摘要：本文簡要介紹了我國水泥工業低溫余熱發電技術與裝備的現狀及發展趨勢，指出了回收并充分利用水泥生產過程中的低溫余熱進行發電，是耗能大戶的水泥工業節能降耗、提高經濟效益的有效途徑。
關鍵詞：倡導循環經濟  推進節約型建設

1. 前言
   我國目前正處于經濟持續高速發展的時期，經濟的持續發展對資源和能源的需求也日益增加，但由于受我國工業整體技術水平的制約，在經濟持續增長對資源和能源需求日益增加的同時，還存在著巨大的資源和能源的浪費。
    縱觀我國的資源和能源的儲量狀況，資源和能源相對不足的矛盾將在今后的經濟和社會發展中日益突出，如何合理的利用和節約現有的寶貴資源和能源將是我國今后如何確保經濟可持續發展的關鍵所在。因此，倡導循環經濟，節約資源和能源、改善環境狀況、提高經濟效益，實現資源、能源的優化配置將是我國國民經濟和社會發展中一項長遠的戰略方針。
    黨的十六屆五中全會明確提出了建設資源節約型、環境友好型社會的發展戰略，并首次把建設資源節約型和環境友好型社會確定為國民經濟與社會發展中長期規劃的一項戰略任務。我國國民經濟和社會發展第十一個五年規劃的建議中，已經將建設資源節約型、環境友好型社會提到了前所未有的高度。
    能源的短缺已經直接影響著各個行業的生產和發展，在水泥行業表現得尤為突出，近幾年在全國范圍內出現了電力和煤炭供應緊缺的局面，眾多水泥企業由于受到電力和煤炭供應緊張，以及電價、煤價持續上漲的影響，面臨著運轉率不足和經濟效益嚴重下滑的困難局面。而充分利用水泥生產過程中的廢氣余熱建設純低溫的余熱發電裝置，既可大量回收和充分利用低品位的余熱用以發電或熱電聯供，以降低水泥水產的電耗，節約能源，又可有效的減少水泥生產對環境的廢熱及粉塵等的污染，等同于火力發電廠還具有減少二氧化硫排放的功效，已經成為目前國內水泥工業節能降耗、改善環境狀況的有效途徑。
    天津院多年來一直致力于水泥工業的技術開發和裝備開發，同時還積極致力于資源綜合利用、節約能源、環境保護等領域的技術開發和成果的推廣利用，經過幾代人不懈的努力，我國水泥工業的技術水平、裝備水平和節能技術水平有了長足的進步，尤其在推動我國水泥工業向資源節約型和環境友好型工業轉變方面更是做出了艱苦的努力，作為具有自主知識產權、具有顯著節能效果的純低溫余熱發電技術和裝備已經逐步走向成熟。
2. 純低溫余熱發電的技術及裝備
    相對于補燃型的資源綜合利用電站而言，利用水泥窯純低溫廢氣余熱所建設的余熱電站不配置任何的燃燒設備，所以也不增加任何的煙氣、粉塵和廢渣的排放點，因此，具有更好的節能和環保效果。
    由于窯頭和窯尾的廢氣溫度較低，采用純低溫余熱進行發電，對裝備和系統技術的要求較高。為了實現國產化的純低溫余熱發電技術及裝備，天津院在充分學習、消化和借鑒國外純低溫余熱發電的系統技術和混壓進汽式汽輪機的性能后，會同國內的汽輪機生產制造單位于1999年首先研制并生產制造出了國內首臺4500kW的混壓進汽式（雙壓）汽輪機，并成功應用于4500kW的補燃式資源綜合利用電站。投入正常運行以來的結果證明，混壓進汽式（雙壓）汽輪機的研究和開發取得了成功。其結構方式及參數配置填補了國內汽輪機制造行業的空白。它的研制成功，為實現我國水泥工業純低溫余熱發電的系統技術和裝備的完全國產化，并在國內水泥工業推廣應用奠定了堅實的基礎。
