1．前言

隨著我國人口的不斷增加和經濟的快速發展，資源相對不足的矛盾將日益突出，合理的利用和節約現有的寶貴資源將是我國今后如何確保經濟可持續發展的關鍵所在。節約資源、改善環境狀況、提高經濟效益，實現資源的優化配置和可持續發展將是我國國民經濟和社會發展中一項長遠的戰略方針。

社會主義市場經濟的建立和不斷完善，使我國的經濟建設日益蓬勃且快速健康的向前發展。在此帶動之下，我國的水泥產量己雄居世界第一，水泥工業的建設規模和技術水平也有了長足的進步，“上大改小、結構調整”戰略的實施，更使得我國水泥工業的建設規模由1000t／d、2000t／d快速發展到5000t／d、10000t／d，水泥熟料的熱耗也由4000kJ/kg左右降低到2700～3300kJ/kg。但水泥工業是一個傳統的高能耗行業，就目前國內最先進的水泥生產工藝，仍然有大量的350℃以下的低溫余熱不能被完全利用，其浪費的熱量約占系統總熱量的30％左右。因此，回收水泥生產工藝過程中的低溫余熱，用來供熱或發電，具有非常現實的節能和環保意義,符合可持續發展的戰略方針。

2．低溫余熱和資源綜合利用電站的技術和裝備

水泥的生產，需要消耗大量優質的自然礦產資源，還需摻雜一定量的混合材，在同時消耗大量煤炭和電力等優質能源的時候，也伴有大量被排放而浪費掉的低溫余熱資源。

一段時間以來，受電力供應緊張和電價居高不下的制約，許多地方的水泥生產單位面臨運轉率不足和經濟效益下滑的困難局面。因此，在國家資源綜合利用產業政策的鼓勵下，同時結合天津水泥工業設計研究院成熟的資源綜合利用技術及國內成熟的電站設備，多家水泥生產單位建設了能夠充分利用水泥生產線排放的低溫余熱，再加上適當的補燃，燃用熱值小于12550kJ／kg的劣質燃料的資源綜合利用電站。

這樣的電站建成后，水泥生產線排放掉的低溫余熱可基本被回收和利用，在補燃量一定的條件下，電站單位發電量的煤耗和單位發電量的成本得到了大幅度的降低；循環流化床補燃鍋爐還可以有效的利用當地的煤矸石等劣質煤資源，所產生的灰、渣又可全部回用于水泥 生產，做到零排放；電站生產的電力可直接供給水泥生產使用，并減少了輸配電系統的有功損耗。

由此可見，這類電站的建設投產，可有效的緩解水泥生產用電緊張的困難；在大幅度降低水泥生產成本的同時，也為國家節約了優質的能源，保護了環境，其經濟效益與社會效益是十分顯著的，給高能耗的水泥企業帶來了諸多的利益和好處，也為我國的可持續發展的戰 略作出了貢獻。

因此，對于水泥生產企業而言，只要我們認真貫徹和堅定不移的執行國家資源綜合利用的產業政策，切實落實好劣質燃料的來源和供應渠道，符合當地環保部門提出的排放要求，建立一整套內部有效的鼓勵余熱回收和利用的激勵機制，理順與當地電力部門的管理和利益 分配關系，筆者認為，有成熟的技術和裝備為后盾，這種既有利于企業，也有利于國家的補燃型的資源綜合利用電站，一定會有持久的推廣和應用前景。

3．純低溫余熱電站的技術及裝備

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。國外對于利用水泥窯低溫余熱進行發電的技術及裝備的研究與開發從上世紀六十年代即已開始，到七十年代中期，無論是熱力系統還是設備都已進入應用階段。據我們所知，技術較為成熟的有日本的川崎公司，他們開發研制的余熱鍋爐及中、低品位的混壓進汽式汽輪機，經數十個工廠多年運轉實踐證明，技術成熟可靠并具有很大的靈活性。寧國水泥廠純低溫余熱發電系統就是引進日本的技術和主要裝備的應用工程。

