的是当前水泥窑余热发现电的中温废气余热，但Echogen公司目前开发的EPS100 8MW热机系统中的中温废热交换器投资就高达2000～2500万美元，远高于国内8MW双锅炉整套余热发电系统的投资总额（国内水泥厂预热器排出的废气余热锅炉和熟料冷却机抽取的废气余热锅炉发电系统总投资4000～6000万元人民币不等），且其高投资的利用中温的方式与换热装置，客观上尚难以适应我国大部分水泥窑系统废气余热温度随原燃材料及窑系统工况波动大的状况，而高温高效换热器是超临界发电系统工程应用的基础。再者，我国水泥企业已普及建好了预热器排出废气余热锅炉和熟料冷却机抽取废气余热锅炉发电系统（以水为工作介质），这种利用相同的中温废气余热热源但产出相同的高投资的系统，在当前国情下缺少现实性。
显然，我国水泥企业要能有效的推广CCS技术或CCUS技术，经济地采用超临界CO2发电系统发电，近切需要一种全新的理念和创新的方法来开发一种获取超临界CO2发电所需的高温能源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对高耗能水泥行业熟料的生产系统实质上是一套高温热化学反应窑炉系统，熟料生产中的实际能耗远高于热化学反应平衡所需的能耗，生产过程中持续产生大量废弃余热，且其中的一些高温设备和高温物料的高温热能客观上造成了一些不利的影响问题，提供一种结合解决水泥熟料生产过程中高温热能产生的具体的不利影响问题、以低投资的CO2蓄能装置蓄集水泥生产过程中高温装备/高温物料所产生的高温辐射热和/或传导热能、简单而经济地获得适应于水泥厂超临界二氧化碳发电所需要的主要高温能源的方法。
本发明解决其技术问题所釆用的技术方案是：水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法，利用水泥厂熟料生产高温热化学反应窑炉系统的工艺及装备特点，以CO2蓄能装置直接蓄集高温设备/高温物料的强辐射/传导的部分热能，解决好高温设备和/或高温物料辐射/传导的高温热能所造成的具体的不利影响问题，同时以蓄集的高温热能将CO2流体转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体，作为超临界CO2发电机组发电的主要能源，具体方法主要包括以下几种：
方法一、以窑头罩内置CO2蓄能装置直接蓄集干法回转窑生产线的窑头罩内常态的800℃～1450℃及更高温度的强辐射热能，以蓄集的高温热能将CO2转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体，作为超临界CO2发电的主要能源；
所述的窑头罩内置CO2蓄能装置，主要包括窑头罩、CO2蓄能机构、支吊架、逆止阀和调节阀，所述CO2蓄能机构通过支吊架固定在窑头罩内的内壁和/或顶部上，或嵌入内壁耐火材料中，所述逆止阀设于窑头罩外，与窑头罩内的CO2蓄能机构的进口相连通，所述调节阀设于窑头罩外，与窑头罩内的CO2蓄能机构的出口相连通，所述CO2蓄能机构的工作介质为CO2流体。
进一步，还设有安全阀，所述安全阀安装在窑头罩外，位于调节阀与窑头罩内的CO2蓄能机构的出口之间。
进一步，还设有温压感应器，所述温压感应器安装在窑头罩外，位于安全阀与窑头罩内的CO2蓄能机构的出口之间。
进一步，所述的CO2蓄能机构可为箱式热交换器和/或板式热交换器和/或盘式空心管热交换器和/或列管式热交换器等。
该方法以送入窑头罩内置CO2蓄能装置的CO2流体直接吸收窑头罩内常态的800℃～1450℃及更高温度的强辐射热能，将窑头罩内的强辐射热能直接转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电的主要能源，能解决高温强辐射热能对窑头罩耐火材料及金属壳体的烧蚀问题，延长窑头罩的使用寿命，降低维修费用，并大幅降低高温强辐射造成的环境热污染危害，可改善生产线巡查工作环境，且对入窑二次风温和入炉三次风温无可见影响。
方法二、以篦冷机内置CO2蓄能装置直接蓄集干法回转窑生产线的篦冷机内熟料200℃～1350℃强辐射/传导热能，以蓄集的高温热能将CO2转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电的主要能源；
所述的篦冷机内置CO2蓄能装置，主要包括篦冷机、CO2蓄能机构、支吊架、逆止阀和调节阀，所述CO2蓄能机构通过支吊架固定于篦冷机内的端头和/或侧壁和/或顶板上，所述逆止阀设于篦冷机外，与篦冷机内的CO2蓄能机构的进口相连通，所述调节阀设于篦冷机外，与篦冷机内的CO2蓄能机构的出口相连通，所述CO2蓄能机构的工作介质为CO2流体。
进一步，还设有安全阀，所述安全阀安装在调节阀与CO2蓄能机构的出口之间。
进一步，还设有温压感应器，所述温压感应器安装在安全阀与CO2蓄能机构的出口之间。
进一步，所述的CO2蓄能机构可为箱式热交换器和/或板式热交换器和/或盘式空心管热交换器和/或列管式热交换器等。
