一、前言
    近年來，隨著我國水泥工業工藝及裝備技術得以迅速發展，百數十條數千噸級新型干法水泥熟料生產線（簡稱水泥窯）的陸續投產，為水泥窯純低溫余熱發電技術及裝備的推廣應用創造了市場條件。在這個背景條件下，目前國內具有水泥窯余熱發電工程設計、技術開發能力的數家單位，以利用日本KHI技術及設備建設的安徽寧國水泥廠、廣西柳州水泥廠純低溫余熱電站為藍本，推出了幾種水泥窯純低溫余熱發電的熱力循環系統并已在水泥工業開始陸續推廣應用。由于日本KHI提供的余熱發電技術及設備是用于上世紀八十年代利用當時國外先進水泥工藝技術及裝備建成的帶有四級預熱器的新型干法窯，考慮目前國內陸續投產的大型水泥窯技術及裝備的變化并結合國內火力發電設備設計制造現狀，對水泥工業純低溫余熱發電應采用的熱力循環系統、循環參數進行深入的研究分析從而進一步確定并提高適于我國國情的純低溫余熱發電技術及裝備水平、充分回收余熱盡而提高余熱發電能力是非常必要的。
二、水泥窯可用于發電的余熱分布及變化
    目前國內新型干法水泥熟料生產線由于第三代冷卻機、大型立磨等新工藝、新設備的應用，熟料綜合能耗得以大幅降低，可用于發電的余熱也有了較大的變化，其中尤其是熟料冷卻機廢氣余熱。對于這種水泥窯，目前可用于發電的余熱：其一，熟料冷卻機排出的廢氣余熱可全部用于發電；其二，窯尾預熱器排出的廢氣余熱，部分可用于發電，部分用于水泥生產所需原燃料的烘干。以5000t/d水泥窯為例，可用于發電的余熱分布情況見圖1。
          
                     圖1  5000t/d級新型干法水泥窯余熱分布圖
    上世紀八十年代利用當時國外先進技術及設備建設的水泥窯，可用于發電的余熱分布與目前國內大型水泥生產線是相同的，但由于熟料冷卻機、粉磨等工藝及設備技術的不同，可用于發電的余熱量發生了較大變化，以安徽寧國水泥廠4000t/d水泥窯及目前國產5000t/d水泥窯為例比較如下：見表1。
      表1                   水泥窯可用于發電的余熱比較表

參數名稱		安徽寧國水泥廠4000t/d水泥窯			目前國產5000t/d水泥窯
熟料產量		4009t/d			5000t/d
預熱器排出的廢氣溫度		343℃			~330℃
預熱器排出 的廢氣量	總量	258580Nm3/h			~332000Nm3/h
	單位熟料	1.548Nm3/kg			~1.59Nm3/kg
冷卻機排出的廢氣溫度		241℃（不噴水）			260℃（不噴水）
冷卻機排出 的廢氣量	總量	~315040Nm3/h			~282000Nm3/h
	單位熟料	~1.886Nm3/kg			~1.35Nm3/kg
物料烘干要求的 預熱器廢氣溫度		250℃			~210℃
單位熟料熱耗		3323kJ/ /kg			2997kJ/ /kg
水泥窯總熱耗		5.55×108kJ/h			6.24×108kJ/h
廢氣總余熱量	預熱器	13.1×107kJ/h	784.23kJ/kg	56.83%	16.2×107kJ/h	777.6kJ/kg	62.8%
	冷卻機	9.95×107kJ/h	595.7kJ/kg	43.17%	9.61×107kJ/h	461.3kJ/kg	37.2%
	合計	23.05×107kJ/h	1379.93kJ/kg	100%	25.81×107kJ/h	1238.9kJ/kg	100%
