第一节 水泥工业发展余热发电技术的意义和目的

    能源、原材料、水、土地等自然资源是人类赖以生存和发展的基础，是经济社会可持续发展的重要物质保证。而随着人类社会的进步、经济的发展，资源消耗速度越来越快，消耗量也越来越大。以地球有限的资源支撑人类社会的无限发展，将使地球资源供应越来越不堪与重负，供求矛盾也越来越大。近年来的煤电油运日趋紧张，油价、煤价的大幅上涨就是这种矛盾的具体体现。

    社会经济的众多行业中，钢铁、冶金、水泥、玻璃行业是社会及经济发展的重要基础物资，而对于这些行业，一方面消耗大量的能源，另一方面也造成大量的能源浪费和环境污染。 

    仅以我国为例：

    2007年全国水泥行业有近6000家水泥生产厂，年总生产能力约为16亿吨(2007年实际产量为约13亿吨)；钢铁行业有近500家生产企业，年总生产能力约为5亿吨(2007年实际产量为约4.7亿吨)，加上冶金、玻璃行业的产能，全国每年这几个行业需消耗一次能源(折标准煤)约4.48亿吨同时消耗电力3750亿度。在上述四个行业所消耗的一、二次能源的总量中，有约近30%以上是以400℃以下废气余热的方式被排入大气浪费掉的，每年相当与浪费1.3亿吨标准煤、增加二氧化碳排放量3亿吨以上。

    再以我国水泥行业为例：

    目前我国境内建成并已投入生产运行的新型干法水泥生产线截止2007年底有约796条。为了完成水泥工业结构调整任务，实现到2010年水泥预期产量维持15亿吨(其中：新型干法水泥比重提高到70%，水泥散装率达到60％)，累计淘汰落后生产能力4.5亿吨，企业平均生产规模由2005年的20万吨提高到40万吨，企业户数减少到3500家的目标，预计到2015年新型干法水泥生产线的数量将达到1200条左右。即使如期完成水泥工业结构调整任务,全国水泥行业仍将年消耗1.7亿吨标准煤同时消耗1840亿度电。如果不采取相应的资源综合利用措施,仅水泥行业每年浪费的能源就可达5000万吨标准煤,年增加二氧化碳排放量1.3亿吨以上。

    自1985年起，水泥工业即开始开展水泥窑余热发电技术的研究、开发、推广、应用工作：从上世纪八十年代初为水泥干法中空窑配套高温余热发电技术起，到上世纪九十年代为初期的新型干法窑配套带补燃锅炉的中低温余热发电技术，再到本世纪为成熟的新型干法窑配套纯低温余热发电技术。也就是说，水泥窑余热发电技术是随着水泥工艺技术的发展而不断发展的，同时也为我国水泥工业的发展、节能技术的进步、推动资源综合利用工作的开展做出了重要贡献，为其它行业树立了典范。

    以水泥窑纯低温余热发电技术的应用为例：

    至2008年6月，全国水泥行业在新型干法水泥生产线上已经配套建设各种类型的纯低温余热电站约186座(包括已经投产运行和正在建设的余热电站)，形成年余热发电量98亿度的能力，相当于年节约380万吨标准煤、二氧化碳减排980万吨。按照到2015年国内1200条新型干法水泥生产线中有70%的新型干法水泥生产线配套建设纯低温余热电站的目标，自2009年至2015年的6年内，水泥行业总需配套建设纯低温余热电站的新型干法水泥生产线条数为600余条，即平均每年100余条，每年形成余热发电量56亿度相当于年节约210万吨标准煤、二氧化碳减排540万吨的能力。