该方法以送入篦冷机内置CO2蓄能装置的CO2流体直接吸收篦冷机内200℃～1350℃高温熟料的传导与强辐射热能，将篦冷机内的强辐射高温热能直接转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电的能源，能解决篦冷机内高温熟料的熔融结块及堆雪人影响生产正常运行及降低熟料冷却质量的问题，利于熟料的快速冷却和提高熟料冷却质量，并降低头排废气风温，延长头排风机和头排收尘器的使用寿命，对窑况及熟料热耗无可见不利影响。
方法三、以窑尾烟室内置CO2蓄能装置直接蓄集水泥生产线的窑尾烟室内850℃～1200℃高温辐射/传导热能，以蓄集的高温热能将CO2转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电机组发电的主要能源；
所述的窑尾烟室内置CO2蓄能装置，主要包括窑尾烟室、CO2蓄能机构、支吊架、逆止阀和调节阀，所述CO2蓄能机构通过支吊架固定在窑尾烟室内的内壁上和/或上部缩口，或嵌入内壁耐火材料中，所述逆止阀设于窑尾烟室外，与窑尾烟室内的CO2蓄能机构的进口相连通，所述调节阀设于窑尾烟室外，与窑尾烟室内的CO2蓄能机构的出口相连通，所述CO2蓄能机构的工作介质为CO2流体。
进一步，还设有安全阀，所述安全阀安装在调节阀与CO2蓄能机构的出口之间。
进一步，还设有温压感应器，所述温压感应器安装在安全阀与CO2蓄能机构的出口之间。
进一步，所述的CO2蓄能机构可为箱式热交换器和/或板式热交换器和/或盘式空心管热交换器和/或列管式热交换器等。
该方法以送入窑尾烟室内置CO2蓄能装置的CO2流体直接吸收窑尾烟室含缩口内850℃～1200℃高温产生的强辐射/传导热能，将窑尾烟室850℃～1200℃的强辐射高温热能直接转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电系统发电的能源，能解决烟室（含缩口）因高温而产生的结皮粘堵影响窑况运行的问题，大幅降低工人清理烟室的工作强度，可延长窑尾烟室及烟室浇注料的使用寿命，降低维修费用，减少环境热污染危害，改善现场巡查工作环境，且对窑况的稳定性和熟料生产能耗无可见不利影响。
方法四、以回转窑CO2蓄能装置直接蓄集干法回转窑生产线的回转窑胴体200℃～500℃高温辐射热能，以蓄集的高温热能将CO2流体转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体，作为超临界CO2发电机组发电的主要能源；
所述的回转窑CO2蓄能装置，主要包括回转窑、支架、CO2蓄能机构、逆止阀和调节阀，所述支架邻近回转窑，所述CO2蓄能机构固定在支架上，所述逆止阀与CO2蓄能机构的进口相连通，所述调节阀与CO2蓄能机构的出口相连通，所述CO2蓄能机构的工作介质为CO2流体；所述CO2蓄能机构包括热交换器、蓄热材料、隔热材料，所述热交换器置于蓄热材料中，所述热交换器的非受热面为隔热材料所包覆；
进一步，还设有安全阀，所述安全阀安装在调节阀与CO2蓄能机构的出口之间。
进一步，还设有温压感应器，所述温压感应器安装在安全阀与CO2蓄能机构的出口之间。
进一步，所述的热交换器可为箱式热交换器和/或板式热交换器和/或盘式空心管热交换器和/或螺旋绕管式热交换器等。
该方法以送入回转窑CO2蓄能装置中的CO2流体直接蓄集水泥回转窑胴体200℃～500℃的高温辐射热能，将回转窑胴体200℃～500℃的高温辐射热能转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电的能源，能解决回转窑胴体必须的吹风降温冷却问题，防止窑体变形，可延长回转窑及窑内耐火砖的使用寿命，降低回转窑托轮装置的维修费用，节省冷却窑胴体的运行电耗，改善窑系统巡查工作环境，减少环境热污染危害。
方法五、以水泥厂窑尾预热器料管和料管内置CO2蓄能装置直接利用水泥生产过程中窑尾预热器和下料管内大流量的850℃～950℃高温粉料的部分高温热能，以蓄集的窑尾预热器和下料管内大流量高温粉料850℃～950℃的部分高温热能将CO2流体转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体，作为超临界CO2发电机组发电的主要能源；
所述的窑尾预热器料管内置CO2蓄能装置，主要包括预热器、下料管、锁风翻板阀、CO2蓄能机构、逆止阀、调节阀和窑尾烟室，所述预热器的锥部与下料管的上端部相连，所述下料管的下端部与窑尾烟室入口相连，所述锁风翻板阀设于下料管的管道上将下料管分成阀上管和阀下管两部分，所述CO2蓄能机构固定在预热器内和/或下料管内并嵌入耐火材料中，所述逆止阀设在预热器外或下料管外，与预热器内或下料管内的CO2蓄能机构的进口相连通，所述调节阀设在预热器外或下料管外，与预热器内或下料管内的CO2蓄能机构的出口相连通，所述CO2蓄能机构的工作介质为CO2流体。
进一步，还设有安全阀，所述安全阀安装在调节阀与CO2蓄能机构的出口之间。