廢氣總余熱量占水 泥窯總熱耗比例		41.53%			41.36%
可用于發電的余熱量	預熱器	3.565×107kJ/h		26.3%	5.91×107kJ/h		38.1%
	冷卻機	9.95×107kJ/h		73.7%	9.61×107kJ/h		61.9%
	合計	1.3515×108kJ/h		100%	1.552×108kJ/h		100%
可用于發電的余熱	預熱器	1.86×107kJ/h		39.7%	2.927×107kJ/h		49.4%
	冷卻機	2.82×107kJ/h		60.3%	2.858×107kJ/h		50.6%
	合計	4.68×107kJ/h		100%	5.785×107kJ/h		100%
可用于發電的 余熱量占各自廢氣總余熱量比例	預熱器	27.2%			36.48%
	冷卻機	100%			100%
可用于發電 的余熱量分別占 廢氣總余熱量的 比例	預熱器	15.47%			22.9%
	冷卻機	43.16%			37.23%
	合計	58.63%			60.13%
可用于發電的 余熱量占水泥窯總熱耗的比例	預熱器	6.4%			9.47%
	冷卻機	17.9%			15.4%
	合計	24.3%			24.87%
冷卻機熱效率		~60%			~75%
基本數據來源		摘自熱工標定及電站設計資料			摘自工程設計及電站設計資料

    表1中兩條水泥窯可用于發電的總余熱量與水泥窯總熱耗的比例是基本相同的，但分布卻發生了很大變化：由于原料粉磨系統普遍采用立磨工藝，使烘干物料用的預熱器廢氣溫度由~250℃降低至~210℃，在單位熟料預熱器廢氣余熱總量基本不變的情況下，可用于發電的余熱量由占預熱器總余熱量的27.2%提高至36.48%；由于第三代冷卻機熱效率的提高，使可用于發電的余熱量由占廢氣總余熱量的43.16%降至37.23%，同時降低了熟料熱耗。對于目前國內新型干法窯，當原燃料烘干所需的廢氣溫度大于260℃時，可用于發電的總余熱量將由24.87%降低至20.9%、預熱器及冷卻機間可用于發電的廢氣余熱量比例也將與寧國水泥廠4000t/d生產線基本相同。
    上述可用于發電的余熱分布、比例，對確定余熱發電熱力循環系統及循環參數有重要的影響。
三、目前我國純低溫余熱發電技術采用的幾種熱力循環系統、循環參數的分析及存在的主要問題
    3.1 熱力循環系統
    近年來，根據安徽寧國水泥廠、廣西柳州水泥廠余熱電站模式，國內水泥窯純低溫余熱發電采用的熱力循環系統主要為以下三種：
    其一：采用補汽式汽輪機的復合閃蒸單級補汽系統（AQC爐生產主蒸汽同時生產高溫熱水，高溫熱水再降壓蒸發出二次蒸汽后，二次蒸汽補入汽輪機），見圖2；
        
              圖2  復合閃蒸單級補汽熱力循環系統

    其二：采用補汽式汽輪機的雙壓單級補汽系統（AQC爐生產兩個不同壓力的蒸汽，一為主蒸汽，再一個為低壓補汽），見圖3；
        
            圖3  雙壓單級補汽熱力循環系統
    其三：采用單級進汽汽輪機及單壓AQC爐的單壓不補汽系統，見圖4。
        
          圖4  單壓不補汽熱力循環系統
3.2 循環參數