    水泥窑余热发电技术的研究、开发、推广、应用为其它行业开展资源节约及资源综合利用工作提供了成功的范例。为了推进我国节能、资源综合利用工作的发展，温家宝总理在十届人大三次会议上的《政府工作报告》对能源资源节约和合理利用提出了明确要求：“注重能源资源节约和合理利用。缓解我国能源资源与经济社会发展的矛盾，必须立足国内，显著提高能源资源利用效率。一要坚决实行开发和节约并举、把节约放在首位的方针。鼓励开发和应用节能降耗的新技术，对高能耗、高物耗设备和产品实行强制淘汰制度。二要抓紧制定专项规划，明确各行业节能降耗的标准、目标和政策措施。抓好重点行业的节能节水节材工作。鼓励发展节能环保型汽车、节能省地型住宅和公共建筑。三要大力发展循环经济。从资源开采、生产消耗、废弃物利用和社会消费等环节，加快推进资源综合利用和循环利用。积极开发新能源和可再生能源。四要加强矿产资源开发管理。整顿和规范矿产资源开发秩序。完善资源开发利用补偿机制和生态环境恢复补偿机制。五要大力倡导节约能源资源的生产方式和消费方式，在全社会形成节约意识和风气，加快建设节约型社会”。

    根据这个总体要求，国家从中央到地方的各级政府将开展节能、资源综合利用工作提到了前所未有的高度，不但在行政法规上对节能、资源综合利用工作提出了更高标准的要求，而且在政策及资金上对这项工作也给予了强有力的支持。

    国家发改委与科技部为贯彻落实中央的要求，以国家《节能中长期专项规划》为依据，以进一步推进节能工作、引导节能技术进步为目的，共同组织起草颁发了《我国节能技术政策大纲》，该大纲进一步明确支持水泥、钢铁、冶金等行业节能技术的研究、开发及应用。

    开展资源节约及综合利用已是当前摆在世人面前涉及人类生存和发展的重大课题，我国水泥行业发展水泥窑余热发电技术的目的和意义也就在于：

     (1)降低能耗、保护环境

    水泥熟料锻烧过程中，由窑尾预热器、窑头熟料冷却机等排掉的400℃以下低温废气余热，其热量约占水泥熟料烧成总耗热量35%以上，造成的能源浪费非常严重。水泥生产，一方面消耗大量的热能（每吨水泥熟料消耗燃料折标准煤为100～115kg），另一方面还同时消耗大量的电能（每吨水泥约消耗90～115kwh）。如果将排掉的400℃以下低温废气余热转换为电能并回用于水泥生产，可使水泥熟料生产综合电耗降低60%或水泥生产综合电耗降低30%以上，对于水泥生产企业：可以大幅减少向社会发电厂的购电量或大幅减少水泥生产企业燃烧燃料的自备电厂的发电量以大大降低水泥生产能耗；可避免水泥窑废气余热直接排入大气造成的热岛现象，同时由于减少了社会发电厂或水泥生产企业燃烧燃料的自备电厂的燃料消耗，可减少CO2等燃烧废物的排放而有利于保护环境。

    (2)为“建设节约型社会、推进资源综合利用”政策的推行提供技术支持

    (3)推进清洁发展机制（CDM）项目

    清洁发展机制是《京都议定书》第十二条确定的一个基于市场的灵活机制，其核心内容是允许附件一缔约方(即发达国家)与非附件一国家(即发展我国家)合作，在发展我国家实施温室气体减排项目。

    清洁发展机制的设立具有双重目的：促进发展中国家的可持续发展和为实现公约的最终目标做出贡献；协助发达国家缔约方实现其在《京都议定书》第三条之下量化的温室气体减限排承诺。通过参与清洁发展机制项目，发达国家的政府可以获得项目产生的全部或者部分经核证的减排量，并用于履行其在《京都议定书》下的温室气体减限排义务。对于发达国家的企业而言，获得的CERs可以用于履行其在国内的温室气体减限排义务，也可以在相关的市场上出售获得经济收益。由于获得CERs的成本远低于其在国内采取减排措施的成本，发达国家政府和企业通过参加清洁发展机制项目可以大幅度降低其实现减排义务的经济成本。