进一步，还设有温压感应器，所述温压感应器安装在安全阀与CO2蓄能机构的出口之间。
进一步，所述的CO2蓄能机构可为盘式空心管热交换器和/或螺旋绕管式热交换器和/或夹套式热交换器和/或板式热交换器等。
该方法以送入窑尾预热器料管内置CO2蓄能装CO2工作介质直接吸收蓄集窑尾预热器和下料管内大流量的850℃～950℃高温粉料的部分高温热能，获得超临界CO2发电所需要的优质的高蓄能密度的高压热态超临界CO2流体；且可控制预热器锥部和下料管中流动的高温粉料的温度降低40℃～120℃，窑尾烟室温度降低30℃～100℃，可解决好或大幅减轻预热器锥部和下料管及窑尾烟室内因温度过高出现液相结皮和粘堵的问题，利于窑况稳定，且对熟料生产热耗无可见的不利影响。
方法六、以窑头罩和下部相连通的篦冷机高温空间为一个高温空间，设置窑头内置CO2蓄能装置直接蓄集干法回转窑生产线的窑头罩内800℃～1500℃和篦冷机内高温熟料300℃～1350℃的强辐射与传导热能，以蓄集的高温热能将CO2转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电机组发电的能源；
所述的窑头内置CO2蓄能装置，包括窑头罩、CO2蓄能机构、支吊架、逆止阀、调节阀、篦冷机，所述CO2蓄能机构通过支吊架固定在篦冷机和窑头罩的内壁和/或顶部上，或嵌入内壁耐火材料中，所述逆止阀设于低温区的篦冷机外，与篦冷机内的CO2蓄能机构的进口相连通，所述调节阀设于高温区的窑头罩外，与窑头罩内的CO2蓄能机构的出口相连通，所述CO2蓄能机构的工作介质为CO2流体。
进一步，还设有安全阀，所述安全阀安装在调节阀与CO2蓄能机构的出口之间。
进一步，还设有温压感应器，所述温压感应器安装在安全阀与CO2蓄能机构的出口之间。
进一步，所述的CO2蓄能机构可为箱式热交换器和/或板式热交换器和/或盘式空心管热交换器和/或列管式热交换器和/或夹套式热交换器等。
该方法以送入窑头内置CO2蓄能装置的CO2流体直接吸收篦冷机内熟料的高温辐射/传导热能及窑头罩内常态的800℃～1450℃及更高温度的强辐射热能，将窑头高温设备内的强辐射热能直接转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电系统发电的能源，解决了高温强辐射对篦冷机内熟料的熔结堆雪人影响窑况运行及窑头罩耐火材料、金属壳体的烧蚀问题，延长篦冷机与窑头罩的使用寿命，降低维修费用，提高了熟料的冷却速度与冷却质量，并大幅降低高温强辐射造成的环境热污染危害，改善生产线巡查工作环境，且对入窑二次风温和入炉三次风温无明显可见影响。
进一步，将方法一至方法五中所述的CO2蓄能装置并联或串联使用或串联+并联使用，以CO2为工质蓄集高温设备和/或高温物料的高温热能获得的高蓄能密度的高压热态超临界CO2流体直接作为超临界CO2机组发电所需的主要能源。
进一步，所述的CO2蓄能装置蓄集的高温设备和/或高温物料的高温能源合并中低温废气余热能源作为超临界CO2发电机组发电的能源。
本发明的技术原理：
1）针对高耗能水泥行业熟料的生产系统实质上是一套高温热化学反应窑炉系统，熟料生产中的实际能耗远高于热化学反应平衡所需的能耗，生产过程中持续产生大量废弃余热，其中的一些高温设备和高温物料的高温热能客观上造成了一些不利于窑系统工况的稳定运行、不利于熟料产质量、甚至严重影响生产线的装备安全和工作人员的现场安全问题，从解决水泥熟料生产过程中高温热能产生的具体的不利影响问题着手，寻找适应于超临界CO2发电系统所需要的优质高温能源。
2）结合解决水泥熟料生产过程中各类高温热能产生的具体的不利影响问题，采用CO2蓄能装置直接吸收各类高温设备和/或高温物料的辐射或传导致不利影响的高温热能，从根本上消除产生有害作用的部分高温热能，从而具体的解决好熟料生产过程中各类高温热能对窑系统工况、熟料冷却质量、高温设备安全和现场工作人员安全等实际的不利影响问题，而对窑系统的产质量和熟料能耗等无可见影响。
3）直接以CO2为工作介质，将产生不利影响的高温热能直接转化为适合于超临界CO2发电系统高效发电的具有高蓄能密度的高压热态超临界CO2的优质能源。
本发明的有益效果：
1）本发明着眼于解决好水泥熟料生产过程中的各环节各类高温热能对窑系统运行工况、熟料冷却质量、设备安全及工作人员安全等等的不利影响问题，开发出适应于超临界CO2发电系统高效发电的系列优质高温能源，方法简单而具有工业实用性。