    結合目前國產汽輪機組系列參數及水泥窯廢氣溫度，前述三種熱力循環系統采用的循環參數（以汽輪機主進汽壓力、溫度為標志）主要為：主進汽壓力0.98Mpa、溫度305℃，主進汽壓力1.57Mpa、溫度305℃，主進汽壓力1.27Mpa、溫度315℃，其中僅寧國水泥廠為2.5Mpa- 350℃、柳州水泥廠為1.57Mpa- 350℃。
3.3 發電能力的計算及分析
    對于5000t/d水泥熟料生產線，當分別采用上述三種熱力循環系統及0.98Mpa- 305℃循環參數時，其發電能力的變化見表2。
表2                    發電能力比較表（熱力循環系統不同）


    當某一種熱力循環系統采用不同循環參數時，其發電能力也是變化的。其變化情況分別以單壓不補汽系統、雙壓單級補汽系統、復合閃蒸單級補汽系統的1.57 Mpa-305℃、1.57 Mpa-325℃進行分析計算，見表3。
     表3                     發電能力變化（循環參數不同）

熱力循環系統及循環參數		復合閃蒸單級補汽系統		雙壓單級補汽系統		單壓不補汽系統
		1.57MPa-305℃	1.57MPa-325℃	1.57MPa-305℃	1.57MPa-325℃	1.57MPa-305℃	1.57MPa-325℃
SP 爐	主蒸汽參數	19.3t/h-1.72MPa-310℃	19.1t/h-1.72MPa-330℃	19.6t/h-1.72MPa-310℃	19.28t/h-1.72MPa-330℃	19.3t/h-1.72MPa-310℃	19.1t/h-1.72MPa-330℃
	主蒸汽給水溫度	193℃	193℃	100℃	100℃	193℃	193℃
	用于烘干的廢氣溫度	230℃	230℃	215℃	216℃	230℃	230℃
AQC 爐	主蒸汽參數	10.75t/h-1.72MPa-310℃	10.56t/h-1.72MPa-330℃	10.93t/h-1.72MPa-310℃	10.73t/h-1.72MPa-310℃	10.75t/h-1.72MPa-310℃	10.56t/h-1.72MPa-330℃
	主蒸汽段給水溫度	195℃	195℃	100℃	100℃	195℃	195℃
	主蒸汽段廢氣出口溫度	226℃	226℃	205℃	207℃	226℃	226℃
	低壓蒸汽參數	—	—	6.5t/h-0.25MPa-155℃	6.5t/h-0.25MPa-155℃	—	—
	低壓蒸汽段給水溫度	—	—	95℃	95℃	—	—
	熱水段出水參數	62.26t/h-196℃	62.26t/h-196℃	36.58t/h-96℃	36.11t/h-96℃	30.45t/h-196℃	30.06t/h-196℃
	熱水段給水溫度	70℃	70℃	30℃	30℃	30℃	30℃
	進窯頭電收塵器廢氣溫度	102℃	102℃	104℃	105℃	128℃	129℃
閃蒸器進水參數		31.81t/h-195℃	32.2t/h-195℃	—	—	—	—
閃蒸器二次蒸汽參數		.11t/h-0.25MPa-126.79℃	4.19t/h-0.25MPa-126.79℃	—	—	—	—
閃蒸器出水參數		27.7t/h-126.79℃	28.01t/h-126.79℃	—	—	—	—
汽輪機主進汽參數		30.05t/h-1.57MPa-305℃	29.66t/h-1.57MPa-325℃	30.05t/h-1.57MPa-305℃	30.01t/h-1.57MPa-325℃	30.05t/h-1.57MPa-305℃	29.66t/h-1.57MPa-325℃