    对于发展中国家而言，通过参加清洁发展机制项目合作可以获得额外的资金和（或）先进的环境保护技术，从而可以促进本国的可持续发展。因此，清洁发展机制是一种“双赢”的机制。清洁发展机制合作也可以降低全球实现温室气体减排的总体经济成本。

    (4)为水泥生产企业降低生产成本、提高经济效益提供技术手段  

    水泥生产企业建设余热电站，投资小，见效快，可以大幅降低水泥生产能耗既成本，相应地可以大幅提高企业经济效益。

    (5)为钢铁、冶金等高耗企业开展降低生产成本、提高经济效益、加快开展资源综合利用工作提供可以借鉴的经验。

    第二节 水泥工业余热发电技术的发展历程

    一、水泥工业余热发电工艺及装备技术的起源

    我国水泥窑余热发电技术源于二十世纪三十年代日本人在我国东北及华北地区建设的若干条中空窑高温余热发电站，其水泥窑废气温度为800℃～950℃、熟料热耗为6700KJ～8400KJ/kg，所配套的高温余热发电系统的发电能力为每吨熟料90kWh～130kWh。自二十世纪八十年代起至九十年代末，为了适应国民经济的高速发展，考虑水泥生产技术的限制，国内陆续建设投产了了大量的干法中空窑。这种新建的干法中空窑，其废气温度仍为800℃～950℃、熟料热耗6700KJ～8400KJ/kg。为了降低水泥生产能耗，同时也为了解决电力供应不足的矛盾，自1985年起，国内开始开展水泥窑高温余热发电技术的研究、开发、推广、应用工作。至上世纪九十年代末，利用水泥窑高温余热发电技术，为国内水泥行业的约280余条干法中空窑配套建设了高温余热电站，期间随着高温余热发电技术的不断完善和进步，高温余热发电系统的发电能力由每吨熟料90kWh～130kWh逐步提高到150～175KWh和175～195KWh。这项技术的研究、开发、推广、应用为我国水泥工业的发展做出了重要贡献，也为我国开展中低温余热发电技术的研究、开发奠定了基础和积累了经验。

    二、水泥工业中低温余热发电技术研究课题的提出及研究开发过程

    1. 水泥工业中低温余热发电技术研究课题的提出

    二十世纪八十年代末，根据水泥生产技术的发展使新型干法水泥熟料煅烧技术得以应用、水泥生产过程中的废气余热温度已降至450℃以下的中低温条件，结合水泥工业节能降耗提高企业经济效益的需要，也为了解决供电不足的矛盾，国家在“八•五”期间安排了国家重大科技攻关项目《水泥厂中低温余热发电工艺及装备的研究开发》工作。针对这一项目，根据当时国内火力发电主要设备（锅炉、汽轮机、发电机）中的汽轮机设计、制造、材料技术的限制，国家建材局确定：项目的开发工作走两条技术线路，其一：利用国产标准系列的汽轮机开发研制带补燃锅炉的中低温余热发电工艺及装备，即国家建材局委托天津水泥工业设计研究院承担的“八五”国家重大科技攻关项目课题——《带补燃锅炉的中低温余热发电工艺及装备的研究开发》；其二：开发研制适于水泥厂纯中低温余热发电的特种汽轮机，即国家建材局委托我国建筑材料科学研究承担的“八五”国家重大科技攻关项目课题——《双流中低温余热发电系统及螺杆膨胀机的研究开发》。