如：为解决窑头罩高温强辐射热不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的方法，为解决篦冷机内高温热熟料熔结堆雪人等不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的方法，为解决窑尾烟室高温热造成的结皮粘堵等不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的方法，为解决回转窑胴体高温强辐射热易造成窑体变形、人员安全等不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的方法，为解决窑尾预热器和入窑下料管因高温粉料温度偏高造成的粘堵、结皮影响运行和人员安全等不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的方法，为解决窑头空间（含窑头罩和相通的篦冷机）高温强辐射热造成的熟料熔结、堆雪人、耐火材料和金属烧蚀及影响熟料质量和窑况稳定等不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的方法等等。
即，一方面解决好了熟料生产过程中高温热能造成的不利影响，有利于生产的稳定和产质量的提高，并改善工作环境，另一方面，为超临界CO2发电开发出了廉价的、优质的高温能源。
2）便于水泥厂推行CO2捕集减排与利用CO2发电，可大大的增加水泥厂的余热发电量，大幅减少水泥生产对外供电能的需求，利于水泥企业的节能减排和实现水泥的低碳生产。
附图说明
图1a 为一种解决窑头罩高温强辐射热不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的装置示意图；
图1b 为沿图1a所示装置的A-A线剖视图；
图2a 为一种为解决篦冷机内高温热熟料熔结堆雪人等不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的装置示意图；
图2b 为沿图2a所示装置的A-A线剖视图；
图3 为一种为解决窑尾烟室高温热造成的结皮粘堵等不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的装置示意图；
图4 为一种为解决回转窑胴体高温强辐射热易造成窑体变形、人员安全等不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的装置示意图；
图5 为一种为解决窑尾预热器和入窑下料管因高温粉料温度偏高造成的粘堵、结皮影响运行和人员安全等不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的装置示意图；
图6a为一种为解决窑头空间（含窑头罩和相通的篦冷机）高温强辐射热造成的熟料熔结、堆雪人、耐火材料和金属烧蚀及影响熟料质量和窑况稳定等不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的装置示意图；
图6b 为沿图6a所示装置的A-A线剖视图；
图7 为多个CO2蓄能装置蓄集高温热能获得的高蓄能密度的高压热态超临界CO2直接作为超临界CO2机组发电所需能源的装置示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
本发明针对高耗能水泥行业熟料的生产系统实质上是一套高温热化学反应窑炉系统，熟料生产中的实际能耗远高于热化学反应平衡所需的能耗，生产过程中持续产生大量废弃余热，且其中的一些高温设备和高温物料的高温热能客观上造成了一些具体的不利的实际影响问题，以CO2为工质、利用CO2蓄能装置直接吸收蓄集熟料生产线的高温设备和/或高温物料的强辐射/传导的部分热能，解决好高温设备和/或高温物料高温辐射/传导的高温热能所造成的诸如对窑系统运行工况、熟料冷却质量、设备安全、岗位工作人员安全等等具体的不利影响问题，并以蓄集的高温热能直接将CO2流体转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体，作为超临界CO2发电机组发电的主要能源。
实施例1
一种为解决窑头罩高温强辐射热不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的方法：以窑头罩内置CO2蓄能装置直接蓄集干法回转窑生产线的窑头罩内常态的800℃～1450℃及更高温度的强辐射热能，以蓄集的高温热能将CO2转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体，作为超临界CO2发电的主要能源。
所述的窑头罩内置CO2蓄能装置，如图1a-图1b所示，主要包括窑头罩1、CO2流体蓄能机构2、支吊架3、逆止阀4、调节阀5、安全阀6和温压感应器7，所述CO2流体蓄能机构2包括盘式空心管换热器2a和箱式换热器2c，所述盘式空心管换热器2a通过支吊架3固定在窑头罩1的内壁，或嵌入内壁耐火材料中，所述箱式换热器2c通过支吊架3固定在窑头罩1的顶部，所述逆止阀4设于窑头罩1外，与窑头罩1内的CO2流体蓄能机构2的进口相连通，所述调节阀5、安全阀6、温压感应器7设于窑头罩1外，与窑头罩1内的CO2流体蓄能机构2的出口相连通；所述CO2流体蓄能机构2的工作介质为CO2流体。