汽輪機補汽參數		4.11t/h-0.15MPa-飽和	4.19t/h-0.15MPa-飽和	5.5t/h-0.15MPa-150℃	5.55t/h-0.15MPa-150℃	—	—
汽輪機排汽參數		0.007MPa-38.66℃	0.007MPa-38.66℃	0.007MPa-38.66℃	0.007MPa-38.66℃	0.007MPa-38.66℃	0.007MPa-38.66℃
發電能力		5290KW	5545KW	5551KW	5801KW	4956KW	5213KW
汽輪機(含發電機)總相對效率		86.8%	87.0%	86.5%	86.8%	87.0%	87.2%
電站熱效率		12.27%	12.86%	12.88%	13.46%	11.49%	12.09%
電站效率		32.93%	34.51%	34.55%	36.10%	30.84%	32.44%

3.3.1分析并提高余熱發電能力應遵循的基本原則
    當水泥窯廢氣溫度界定為：高溫余熱大于等于650℃、中溫余熱小于650℃大于等于350℃、低溫余熱小于350℃時，筆者經多年的研究、實驗并通過主持各類余熱電站的調試運行和對水泥窯余熱發電熱力系統中余熱的質量，提出了分析并提高余熱發電能力應遵循的若干基本原則。
(1)提高火力發電廠熱力循環系統效率的基本途徑
    根據熱力循環基本理論，提高火力發電廠熱效率的途徑有如下四方面：
    a提高初參數，即提高循環參數或稱主蒸汽壓力和溫度；
    b降低終參數，即降低汽輪機的排汽壓力和溫度；
    c采用在汽輪機不同壓力級分別抽出不同壓力的適量蒸汽用于逐級加熱鍋爐給水以提高鍋爐給水溫度的回熱循環；
    d采用在汽輪機某個壓力級將蒸汽全部抽出后將蒸汽全部回至鍋爐繼續加熱升溫，再將其回至汽輪機的再熱循環。
(2)提高水泥窯余熱發電能力應遵循的原則
    前述四個方面是針對以燃燒燃料的火力發電廠而言，鍋爐內燃料燃燒形成的溫度場可以達到千度以上，但對于廢氣溫度小于450℃的新型干法水泥窯余熱發電來講，應考慮：
    a水泥窯廢氣余熱量及溫度是受水泥生產工藝系統限制的，相應地提高主蒸汽參數也就受到限制。
    b余熱發電與常規火力發電一樣，受環境溫度的限制，汽輪機排汽參數不可能低于大氣濕球溫度。
    c在汽輪機不同壓力級分別抽出不同壓力的適量蒸汽以逐級加熱鍋爐給水的回熱循環，由于水泥窯廢氣有足夠的廢熱量可以將鍋爐給水加熱至相應溫度從而汽輪機可以不抽汽使其在汽輪機內繼續膨脹做功而提高發電能力，因此回熱循環不適于純低溫余熱發電；對于再熱循環，由于受水泥窯廢氣溫度的限制，也不適于純低溫余熱發電。
    d在預熱器廢氣經SP爐后再用于原燃料烘干的正常情況下，水泥窯總可用于發電的余熱量中，溫度低于200℃的部分約占35%以上并且全部集中于熟料冷卻機（見表1）。這樣僅采用單壓不補汽熱力循環系統時，將有部分200℃以下的余熱量不能回收利用而影響發電能力；當預熱器廢氣經SP爐后允許其溫度進一步降低時（如不用于原燃料烘干或烘干需要的溫度較低），則不能回收的200℃以下余熱量會更多，損失的發電能力會更大，也就是說余熱在量上沒有得到充分利用。
    綜合上述各方面因素，指導構成水泥窯中低溫余熱發電熱力循環系統、確定循環參數、提高發電能力的四個基本原則如下：