    在此基礎之上，天津院認真分析了海螺集團寧國水泥廠和廣西柳州水泥廠四級預熱器水泥生產線純低溫余熱發電系統的特點，總結了承接并完成這兩個項目的技術咨詢、工程設計和現場技術服務的經驗和體會，吸取了天津院成熟的帶補燃鍋爐的余熱發電技術，從而對純低溫余熱發電的系統技術和裝備進行了認真細致的研究，形成了具有自主知識產權、完全國產化的利用窯頭和窯尾的低溫廢氣余熱進行發電的技術思路和實施方案。
    2002年5月，天津院承接了上海萬安企業總公司1350t/d四級預熱器水泥生產線純低溫廢氣余熱發電技改工程的技術咨詢和工程設計任務。該純低溫余熱電站采用天津院的技術和國產設備，工程于2002年9月正式動工，2003年5月建成投產，電站裝機規模2500kW，設計平均發電能力1900 kW，實際發電能力為1900~2100kW，噸熟料發電量達34~37kWh，接近同類電站的國際先進水平，經過三年多的生產運行，主要設備和系統運轉正常，各項技術經濟指標全部達到或超過設計指標。
    至此，以安徽海螺集團寧國水泥廠4000t/d四級預熱器水泥生產線、廣西柳州水泥廠3600t/d四級預熱器水泥生產線、上海萬安企業總公司1350t/d四級預熱器水泥生產線配套建設的純低溫余熱發電系統，形成了國內四級預熱器水泥生產線純低溫余熱發電技術及裝備的示范工程。
    稟承繼承創新、持續改進的技術進步傳統，天津院在總結四級預熱器水泥生產線純低溫余熱發電成功經驗的基礎上，經過進一步的技術創新和自我完善，成功開發出了五級預熱器水泥生產線純低溫余熱發電的系統技術和裝備。
    2005年3月，天津院設計的浙江申河水泥有限公司2500t/d五級預熱器水泥生產線純低溫余熱發電站正式投入運行，該電站裝機規模為3000kW，設計平均發電能力2500kW，實際發電能力為2800～2900kW，噸熟料發電量達27 kWh以上，標志著2500t/d級五級預熱器的新型干法水泥生產線純低溫余熱發電技術及裝備在我國獲得第一次成功。
     2005年7~9月，經過進一步的技術改進和系統完善，天津院設計的全部采用國產裝備的純低溫余熱電站分別在浙江煤山眾盛建材有限公司和浙江三獅水泥股份有限公司5000t/d五級預熱器的水泥生產線正式投入運行，與水泥生產線相對應的兩套余熱電站裝機規模均為6000kW，設計平均發電能力5700 kW，實際發電能力為6500～6600kW，噸熟料發電量達30 kWh以上，標志著5000t/d級五級預熱器的新型干法水泥生產線純低溫余熱發電技術及裝備在我國獲得第一次成功；
    截至2005年年底，天津院設計的已經建成投運的5000t/d級五級預熱器的純低溫余熱電站共計2座、2500t/d級五級預熱器的純低溫余熱電站共計5座，1200t/d級五級預熱器的低溫余熱電站共計2座；
    2006年，經過更進一步的經驗總結、設計方案和系統參數的優化，由天津院設計的、目前正在建設之中的10多套提高型的第三代純低溫余熱電站將陸續建成并投入運行，噸熟料發電量將接近35 kWh，其技術和裝備將達到一個更高的水平。
3. 純低溫余熱電站的系統配置
    由于受水泥生產工藝流程、原料特性、主機設備選型、氣候條件等諸多因素的制約，相同規模的水泥生產線，其余熱品位和余熱量不盡相同，因此，盡管針對純低溫余熱進行回收并進行發電的理論技術基本一致，但純低溫余熱發電系統的規模和配置、系統參數、設備性能和特性則不完全相同。