    2.中低温余热发电技术的研究开发过程

    针对上述两个课题，天津水泥工业设计研究院、我国建筑材料科学研究院分别开展了各自的各项目具体研究工作。

    (1)天津水泥工业设计研究院：

    根据其所承担的“八•五”攻关课题任务，经过对热能动力循环理论及在此之前该院已经设计投产的多个中空窑高温余热电站热力循环系统及装备在生产运行过程中所存在问题的细致分析和总结，结合新型干法水泥生产线的工艺特点、废气余热品位、废气余热分布、水泥生产系统与余热发电系统结合起来后的复杂性，确定了课题开发工作重点集中于如下几个方面：（1）余热电站的热力循环系统配置研究及系统、设备配置计算方法的研究；（2）余热电站内各余热锅炉及补燃锅炉的研制；（3）水泥生产系统与余热电站系统间管理、操作及安全保护关系的研究；（4）余热电站汽水管道配置及锅炉给水除氧系统的研究；（5）余热电站控制思想及计算机控制系统的研究；（6）带补燃的中低温余热电站与纯中低温余热电站节能效果及投资效益的比较分析研究。在确定上述研究开发工作重点的同时，确定了课题研究开发成果的应用方向——：1）利用课题开发成果为具有150℃至450℃废气余热的水泥生产企业建设带补燃锅炉的中低温余热电站；2）一旦适于水泥窑150℃至450℃废气余热的纯中低温余热电站特种汽轮机开发研制成功，课题开发成果取消补燃锅炉后直接采用特种汽轮机以实现纯中低温余热发电的目的。

    天津水泥工业设计研究院经过十年的艰苦努力全面完成了课题开发工作任务，同时在国家建材局原科技司的支持下至2000年进一步完成了适于水泥窑150℃至450℃废气余热的纯中低温余热电站所需特种汽轮机混压进汽（补汽式）汽轮机的开发研制任务，至2000年底：

    ●为了确定经济、合理、高效的热力循环系统、循环参数及电站汽水管路配置和除氧系统；为了解决余热锅炉所存在的磨损、漏风、集灰、炉内换热过程不清、换热效果不明以至余热锅炉热效率低下影响余热发电量的问题；为了解决补燃锅炉受热面匹配、与余热锅炉的关系及补燃锅炉主蒸汽调温措施等问题，于1991年在天津水泥工业设计研究院内建设运行了一套2000t/d预分解窑6000kW补燃电站1:20的模型实验线。

    ●为了解决卧式余热锅炉换热效果不好、不宜控制漏风从而使蒸汽产量达不到设计要求的问题，摸清适于水泥窑生产运行的立式余热锅炉具体结构方式及热力、换热特性同时摸清立式余热锅炉对于废气温度、废气粉尘的适应性，结合模型实验线内的实验用立式余热锅炉的运行情况从而验证实验所获得的数据，于1993年为苏州南新水泥有限公司700t/d中空窑6000kW――800～900℃废气温度的高温余热电站实验研制了国内首台水泥窑高温立式余热锅炉。在实际生产运行过程中经过对该台余热锅炉的三次局部更改，自1996年实现了年平均吨熟料余热发电量为6562KJ/kg—173kWh/t、小时吨熟料余热发电量为6562KJ/kg—192kWh/t的国内最高指标（比其它同规模、同类型水泥窑的卧式余热锅炉余热电站在熟料热耗相同的条件下，余热发电量提高20%以上），达到了预期目的，为中低温余热电站高效余热锅炉的设计、制造奠定了理论及实用技术基础。

    ●利用课题开发成果建设投产了两条工业实验用以煤粉为燃料的带补燃锅炉的中低温余热电站，其一为鲁南水泥厂两条2000t/d带有四级预热器预分解窑的一台12000kW凝汽式汽轮发电机的补燃余热电站；其二为北京琉璃河水泥厂一条2000t/d带有五级预热器预分解窑的一台12000kW抽汽供热式汽轮发电机组的补燃余热电站。两个余热电站先后于1996年下半年投入生产运行。通过这两个电站的投入运行验证了试验结果并为热力循环系统及参数配置、汽水管路配置、除氧系统配置、余热锅炉与补燃锅炉参数配置及设计制造、计算机控制系统配置及控制思想、电站与水泥生产系统间的安全保护生产管理关系提供了实际经验。