    第一、對于高溫廢氣余熱，應盡量生產高壓、高溫的蒸汽以減少換熱溫差、提高效率；
    第二、對于中低溫廢氣余熱，應首先考慮用其生產幾個不同壓力級別的相對高壓、高溫的蒸汽并按其蒸汽壓力分別補入補燃鍋爐或補入汽輪機不同壓力級的補汽口。按此原則可以獲得小的換熱溫差、高的效率；
    第三、對于低溫廢氣余熱，在保證小的換熱溫差條件下，首先利用相對低溫的余熱取代汽輪機回熱抽汽即加熱蒸汽鍋爐的給水，其次利用相對高溫的余熱生產不同壓力、溫度的低壓蒸汽并按其壓力分別補入汽機不同壓力級的補汽口。按此原則也可以獲得小的換熱溫差，高的效率并可以將可利用的廢氣余熱量全部回收用于發電；
    第四、對于廢氣余熱發電，熱力循系統是幾個初參數不同的復合朗肯循環，不完全符合基本熱力循環理論，因此其循環熱效率是不可能高于朗肯循環熱效率的，同時用熱效率來評價余熱發電熱力系統首先是不科學的、其次也是沒有實際意義的。能夠真實反映余熱發電熱力系統技術水平及余熱—動力轉換效果的應為而且也僅為：“效率”（即效率=發電功率/廢氣余熱總）并且將大大高于熱效率，從而真實地說明低溫廢氣余熱的價值。
    上述四個基本原則即以熱力學第一定律——熱量平衡為基礎同時也以熱力學第二定律——平衡為基礎，充分體現了熱量的質量——的梯級利用原理。依據上述原則構成的余熱發電熱力循環系統，理論上的發電能力或者說效率是最高的。
3.3.2發電能力的分析
    綜合分析表2、表3并依據上述基本原則，對于前述的幾個純低溫余熱發電熱力循環系統：
    (1)采用單壓不補汽系統時，發電能力是最低的。其主要原因：○1由于蒸汽壓力也即飽和蒸汽溫度的限制同時考慮換熱溫差，預熱器出口廢氣經SP鍋爐后的廢氣溫度不可能低于鍋爐蒸汽的飽和溫度，如：主蒸汽壓力為1.2Mpa時，鍋爐汽包飽和蒸汽溫度為190.7℃，相應的SP爐出口廢氣溫度不可能低于205℃；主蒸汽壓力為1.57Mpa時，鍋爐汽包飽和蒸汽溫度為213.1℃，相應的SP爐出口廢氣溫度不可能低于228℃?！?同樣由于蒸汽壓力的限制，熟料冷卻機廢氣通過AQC爐生產主蒸汽后，廢氣溫度仍在205℃以上，而這部分熱量只能用于加熱SP爐及AQC爐蒸汽段的給水；再由于SP爐、AQC爐蒸汽段給水量、給水溫度的限制及冷卻機205℃以下廢氣余熱熱量占可用于發電的總余熱量的比例太大（達到35%以上），冷卻機廢氣溫度經AQC爐蒸汽段和加熱蒸汽段給水的熱水段后的出口廢氣溫度也不可能降至帶補汽系統的溫度。上述兩方面的原因，使廢氣余熱不能得以充分回用利用，相應地影響發電能力，也就是說沒有遵循3.3.1所述的四個基本原則。
    (2)采用雙壓單級補汽系統時，發電能力是最高的。其主要原因：○1克服了單壓不補汽系統余熱利用不充分的缺點，可以將預熱器廢氣溫度經SP爐后降至原燃料烘干所需要的溫度，熟料冷卻機廢氣經AQC爐后溫度降至經濟溫度（即：AQC爐根據循環參數，其出口廢氣的經濟溫度一般為80~100℃）；○2余熱鍋爐生產的所有不同壓力的蒸汽全部通入汽輪機并轉換為電能后，再由汽輪機排出全部為0.007Mpa-38.66℃的汽水混合物，即余熱生產的蒸汽焓降按其不同的能級全部通過汽輪機轉換為電能，也就是說這個系統完全遵守了3.3.1所述的基本原則。