為了實現國產化的純低溫余熱發電技術及裝備，在充分學習、消化和借鑒寧國水泥廠純低溫余熱發電的系統技術和混壓進汽式汽輪機的性能參數后，以天津水泥工業設計研究院為主，會同國內的汽輪機生產制造單位于1997年首先開始了適合于水泥廠低溫余熱發電專用設備——混壓進汽式汽輪機的研究和開發。

經過近兩年的共同努力，終于研制并生產制造出了首臺4500kW的補汽式汽輪機的樣機，并推廣應用于杭州錢潮建材有限公司4500kW的補燃式資源綜合利用電站。該電站于1999年成功并網發電，并通過了相應的生產運行考核，投入正常運行以來的結果證明，混壓進汽式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，天津水泥工業設計研究院根據已經完成設計并正常投運的寧國水泥廠純低溫余熱發電系統的特點、配合日本川崎公司進行的柳州水泥廠純低溫余熱發電系統設計的體會、以及天津水泥工業設計研究院已經成熟的帶補燃鍋爐的余熱發電技術，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，形成了完全國產化的利用窯頭、窯尾的純低溫廢氣余熱進行發電的技術思路和實施方案。

2002年5月，天津院與上海萬安企業總公司達成了共識，對該公司日產1350噸的四級旋風預熱器窯實施了純低溫廢氣余熱發電的技術改造。工程于2002年9月正式動工，2003年5月建成投產，余熱電站裝機容量2.5MW，實際平均發電能力l800kW，全部采用國產設備和技術。經過近一年的生產運行，主要設備和整個系統運轉正常，各項技術經濟指標全部達到設計要求。

2003年5月，天津院承擔了廣西柳州水泥廠日產3200噸的四級旋風預熱器窯純低溫廢氣余熱發電的工程設計任務。工程于2003年9月正式動工，2004年7月建成投產，余熱電站裝機容量6000kW，實際平均發電能力5500kW，目前主要設備和整個系統運轉正常，各項技術經濟指標全部達到設計要求。

至此，以海螺集團寧國水泥廠4000t/d預分解窯配套建設的純低溫余熱發電系統、柳州水泥廠3600t/d預分解窯配套建設的純低溫余熱發電系統、上海金山水泥廠1350t/d預分解窯配套建設的純低溫余熱發電系統，將形成國內純低溫余熱發電技術及裝備的示范工程。

3．1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、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、設備性能和特性則不完 全相同。

3．1．1國外引進的純低溫余熱電站的系統配置

1995年，日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)贈送給海螺集團寧國水泥廠一套純低溫余熱發電設備。

寧國水泥廠的水泥生產線為一條4000t／d級的具有四級預熱器的預分解窯。預熱器和冷卻機的出口廢氣流量和溫度分別為258550Nm3/h、370℃左右和306600 Nm3/h、238℃左右。 針對該條生產線低溫余熱資源的特點，該電站的系統配置及主機設備構成如下：

①采用二級混壓進汽式汽輪機，額定功率為6480kW。利用參數較低的主蒸汽和來自閃蒸器的飽和蒸汽進行發電；

②設置具有專利技術的余熱鍋爐，能夠充分回收利用余熱資源：由于PH(預熱器)出口廢氣還要用于原料烘干，所以PH鍋爐采用臥式布置，強制循環，帶汽包的主要結構；設置機械振打裝置來解決廢氣的粉塵附著問題。無省煤器，只設蒸發器和過熱器，從而確保出爐煙溫達到250℃以上，以滿足原料烘干；AQC鍋爐為立式自然循環鍋爐，帶汽包，采用自然沉降的除塵方式。

③應用熱水閃蒸技術，設置一臺高壓閃蒸器和一臺低壓閃蒸器，閃蒸出的飽和蒸汽混入汽輪機做功；

④對窯頭熟料冷卻機系統進行改造，在冷卻機原有的余風出口加裝閥門，從冷卻機中部抽取360℃左右的廢氣。

⑤整個余熱發電系統采用先進的DCS集散控制系統，系統的操作簡便可靠，并設有完善的報警和保護程序，使整個發電工藝系統能夠長期穩定運行。

上述技術及關鍵裝備的配置，加上天津水泥工業設計研究院成功的工程設計和服務，以及寧國水泥廠科學、嚴謹的內部管理機制，自1997年投入正常生產運行以來的業績表明，以上技術及裝備在寧國水泥廠余熱發電系統取得了成功的應用。