3.1 四級預熱器的純低溫余熱電站的系統配置
    上海萬安企業總公司的水泥生產線為一條1350t/d四級預熱器水泥生產線。預熱器和冷卻機的出口廢氣流量和溫度分別為95000Nm3/h、360～390℃和94000Nm3/h、240℃左右。
針對該條生產線的低溫余熱資源、天津院的四級預熱器水泥生產線純低溫余熱發電技術和國產設備的特點，該電站的系統配置及主機設備構成如下：
① 汽輪機為補汽凝汽式（雙壓）汽輪機，裝機規模2500kW。利用窯尾余熱鍋爐和窯頭余熱鍋爐產生的主蒸汽和窯頭余熱鍋爐產生的飽和輔助蒸汽進行發電。這種系統在完全和充分回收利用窯頭廢氣余熱的同時，合理的配置了熱力系統和主機設備。經過三年多的生產運行，主要設備和系統均運轉正常；
② SP余熱鍋爐的設計有獨特之處：立式布置、機械振打、自然循環。整個鍋爐的振打形式為連續式，清灰較為均勻。設計有較為合理的灰斗，避免了因清灰原因造成廢氣中含塵濃度突然增大而引起風機跳停，影響水泥生產的現象。該鍋爐最具特點的地方是采用了自然循環方式，省掉了二臺強制循環熱水泵，降低了運行成本，提高了系統可靠性。立式布置的結構形式，在節約了占地面積的同時，也方便了余熱鍋爐進、出口廢氣管道的布置；
③ AQC余熱鍋爐為立式、自然循環結構。由于冷卻機廢氣中粉塵粘附性不強，所以沒有設置清灰裝置。同時換熱管采用螺旋翅片管，增加了換熱面積，使得鍋爐體積得到下降，降低了投資成本。在AQC余熱鍋爐前端設置了第一代的高效沉降系統，減輕了廢氣對AQC余熱鍋爐的磨損；
④ 對篦冷機進行適當改造，在中部設置抽風口，作為AQC余熱鍋爐的取風口，通過對冷卻機原抽風口的風門調節，保證中部取風口的廢氣溫度達到350℃以上。改造后實際廢氣參數為： 40000Nm3/h、350～400℃；
⑤ 整個余熱發電系統采用天津院自主開發的先進的DCS集散控制系統，系統的操作簡便可靠，并設有完善的顯示、記錄、報警和保護程序，使整個發電工藝系統能夠穩定運行；
⑥ 兩臺余熱鍋爐的進、出口廢氣管道都設計有旁路系統，當余熱鍋爐停用時水泥生產系統可正常運行；
3.2 五級預熱器的純低溫余熱電站的系統配置
    浙江煤山眾盛建材有限公司和浙江三獅水泥股份有限公司各有一條5000t/d五級預熱器的水泥生產線，預熱器和冷卻機的出口廢氣流量和溫度分別為340000Nm3/h、350℃和240000Nm3/h、320℃左右。
針對這兩條水泥生產線的低溫余熱資源、天津院的五級預熱器水泥生產線純低溫余熱發電技術和國產設備的特點，該電站的系統配置及主機設備構成如下：
① 汽輪機為低參數凝汽式（單壓）汽輪機，裝機規模6000kW。利用窯尾余熱鍋爐和窯頭余熱鍋爐產生的低參數主蒸汽進行發電。這種系統在完全和充分回收利用窯頭廢氣余熱的同時，簡化了熱力系統的配置，降低了工程投資。汽輪機配設有先進的505電液數字調節系統，啟動、停機和正常的運行管理更加平穩。汽輪機配設有集中式的油站系統，不僅占地面積小，而且便于安裝和巡檢。經過半年多的生產運行，主要設備和系統均運轉正常；
② SP余熱鍋爐更有獨特的改進之處：立式布置、箱式結構、機械振打、自然循環。箱式結構不僅加快了鍋爐的安裝速度，而且進一步降低了鍋爐的漏風。整個鍋爐清灰采用程序可控的連續振打方式，清灰更加均勻。改進了灰斗和余熱鍋爐出風口的結構，更加有效的避免了因清灰原因造成廢氣中含塵濃度突然增大而引起風機的跳停。該鍋爐仍然采用自然循環方式，省掉了二臺強制循環熱水泵，降低了運行成本，提高了系統可靠性；