    (3)采用復合閃蒸單級補汽系統時，發電能力介于前述兩種系統之間。其主要原因：○1預熱器廢氣余熱的回收利用與單壓不補汽系統相同，預熱器廢氣余熱未能得到充分的回收利用?！?由于采用單級閃蒸系統，即：冷卻機廢氣經AQC爐生產主蒸汽后，再按鍋爐出口廢氣的經濟溫度設置熱水段生產高溫熱水，生產出的大部分高溫熱水作為SP爐及AQC爐蒸汽段的給水，剩余的高溫熱水經閃蒸器蒸發出二次蒸汽，二次蒸汽補入汽輪機，閃蒸器的出水與汽機凝結水混合后再作為熱水段的給水。在這個過程中，由于閃蒸器的出水溫度為閃蒸器二次蒸汽壓力的飽和溫度，遠高于汽輪機的排汽即凝結水溫度，也即相當于：雖然冷卻機廢氣余熱得以全部回收，但由于閃蒸器的出水焓未能轉換為電能，同時，高溫熱水在降壓閃蒸過程中存在比較大的損失，從而降低了冷卻機廢氣余熱的發電能力。上述兩方面的原因，使其發電能力介于前述兩種系統之間，也就是說沒有完全遵守3.3.1所述的基本原則。
    對于這種熱力循環系統，即使采用多級（甚至無限級）閃蒸多級補汽系統，其發電能力也只能接近但絕不會超過采用多壓多級補汽的熱力循環系統。
    (4)對于同一種熱力循環系統，當主蒸汽溫度相同時，主蒸汽壓力越高，其發電能力越低，這一點是不遵循熱力循環基本理論的。這主要是因為；在水泥窯可用于發電的廢氣余熱量及溫度已確定的條件下，主蒸汽壓力越高，鍋爐汽包蒸汽飽和溫度也就越高，相應的鍋爐出口廢氣溫度也提高。在此情況下，將產生不能回收的可用于發電的低溫余熱量；或者雖然可以將不能回收的低溫余熱量回收并用于發電，但由于廢氣溫度的提高，加大了換熱溫差從而增加了損失，也就同樣降低了發電能力。根據熱力循環基本理論，雖然提高蒸汽壓力可以提高循環效率即增加發電能力，但由于回收的可用于發電的余熱量減少、或雖然未減少回收的余熱量但由于損失的增加而損失的發電能力大于蒸汽壓力提高而增加的發電能力，結果仍然是降低發電能力。
    (5)根據表3比較結果，對于相同的熱力循環系統，當主蒸汽壓力也相同時，提高主蒸汽溫度也相應地提高發電能力，即仍然遵循熱力循環基本理論。
    前述的三種熱力循環系統是基于目前國內一般大型水泥窯可用于發電的余熱分布狀況（見表1）而提出，并非是固定的系統。當余熱分布及余熱量發生變化時，比如：預熱器廢氣不用于原燃料烘干而允許將其溫度降至150℃以下、或者冷卻機廢氣余熱用于其它流程而可用于發電的余熱量大為減少（即可用于發電的余熱量預熱器大于冷卻機時），則有可能構成雙壓或多壓不補汽或補汽式熱力循環系統或其它型式的熱力循環系統。為此在確定水泥窯純低溫余熱發電熱力循環系統及循環參數時，應注意余熱發電能力的變化不完全遵循熱力循環基本理論而應在前述3.3.1所述的基本原則指導下綜合考慮：余熱量、余熱分布、預熱器及冷卻機廢氣余熱量之比例、蒸汽壓力、蒸汽溫度、不同溫度級別的余熱如何回收，同時回收后用于熱力循環系統中的哪一個環節等諸多因素。
3.4存在的主要問題
    對于上述幾個熱力循環系統及所需的設備，根據目前國內實際運行情況尚存在如下幾個主要問題：
3.4.1熱力循環系統問題
    對于復合閃蒸補汽系統及單壓不補汽系統，由于SP爐及AQC爐采用汽水串聯系統而兩臺余熱鍋爐又分別設置于窯頭和窯尾，這樣當任一臺余熱鍋爐出現故障或預熱器、冷卻機廢氣參數發生變化時，整套熱力系統及汽輪機的調整將比較復雜、困難或者將出現預熱器余熱鍋爐由冷水給水、冷卻機余熱鍋爐放水等情況。對于雙壓補汽系統，由于兩臺鍋爐汽水系統各自獨立，則不會出現前述兩種系統的問題。
3.4.2各余熱鍋爐進出口廢氣參數選取的問題