本实施例以送入窑头罩内置CO2蓄能装置的CO2流体直接吸收窑头罩内常态的800℃～1450℃及更高温度的强辐射热能，将窑头罩内的强辐射热能直接转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电的主要能源，能解决高温强辐射热能对窑头罩耐火材料及金属壳体的烧蚀问题，延长窑头罩的使用寿命，降低维修费用，并大幅降低高温强辐射造成的环境热污染危害，可改善生产线巡查工作环境，且对入窑二次风温和入炉三次风温无可见影响。
实施例2
一种为解决水泥厂篦冷机内高温热熟料熔结堆雪人等不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的方法：以篦冷机内置CO2蓄能装置直接蓄集干法回转窑生产线的篦冷机内熟料200℃～1350℃强辐射/传导热能，以蓄集的高温热能将CO2转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电的主要能源；
所述的篦冷机内置CO2蓄能装置，如图2a-图2b所示，主要包括篦冷机8、CO2流体蓄能机构2、支吊架3、逆止阀4、调节阀5、安全阀6和温压感应器7，所述CO2流体蓄能机构2包括盘式空心管换热器2a和板式换热器2b，所述盘式空心管换热器2a通过支吊架3固定在篦冷机8内顶板上，所述板式换热器2b通过支吊架3固定在篦冷机8内端部（靠近回转窑）的内壁，所述逆止阀4设于篦冷机8外，与篦冷机8内的盘式空心管换热器2a的进口相连通，所述调节阀5、安全阀6、温压感应器7设于篦冷机8外，与篦冷机8内的板式换热器2b的出口相连通；所述CO2流体蓄能机构2的工作介质为CO2流体。
本实施例以送入篦冷机内置CO2蓄能装置的CO2流体直接吸收篦冷机内200℃～1350℃高温熟料的传导与强辐射热能，将篦冷机内的强辐射高温热能直接转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电的能源，解决了篦冷机内高温熟料的熔融结块及堆雪人影响生产正常运行及降低熟料冷却质量的问题，利于熟料的快速冷却和提高熟料冷却质量，并降低头排废气风温，延长头排风机和头排收尘器的使用寿命，对窑况及熟料热耗无可见不利影响。
实施例3
一种为解决窑尾烟室高温热造成的结皮粘堵等不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的方法：以窑尾烟室内置CO2蓄能装置直接蓄集水泥生产线的窑尾烟室内850℃～1200℃高温辐射/传导热能，以蓄集的高温热能将CO2转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电机组发电的能源；
所述的窑尾烟室内置CO2蓄能装置，如图3所示，主要包括窑尾烟室9、CO2流体蓄能机构2、支吊架3、逆止阀4、调节阀5、安全阀6和温压感应器7，所述CO2流体蓄能机构2包括盘式空心管热交换器2a和板式热交换器2b，所述盘式空心管热交换器2a通过支吊架3定在窑尾烟室9内顶部的缩口内壁上并嵌入内壁耐火材料中，所述板式热交换器b通过支吊架3固定在窑尾烟室9内的内壁上并嵌入内壁耐火材料中，所述逆止阀4设于窑尾烟室9外，与窑尾烟室9的盘式空心管热交换器2a的进口相连通，所述调节阀5、安全阀6、温压感应器7设于窑尾烟室9外，与窑尾烟室9内的板式热交换器2b的出口相连通；所述CO2流体蓄能机构2的工作介质为CO2流体。
本实施例以送入窑尾烟室内置CO2蓄能装置的CO2流体直接吸收窑尾烟室内850℃～1200℃高温产生的强辐射/传导热能，将窑尾烟室850℃～1200℃的强辐射高温热能直接转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电系统发电的能源，解决了烟室（含缩口）因高温而产生的结皮粘堵影响窑况运行的问题，能大幅降低工人清理烟室的工作强度，可延长窑尾烟室及烟室浇注料的使用寿命，降低维修费用，减少环境热污染危害，改善现场巡查工作环境，且对窑况的稳定性和熟料生产能耗无可见不利影响。
实施例4
一种为解决回转窑胴体高温强辐射热易造成窑体变形、人员安全等不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的方法：以回转窑CO2蓄能装置直接蓄集干法回转窑生产线的回转窑胴体200℃～500℃高温辐射热能，以蓄集的高温热能将CO2流体转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体，作为超临界CO2发电机组发电的能源；
所述的回转窑CO2蓄能装置，如图4所示，主要包括回转窑10、支架11、CO2蓄能机构2、逆止阀4、调节阀5、安全阀6和温压感应器7，所述支架11邻近回转窑10，所述CO2蓄能机构2固定在支架11上，所述逆止阀4与CO2蓄能机构2的进口相连通，所述调节阀5、安全阀6、温压感应器7与CO2蓄能机构2的出口相连通；所述CO2蓄能机构2的工作介质为CO2流体；所述的CO2蓄能机构2包括箱式热交换器301、蓄热材料302、隔热材料303，所述箱式热交换器301设置在蓄热材料302中，箱式热交换器301的非受热面为隔热材料303所包覆。