    ●通过对上述各项工作的理论总结及上述几个工程在实际生产运行过程中所存在问题的分析，考虑国家资源综合利用政策及水泥厂具有将补燃电站运行过程中补燃锅炉产生的炉渣、粉煤灰做为水泥生产用原料的特点，在上述几个余热电站工程已经正常投入生产运行的基础上，为了将补燃锅炉技术升级为流化床补燃锅炉而使电站燃用煤矸石等劣质燃料，1998年至1999年为湖北葛州坝水泥厂一条700t/d带有五级预热器的预分解窑及一条2000t/d带有五级预热器的预分解窑配套建设了一台12000kW凝汽式汽轮机组的煤矸石补燃中低温余热电站。

    在湖北葛州坝水泥厂中低温余热电站启动调试过程中，通过对流化床补燃锅炉所存在具体技术问题的进一步分析研究并通过整顿改造使整套电站于1999年10月投入正常生产运行。此举标志着天津水泥工业设计研究院所承担的“八五”国家重大科技攻关课题—《带补燃锅炉的中低温余热发电工艺及装备的研究开发》任务及对课题开发成果进行技术升级的任务已全面完成。在解决了课题所确定的六个重点问题的基础上形成了完整的课题开发成果《带补燃锅炉的中低温余热发电工艺及装备》，同时形成了完整的中低温余热电站工程设计思想及各项具体技术措施（包括装备），为余热发电系统技术及装备技术的进一步发展、实现纯中低温余热发电及装备技术在水泥工业的推广应用奠定了理论及实际生产运行技术基础。至2005年，天津水泥工业设计研究院及大连易世达能源工程有限公司利用此项技术成果，在国内水泥行业的28家水泥厂、34条700t/d至2000t/d带有五级预热器的新型干法窑上配套建设了28台、总发电装机约348000KW、单机容量在4500KW～15000KW的以煤矸石等劣质燃料的带补燃锅炉的中低温余热电站。

    ●天津水泥工业设计研究院在进行上述带补燃锅炉的课题研究开发工作的同时，为了切实了解并掌握国外先进工业国家纯中低温余热发电装备技术情况，1995年承担了由日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）赠送全套纯中低温余热发电设备的安徽宁国水泥厂4000t/d带有四级预热器预分解窑的6480kW纯中低温余热发电工程的可行性研究报告、施工图设计、施工驻厂调试任务并参与了日方赠送设备的具体谈判工作。该电站于1997年投入正常生产运行并仅利用窑头熟料冷却机废气余热（165300Nm3/h--360℃↓91℃）及窑尾预热器废气余热（258550Nm3/h—350℃↓250℃）实现了发电6480kW的目的。在这套纯余热发电技术装备中，采用的汽轮机即为适于水泥窑废气余热品位及余热分布的特种汽轮机：二级低参数混压进汽式（补汽式）汽轮机，其原理及参数见图一。

    上述这台汽轮机无论其结构方式还是参数配置国内是没有先例的。在1999年之前，在中小型汽轮机设计制造方面，适于余热发电的汽轮机，国内只生产一个进汽口――即仅为主进汽口的汽轮机，其进汽参数为0.98MPa-310℃、1.27MPa-340℃、1.57MPa-360℃、2.4MPa-385℃、3.43MPa-435℃等。上述这台汽轮机整机内效率为77.5%，连同发电机在内的总效率为75.5%。