    在水泥生產系統中由于串接了兩臺余熱鍋爐，這樣勢必對水泥生產系統的運行和調整產生影響，為此需要慎重確定各余熱鍋爐的進、出口廢氣參數，為不影響或少影響同時為水泥生產系統進行運行調整創造條件。
3.4.3預熱器出口廢氣溫度的選取問題
    根據我們的經驗，水泥生產系統在設計、安裝過程中，為了保護窯尾高溫風機及減少增濕塔噴水量，窯尾預熱器塔架頂部的分離器及頂部分離器至高溫風機（或增溫塔）入口的廢氣管道一般不按保溫或不按標準保溫設計、施工，同時也不十分注意其密封。因散熱及漏入冷風，造成窯尾廢氣溫度降幅較大（一般可以達到10～30℃）。例如：現已投入運行的多臺窯尾余熱鍋爐，在未采取措施前，當預熱器出口廢氣溫度為330～350℃時，進鍋爐的廢氣溫度僅有310～320℃，有的甚至僅為290～300℃。
    由于預熱器出口廢氣、SP爐入口廢氣溫度對純低溫余熱發電有致命的影響，為此需認真研究如何選取預熱器出口廢氣溫度的設計值，同時應提請水泥生產線設計、安裝、運行管理部門采取相應措施解決這一潛在的問題。
3.4.4預熱器余熱鍋爐漏風問題
    窯尾SP余熱鍋爐爐內廢氣壓力一般為－5000～－7000Pa，如此高的負壓，一旦鍋爐密封不好將使大量冷風漏入爐內混入窯尾廢氣，不但將使鍋爐產汽量或熱水溫度下降，重要的是將影響水泥窯的運行、降低窯的熟料產量、增加窯尾高溫風機的電耗，嚴重時水泥窯將不得不停窯或者將SP爐退出水泥窯而不能投運。如果漏風問題處理得當，根據筆者對多臺SP爐的調試，SP爐投入運行后，在保證水泥窯熟料產量不變的情況下，窯尾高溫風機的能耗不但不增加反而略有降低。
3.4.5預熱器余熱鍋爐進出口廢氣管道閥門設置問題
    窯尾SP爐廢氣進口管道閥門的設置往往不能給予足夠重視，因閥門設置不當造成閥門因積灰而打不開或關不上的問題產生，使其影響水泥窯及電站的正常生產運行、調整和檢修。因此，如何設置窯尾SP爐廢氣進口管道閥門也是需慎重考慮的問題之一。
3.4.6汽輪機組問題
    對于純低溫余熱發電，因廢氣溫度低、余熱量大，為了將余熱最大限度、經濟合理的回收并轉換為電能，結合前述的有關情況，汽輪機組應當具備這樣一種能力：能夠將二個甚至多個不同壓力等級的蒸汽同時通入汽輪機，如日本KHI為海螺寧國電站提供的汽輪機組。國內自1996年開始研究、開發用于余熱發電的能夠同時通入兩個壓力等級蒸汽的汽輪機組，一般稱為補汽式汽輪機組。由于日產數千噸級的大型水泥窯最近幾年才得以迅速發展，幾年前這種機組的市場需求不足，在研究開發這種機組時各方面未給予足夠的重視，雖然已投產運行了五臺補汽式汽輪機組（一臺為2.5MW，四臺為4.5MW），但都沒有達到預其目的，也即補汽不能正常、穩定地投入運行。
四、提高純低溫余熱發電能力的途徑
     綜合上述原則、分析結論和目前純低溫余熱發電所存在的主要問題，在不增加水泥熟料熱耗的條件下，提高水泥窯純低溫余熱發電能力的基本途徑：
     第一、利用水泥窯相對高溫的廢氣余熱通過蒸汽余熱鍋爐生產相對高壓、高溫的蒸汽，但應以提高蒸汽溫度為原則。根據余熱鍋爐的經濟性，主蒸汽溫度可以按低于鍋爐入口廢氣溫度10~15℃確定；主蒸汽壓力應根據汽輪機允許的壓力盡量采用低壓。
     第二、利用生產相對高壓、高溫蒸汽后形成的相對低溫廢氣余熱，首先生產相對低壓、低溫蒸汽并按其壓力分別補入汽輪機所對應的壓力級；生產相對低壓、低溫蒸汽后形成的更低溫度的廢氣再用于加熱各蒸汽鍋爐的給水。
     第三、利用余熱直接生產蒸汽的方式采用多壓多級補汽式熱力循環系統以獲得最高循環效率。