本实施例以送入回转窑CO2蓄能装置中的CO2流体直接蓄集水泥回转窑胴体200℃～500℃的高温辐射热能，将回转窑胴体200℃～500℃的高温辐射热能转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电的能源。解决了回转窑胴体必须的吹风降温冷却问题，防止窑体变形，可延长回转窑及窑内耐火砖的使用寿命，节省冷却窑胴体的运行电耗，改善窑系统巡查工作环境，减少环境热污染危害。
实施例5
一种为解决窑尾预热器和入窑下料管因高温粉料温度偏高造成的粘堵、结皮影响运行和人员安全等不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的方法：以水泥厂窑尾预热器料管内置CO2蓄能装置直接利用水泥生产过程中窑尾预热器和下料管内大流量的850℃～950℃高温粉料的部分高温热能，以蓄集的窑尾预热器和下料管内850℃～950℃高温热能将CO2流体转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体，作为超临界CO2发电机组发电的能源；
所述的窑尾预热器料管内置CO2蓄能装置，如图5所示，主要包括预热器13、下料管14、锁风翻板阀15、CO2蓄能机构2、逆止阀4、调节阀5、安全阀6、温压感应器7和窑尾烟室9，所述预热器13的锥部与下料管14的上端部相连，所述下料管14的下端部与窑尾烟室9相连，所述锁风翻板阀15设于下料管14的管道上将下料管14分成阀上管14a和阀下管14b两部分，所述CO2蓄能机构2固定在预热器13锥部和下料管14的阀上管14a和阀下管14b内并嵌入耐火材料中，所述逆止阀4设在下料管14的阀下管14b外，与下料管14内的CO2蓄能机构2的进口相连通，所述调节阀5、安全阀6、温压感应器7设在预热器13外，与预热器13锥部内的CO2蓄能机构2的出口相连通；所述CO2蓄能机构2的工作介质为CO2流体；所述CO2蓄能机构2为盘式空心管热交换器或夹套式热交换器。
本实施例以送入窑尾预热器料管内置CO2蓄能装CO2工作介质直接吸收蓄集窑尾预热器和下料管内大流量的850℃～950℃高温粉料的部分高温热能，获得超临界CO2发电所需要的优质的高蓄能密度的高压热态超临界CO2流体；且可控制预热器锥部和下料管中流动的高温粉料的温度降低40℃～120℃，窑尾烟室温度降低30℃～100℃，可解决好或大幅减轻预热器锥部和下料管及窑尾烟室内因温度过高出现液相结皮和粘堵的问题，利于窑况稳定，且对熟料生产热耗无可见的不利影响。
实施例6
一种为解决窑头空间（含窑头罩和相通的篦冷机）高温强辐射热造成的熟料熔结、堆雪人、耐火材料和金属烧蚀及影响熟料质量和窑况稳定等不利影响而获取适应于超临界CO2发电所需能源的方法：以所述的窑头罩和下部相连通的篦冷机高温空间为一个高温空间，设置窑头内置CO2蓄能装置直接蓄集干法回转窑生产线的窑头罩内800℃～1500℃和篦冷机内高温熟料300℃～1350℃的强辐射与传导热能，以蓄集的高温热能将CO2转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电机组发电的能源；
所述的窑头内置CO2蓄能装置，如图6a-图6b所示，包括窑头罩1、CO2流体蓄能机构2、支吊架3、逆止阀4、调节阀5、安全阀6、温压感应器7和篦冷机8，所述CO2蓄能机构包括箱式/板式/盘式空心管热交换器，工作介质为CO2流体，所述CO2蓄能机构2通过支吊架固定在篦冷机8和窑头罩1的内壁/顶部上，或嵌入内壁耐火材料中，所述逆止阀4设于低温区的篦冷机8外，与篦冷机8内的CO2蓄能机构2的进口相连通，所述调节阀5、安全阀6、温压感应器7设于高温区的窑头罩外1，与窑头罩内的CO2蓄能机构2的出口相连通。
本实施例以送入窑头内置CO2蓄能装置的CO2流体直接吸收篦冷机内熟料的高温辐射/传导热能及窑头罩内常态的800℃～1450℃及更高温度的强辐射热能，将窑头高温设备内的强辐射热能直接转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电系统发电的能源，能解决高温强辐射对篦冷机内熟料的熔结堆雪人影响窑况运行及窑头罩耐火材料、金属壳体的烧蚀问题，延长篦冷机与窑头罩的使用寿命，降低维修费用，提高熟料的冷却速度与冷却质量，并大幅降低高温强辐射造成的环境热污染危害，改善生产线巡查工作环境，且对入窑二次风温和入炉三次风温无明显可见影响。
实施例7
如图7所示，以多个CO2蓄能装置并联或串联使用或串联+并联使用，以蓄集高温热能获得的高蓄能密度的高压热态超临界CO2直接作为超临界CO2机组发电所需的主要能源。