③ AQC余熱鍋爐仍然為立式布置、自然循環的結構。由于冷卻機廢氣中粉塵粘附性不強，所以仍然沒有設置清灰裝置。換熱管采用了加強型螺旋翅片管，大大增加了有效換熱面積，使得鍋爐體積大幅度下降，進一步降低了投資成本。在AQC余熱鍋爐前端設置了第二代的高效沉降系統，大大減輕了廢氣對AQC余熱鍋爐的磨損，同時，煙氣阻力和溫度損失得到進一步的降低；
④ 采用篦冷機余風全部進入AQC余熱鍋爐的技術方案，在提高余熱回收利用效率的同時，減少了篦冷機改造的環節，縮短了工程建設和停窯改造的周期；
⑤ 整個余熱發電系統采用天津院自主開發的改進型的DCS集散控制系統，系統的操作更加簡便可靠，顯示、記錄、報警和保護程序更加完善，確保余熱發電系統穩定運行；
4．五級預熱器的純低溫余熱電站的主要技術經濟指標
    如前所述，由于受水泥工藝流程和主機設備選型的不同、水泥生產配料成分的不同、水泥生產原燃料水分的不同、水泥工廠地理位置的不同等諸多因素的影響，純低溫余熱電站的裝機規模、投資等各項經濟技術指標也不盡相同，可供參考的、比較重要的經濟技術指標見下表：

附表一： 2500t/d級五級預熱器水泥生產線純低溫余熱電站主要經濟技術指標

附表二： 5000t/d級五級預熱器水泥生產線純低溫余熱電站主要經濟技術指標

    對于新建的新型干法水泥生產線，如果同步配套建設純低溫余熱發電系統，由于可以統一考慮總體布局，統一考慮給水、排水、循環冷卻、污水處理和中水綜合利用系統，統一考慮發電、配電和并網接入系統，統一考慮廢熱回收利用系統，統一考慮水泥工藝流程和主機設備的選型，統一考慮汽水管網和配電線路的布置，統一進行土建施工和設備安裝等技術方案，因此，不僅可以提高余熱回收利用的效率，而且還可以大大地降低余熱發電系統的投資，其經濟效益將會更加顯著。
5、結束語
    完全利用新型干法水泥生產過程中產生的廢氣余熱作為熱源的純低溫余熱發電工程，整個熱力系統不燃燒任何一次能源，在回收大量對空排放造成環境熱污染的廢氣余熱的同時，所建余熱發電工程不對環境造成任何污染，這對于有效節約能源、減少粉塵和二氧化碳的排放量、降低溫室效應、保護生態環境起著積極的作用。
根據目前我國新型干法水泥生產線的工藝流程和廢氣參數，利用天津院的第三代純低溫余熱發電技術和國產的裝備，具有噸熟料32～35kWh的發電能力。按照我國目前市場購電價0.50元/kWh估算，扣除余熱電站發電成本約0.10元/kWh，噸熟料成本可下降約12～14元。由此可見，純低溫余熱發電工程的實施，還可有效地降低企業的水泥生產成本、提高企業產品的市場競爭力，為企業產生良好的經濟效益。
    我國電力供應相對緊張的局面將逐步得到緩解，但電價將隨著一次能源供應的不斷緊張和造價昂貴的可再生能源的開發和建設而持續上漲。因此，從節約能源的角度出發，國家將大力鼓勵利用工業生產過程中產生的余熱、余壓建設余熱發電項目，以緩解能源供應持續緊張的局面，為可持續發展奠定良好的基礎。
    新型干法水泥生產線純低溫余熱發電項目由于能將廢氣中的熱能轉化為電能，可有效的減少水泥生產過程中的能源消耗，具有顯著的節能效果。同時，廢氣通過余熱鍋爐降低了排放的溫度，還可有效的減輕水泥生產對環境的熱污染，具有顯著的環保效果。因此，這種具有良好的經濟效益和社會效益的項目，必將具有寬廣的推廣應用前景。