    ●为了实现国产化装备的纯中低温余热发电技术的应用，天津水泥工业设计研究院在充分消化吸收日本人赠送给安徽宁国水泥厂纯中低温余热发电全套设备中的混压进汽式（补汽式）汽轮机设计、制造技术后，由于我国建筑材料科学研究院承担的“八五”国家重点科技攻关课题《双流中低温余热发电系统及螺杆膨胀机的研究开发》工作遇到了困难。天津水泥工业设计研究院与杭州汽轮机厂、杭州钱潮建材股份公司合作于1997年承担了国家建材局部门研究开发项目——也为我国建筑材料科学研究院“八五”国家重大科技攻关课题的延续项目——《水泥厂中低温余热发电专用设备——混压进汽式（补汽式）汽轮机的研究开发》项目。经过近两年的研究、实验，首台样机——4500kW混压进汽式（补汽式）汽轮机应用于杭州钱潮建材股份有限公司1000t/d带五级预热器的预分解窑4500kW以流化床锅炉为补燃锅炉的中低温余热电站。该电站之所以仍采用补燃发电，主要考虑：一旦混压进汽即补汽不成功，将补汽系统自发电热力系统中切除后，电站仍能正常运行发电，使其除了因余热不能全部回收而影响电站经济效益外，不致于使电站不能生产运行而给水泥厂造成更大的损失。该电站（包括混压进汽系统）于2000年7月1日并网发电成功至9月6日全套电站通过生产运行考核，吨熟料余热发电能力比标准单级进汽汽轮机机组提高7.2KWh以上。该台汽轮机原理及参数见图二。

    这台汽轮机的整机内效率达到了74.4%，连同发电机在内的总效率达到了71.5%。这台机组在研制过程中，在工程设计方面，由于未能在余热锅炉设备、热力系统、热力系统参数配置方面很好地解决稳定补汽参数的措施，从而使补汽很困难（补汽参数波动太大，使其不能长期平稳地补入汽轮机）。但尽管如此，这台机组的试制及试运，为在国内水泥工业推广应用纯中低温余热发电技术摸索了工艺设计、装备设计及制造技术经验，最终实现了：一、将该台机组的补汽技术应用到国产进汽参数为0.98～1.57MPa—310～340℃的一个进汽口的标准汽轮机后，设计制造出适于水泥窑纯中低温余热发电所需的特种汽轮机—低参数混压进汽式或称补汽式汽轮机的目的；二、再进一步将此种汽轮机与带补燃锅炉的中低温余热发电工艺及装备技术相结合，取消补燃锅炉后形成我国完全国产化的完整的水泥窑纯中低温余热发电技术及装备并可保证安全、稳定、经济、高效地投入生产运行的目的。这两个目的的实现，为国内水泥工业研究、开发并形成国产化纯中低温余热发电技术奠定了坚实的基础。

    (2)对于我国建筑材料科学研究院：

    根据其所承担的课题任务，我国建筑材料科学研究院汇同天津大学等有关单位对双流中低温余热发电系统及螺杆式膨胀机进行了大量的实验研究工作，先后在实验室内研究开发成功了6kW及150kW的两相流螺杆式膨胀机并开发制造出了600kW样机，其整机内效率达到了60%左右。由于国内设计、制造、材料技术水平的限制，螺杆膨胀机的大型化问题目前遇到了暂时难以克服的困难。由于单台机组发电能力的限制，使其难以在实际工程中推广应用，因此这项技术的研究开发工作处于停顿状态。

    (3)对于南京水泥工业设计研究院：

    “八五”期间，南京水泥工业设计研究院没有承担国家的余热发电技术攻关任务，但其在水泥窑纯中低温余热发电技术及装备的研究、开发方面同样做了积极的、有意义的探索，为江西万年水泥厂2000t/d带有四级预热器的预分解窑利用窑尾约180000Nm3/h—410℃及窑头熟料冷却机约140000 Nm3/h——250℃的废气余热设计投产了一套3000kW（汽轮机为：一个进汽口的国产标准汽轮机，其进汽参数为1.0MPa-305℃）纯中低温余热电站。尽管由于当时国产汽轮机的限制及其它设备、该院热力循环系统及参数配置技术的限制，使该条水泥窑具有的3600kW余热发电能力仅能达到实际生产运行的1700～2100kW，但确为纯中低温余热电站国产化装备在水泥企业的设计、生产运行提供了可以借鉴的经验，也为实现纯中低温余热电站系统配置技术及装备设计、制造国产化贡献了力量。...............

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