所述的CO2蓄能装置包括篦冷机CO2流体蓄能装置2-1、窑头罩CO2流体蓄能装置2-2、回转窑CO2流体蓄能装置2-3、逆止阀4、调节阀5、安全阀6和温压感应器7、窑尾烟室CO2流体蓄能装置2-8、预热器下料管CO2流体蓄能装置2-9、预热器CO2流体蓄能装置2-10，用CO2流体作为工作介质，以箱式/板式/夹套式/盘式空心管热交换器作为CO2蓄能机构，其中篦冷机CO2流体蓄能装置2-1、窑头罩CO2流体蓄能装置2-2进行串联布置，窑尾烟室CO2流体蓄能装置2-8、预热器下料管CO2流体蓄能装置2-9、预热器CO2流体蓄能装置进行串联布置2-10；回转窑CO2流体蓄能装置2-3和其他蓄能装置进行并联布置。上述的CO2蓄能装置蓄集的高温设备和/或高温物料的高温能源合并中低温废气余热能源作为超临界CO2发电机组发电的能源。
本发明针对高耗能水泥行业熟料的生产系统实质上是一套高温热化学反应窑炉系统，熟料生产中的实际能耗远高于热化学反应平衡所需的能耗，生产过程中持续产生大量废弃余热，其中的一些高温设备和高温物料的高温热能客观上造成了一些不利于窑系统工况的稳定运行、不利于熟料产质量、甚至严重影响生产线的装备安全和工作人员的现场安全问题，从解决水泥熟料生产过程中高温热能产生的具体的不利影响问题着手，寻找适应于超临界CO2发电系统所需要的优质高温能源。结合解决水泥熟料生产过程中各类高温热能产生的具体的不利影响问题，采用CO2蓄能装置直接吸收各类高温设备和/或高温物料的辐射或传导致不利影响的高温热能，从根本上消除产生有害作用的部分高温热能，从而具体的解决好熟料生产过程中各类高温热能对窑系统工况、熟料冷却质量、高温设备安全和现场工作人员安全等实际的不利影响问题，而对窑系统的产质量和熟料能耗等无可见影响。直接以CO2为工作介质，将产生不利影响的高温热能直接转化为适合于超临界CO2发电系统高效发电的具有高蓄能密度的高压热态超临界CO2的优质能源。
上述实施例可以说明本发明一方面解决好了熟料生产过程中高温热能造成的不利影响，有利于生产的稳定和产质量的提高，并改善工程环境，另一方面，为超临界CO2发电开发出了廉价的、优质的高温能源。

Claims (10)

1.水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法，其特征在于，利用水泥厂熟料生产高温热化学反应窑炉系统的工艺及装备特点，以CO2蓄能装置直接蓄集高温设备和/或高温物料的强辐射/传导的部分热能，解决好高温设备和/或高温物料辐射/传导的高温热能所造成的具体的不利影响问题，同时以蓄集的高温热能将CO2流体转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体，作为超临界CO2发电机组发电的主要能源，具体方法主要包括以下几种：
方法一、以窑头罩内置CO2蓄能装置直接蓄集干法回转窑生产线的窑头罩内常态的800℃～1450℃及更高温度的强辐射热能，以蓄集的高温热能将CO2转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体，作为超临界CO2发电的主要能源；
所述的窑头罩内置CO2蓄能装置，主要包括窑头罩、CO2蓄能机构、支吊架、逆止阀和调节阀，所述CO2蓄能机构通过支吊架固定在窑头罩内的内壁和/或顶部上，或嵌入内壁耐火材料中，所述逆止阀设于窑头罩外，与窑头罩内的CO2蓄能机构的进口相连通，所述调节阀设于窑头罩外，与窑头罩内的CO2蓄能机构的出口相连通，所述CO2蓄能机构的工作介质为CO2流体；
方法二、以篦冷机内置CO2蓄能装置直接蓄集干法回转窑生产线的篦冷机内熟料1350℃～200℃强辐射/传导热能，以蓄集的高温热能将CO2转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电的主要能源；
所述的篦冷机内置CO2蓄能装置，主要包括篦冷机、CO2蓄能机构、支吊架、逆止阀和调节阀，所述CO2蓄能机构通过支吊架固定于篦冷机内的端头和/或侧壁和/或顶板上，所述逆止阀设于篦冷机外，与篦冷机内的CO2蓄能机构的进口相连通，所述调节阀设于篦冷机外，与篦冷机内的CO2蓄能机构的出口相连通，所述CO2蓄能机构的工作介质为CO2流体；
方法三、以窑尾烟室内置CO2蓄能装置直接蓄集水泥生产线的窑尾烟室内850℃～1200℃高温辐射/传导热能，以蓄集的高温热能将CO2转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电机组发电的主要能源；
所述的窑尾烟室内置CO2蓄能装置，主要包括窑尾烟室、CO2蓄能机构、支吊架、逆止阀和调节阀，所述CO2蓄能机构通过支吊架固定在窑尾烟室内的内壁上和/或上部缩口，或嵌入内壁耐火材料中，所述逆止阀设于窑尾烟室外，与窑尾烟室内的CO2蓄能机构的进口相连通，所述调节阀设于窑尾烟室外，与窑尾烟室内的CO2蓄能机构的出口相连通，所述CO2蓄能机构的工作介质为CO2流体；
方法四、以回转窑CO2蓄能装置直接蓄集干法回转窑生产线的回转窑胴体200℃～500℃高温辐射热能，以蓄集的高温热能将CO2流体转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体，作为超临界CO2发电机组发电的主要能源；