3．1．2國產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的四級旋風預熱器窯。預熱器和冷卻機的出口廢氣流量和溫度分別為95000 Nm3/h，360~390℃和94000 Nm3/h、240℃左右。

針對該條生產線的低溫余熱資源、天津院的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汽輪機，設計能力2.5MW。利用窯尾余熱鍋爐和窯頭余熱鍋爐產生的低參數主蒸汽和窯頭余熱鍋爐產生的飽和輔助蒸汽進行發電。這種系統的配置，在完全和充分回收利用窯頭廢氣中余熱的同時，簡化了熱力系統的配置。經過近一年的生產運行，主要設備和整個系統均運轉正常；

②SP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，同時設計有合理的灰斗，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。該鍋爐最具特點的地方是采用自然循環方式， 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。立式的結構形式，在節約了占地面積的同時，也方便了廢氣管道的布置；

③AQC余熱鍋爐為立式、自然循環。由于冷卻機廢氣中粉塵粘附性不強，所以不設置清灰裝置。同時換熱管采用螺旋翅片管，大大增加了換熱面積，使得鍋爐體積大幅下降，降低了投資成本。同時，在AQC余熱鍋爐前端設置了高效沉降室，大大減輕了廢氣對AQC余熱鍋爐的磨損；

④對蓖冷機進行適當改造，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，保證中部抽風口的廢氣溫度達到350℃以上。改造后實際廢氣參數為40000 Nm3/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；

⑥兩臺余熱鍋爐的廢氣側都設計有旁路系統，當余熱鍋爐停用時水泥生產系統可正常運行：

⑦根據該系統蒸氣溫度和壓力較低的情況，采用了最新的真空除氧方式，系統運行成本較低；

該工程于2003年5月建成投產以來，經過近一年的生產運行，主要設備和系統均運轉正常，電站平均發電能力1800kW，各項技術經濟指標全部達到設計要求。該工程的建成和順利投運，表明全部采用國產設備和天津院自主擁有的純低溫余熱發電技術的余熱發電系統取得了完全的成功。

3．2純低溫余熱電站的主要技術經濟指標

由于受窯型的不同、工藝流程的不同、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和制約，很難給出每一種窯型精確的低溫余熱電站的裝機規模、投資等各項經濟技術指標，可供參考的、比較重要的單位經濟技術指標和參數見下表：

名稱		國產技術和裝備	國外技術和裝備
主機設備	窯頭余熱鍋爐	一套（立式，自然循環）	一套（立式，自然循環）
	窯尾余熱鍋爐	一套（立式，自然循環）	一套（臥式，強制循環）
	汽輪機	補汽式汽輪機一套	混壓進汽式汽輪機一套
	發電機	空冷式發電機一套	空冷式發電機一套
	水處理設備	一套	一套
	循環冷卻設備	一套	一套
	DCS控制設備	一套	一套
噸熟料發電量		26~36kWh	28~36 kWh
自用電率（%）		<9	<9
年運行時間（小時）		7500	7500
供電成本（元/ kWh）		約0.15	約0.2
單位千瓦投資（元）		約7000	約16000
勞動定員（人）		16	16

4結論

完全利用水泥生產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，這對于減少二氧化碳的排放量，減少溫室效應，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，利用天津院的純低溫余熱 發電的技術，采用國產的裝備，具有噸熟料26~36kWh的發電能力。按照我國目前市場購電價0.50元/ kWh估算，扣除余熱電站供電成本約0.15元／kWh，噸熟料成本可下降約10~12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，為企業產生良好的效益。

目前，我國電力供應相對緊張，有關專家預測，電力緊張局面至少要3~4年才可緩解。因此，國家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，以緩解電力供應緊張的局面，減少企業的進一步損失。

水泥窯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，必將具有很好的推廣價值和應用前景。