     第四、在工程及設備設計中應慎重處理如下幾個重要的具體問題
    (1)水泥窯預熱器及出口廢氣管道的保溫、密封問題，目的在于減少余熱量的損失，提高廢氣溫度。
    (2)預熱器余熱鍋爐本體密封問題，目的在于不影響水泥窯運行及減少余熱量損失。
    (3)預熱器余熱鍋爐進出口廢氣管道閥門的設置問題，目的同樣在于不影響水泥窯的運行及減少余熱量損失，同時便于余熱鍋爐投入、解出或便于調整水泥生產系統運行。
    (4)冷卻機廢氣余熱取熱方式的問題
    上述基本途徑，根據目前國內汽輪機設計制造現狀及水泥生產系統工藝設備情況，需要重點研究解決的重要問題：一是補汽式汽輪機的設計制造問題（目前只有日本KHI提供的補汽式汽輪機能夠正常補汽運行，國產的補汽式機組尚不能正常補汽運行）；二是如何提高水泥窯廢氣溫度從而提高主蒸汽參數的問題。
對于補汽式汽輪機，如果不能解決國產化問題，那么只能采用單壓或雙壓不補汽熱力循環系統，也就是發電能力最低的系統。
    對于如何提高水泥窯廢氣溫度從而提高主蒸汽參數的問題，按目前水泥生產工藝及設備情況也有兩個方面；
    其一、不改變水泥工藝及設備的最直接、有效、簡單的是考慮調整冷卻機廢氣取熱方式。目前國內外所有的純低溫余熱電站幾乎都是采用圖5所示的常規方式。
        
                  圖5  冷卻機廢氣取熱方式
    分析冷卻機冷卻熟料的原理和過程及冷卻機內熟料溫度分布、入水泥窯及分解爐熱風的狀態，筆者經與冷卻機設備設計制造單位聯合研究，在不影響水泥窯生產運行及熱耗的條件下，提出了進一步改變冷卻機廢氣取熱方式的方案。這個方案完全遵守3.3.1所述的原則，中心思想是如何進一步提高冷卻機廢氣溫度從而提高主蒸汽壓力和溫度。按照這個方案，主蒸汽參數可以采用更高的壓力和溫度，對于各種型式的熱力循環系統其發電能力均將比目前已采用的熱力循環系統提高10%~40%。例如對于5000t/d水泥窯，當冷卻機取熱方式采用如圖5的常規方式、熱力循環系統采用如圖4的單壓不補汽系統、主蒸汽參數0.98Mpa-305℃時，發電能力為5760kw；當冷卻機取熱方式采用筆者提出的新的方案、熱力系統仍采用單壓不補汽系統時，主蒸汽參數將得以大幅度提高，發電能力可以達到6386kw，比如圖5的常規取熱方式提高10.86%。
    其二、對于提高窯尾預熱器廢氣溫度，除了需要認真解決3.4.3所述問題外，調整預熱器級數也是有效措施之一，但由于涉及改變預熱器設備及需要準確論證改變預熱器級數（三級、四級或五級、六級）后，水泥生產及余熱電站的綜合能耗（熱耗加電網購電電耗）變化問題，故本文暫不討論。
進一步改變冷卻機取熱方式的具體方案及形成的熱力循環系統、循環參數、發電能力，筆者將專文闡述。
五、結語
    本文對我國目前新型干法水泥窯余熱分布及水泥窯純低溫余熱發電熱力循環系統、循環參數現狀進行了分析、比較和研究，根據筆者多年從事水泥窯余熱發電技術及裝備的研究、開發、設計、調試、運行管理和從事水泥窯熱工設計、平衡分析工作所積累的經驗，提出了目前水泥窯純低溫余熱發電所采用的幾種熱力循環系統、循環參數及相關設備所存在的主要問題。目的是為找出提高純低溫余熱發電能力的途徑及措施提供理論依據。由于筆者水平所限，文中所提觀點及所提出的提高純低溫余熱發電能力的幾個基本途徑難免有不當之處，敬請大家諒解。

（中國水泥網 轉載請注明出處）