所述的回转窑CO2蓄能装置，主要包括回转窑、支架、CO2蓄能机构、逆止阀和调节阀，所述支架邻近回转窑，所述CO2蓄能机构固定在支架上，所述逆止阀与CO2蓄能机构的进口相连通，所述调节阀与CO2蓄能机构的出口相连通，所述CO2蓄能机构的工作介质为CO2流体；所述CO2蓄能机构包括热交换器、蓄热材料、隔热材料，所述热交换器置于蓄热材料中，所述热交换器的非受热面为隔热材料所包覆；
方法五、以水泥厂窑尾预热器和料管内置CO2蓄能装置直接利用水泥生产过程中窑尾预热器和下料管内大流量的850℃～950℃高温粉料的部分高温热能，以蓄集的窑尾预热器和下料管内850℃～950℃高温热能将CO2流体转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体，作为超临界CO2发电机组发电的主要能源；
所述的窑尾预热器料管内置CO2蓄能装置，主要包括预热器、下料管、锁风翻板阀、CO2蓄能机构、逆止阀、调节阀和窑尾烟室，所述预热器的锥部与下料管的上端部相连，所述下料管的下端部与窑尾烟室入口相连，所述锁风翻板阀设于下料管的管道上将下料管分成阀上管和阀下管两部分，所述CO2蓄能机构固定在预热器内和/或下料管内并嵌入耐火材料中，所述逆止阀设在预热器外或下料管外，与预热器内或下料管内的CO2蓄能机构的进口相连通，所述调节阀设在预热器外或下料管外，与预热器内或下料管内的CO2蓄能机构的出口相连通，所述CO2蓄能机构的工作介质为CO2流体。
2.根据权利要求1所述的水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法，其特征在于，所述的方法一至方法五中，还设有安全阀，所述安全阀安装在调节阀与CO2蓄能机构的出口之间。
3.根据权利要求2所述的水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法，其特征在于，还设有温压感应器，所述温压感应器安装在安全阀与CO2蓄能机构的出口之间。
4.根据权利要求1或2或3所述的水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法，其特征在于，所述的方法一、方法二、方法三中，所述的CO2蓄能机构为箱式热交换器和/或板式热交换器和/或盘式空心管热交换器和/或列管式热交换器。
5.根据权利要求1或2或3所述的水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法，其特征在于，所述的方法四中，所述的热交换器为箱式热交换器和/或板式热交换器和/或盘式空心管热交换器和/或螺旋绕管式热交换器。
6.根据权利要求1或2或3所述的水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法，其特征在于，所述的方法五中，所述的CO2蓄能机构为盘式空心管热交换器和/或螺旋绕管式热交换器和/或夹套式热交换器和/或板式热交换器。
7.水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法，其特征在于，以窑头罩和下部相连通的篦冷机高温空间为一个高温空间，设置窑头内置CO2蓄能装置直接蓄集干法回转窑生产线的窑头罩内800℃～1500℃和篦冷机内高温熟料300℃～1350℃的强辐射与传导热能，以蓄集的高温热能将CO2转化为高能量密度的高压热态超临界CO2流体能量，作为超临界CO2发电机组发电的能源；
所述的窑头内置CO2蓄能装置，包括窑头罩、CO2蓄能机构、支吊架、逆止阀、调节阀和篦冷机，所述CO2蓄能机构通过支吊架固定在篦冷机和窑头罩内的内壁和/或顶部上，或嵌入内壁耐火材料中，所述逆止阀设于低温区的篦冷机外，与篦冷机内的CO2蓄能机构的进口相连通，所述调节阀设于高温区的窑头罩外，与窑头罩内的CO2蓄能机构的出口相连通，所述CO2蓄能机构的工作介质为CO2流体。
8.根据权利要求7所述的水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法，其特征在于，所述的CO2蓄能机构为箱式热交换器和/或板式热交换器和/或盘式空心管热交换器和/或夹套式热交换器。
9.水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法，其特征在于，将权利要求1中方法一至方法五中所述的CO2蓄能装置并联或串联使用或串联+并联使用，以CO2为工质蓄集高温设备和/或高温物料的高温热能获得的高蓄能密度的高压热态超临界CO2流体直接作为超临界CO2机组发电所需的主要能源。
10.如权利要求1-7所述的水泥厂超临界二氧化碳发电所需主要能源获取方法，其特征在于，所述的CO2蓄能装置蓄集的高温设备和/或高温物料能源合并中低温废气余热能源作为超临界CO2发电机组发电的能源。
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