本文简要介绍了我国水泥工业低温余热利用的技术与装备的发展历史及现状，指出了回收并充分利用水泥生产过程中的低温余热，是耗能大户的水泥工业节能降耗、提高经济效益的有效途径。
关键词：水泥工业 纯低温 余热利用
1. 前言
随着我国人口的不断增加和经济的快速发展，资源相对不足的矛盾将日益突出，合理的利用和节约现有的宝贵资源将是我国今后如何确保经济可持续发展的关键所在。节约资源、改善环境状况、提高经济效益，实现资源的优化配置和可持续发展将是我国国民经济和社会发展中一项长远的战略方针。
社会主义市场经济的建立和不断完善，使我国的经济建设日益蓬勃且快速健康的向前发展。在此带动之下，我国的水泥产量已雄居世界第一，水泥工业的建设规模和技术水平也有了长足的进步，“上大改小、结构调整”战略的实施，更使得我国水泥工业的建设规模由1000t/d、2000t/d快速发展到5000t/d、10000t/d，水泥熟料的热耗也由4000kJ/kg左右降低到2700～3300kJ/kg。但水泥工业是一个传统的高能耗行业，就目前国内最先进的水泥生产工艺，仍然有大量的350℃以下的低温余热不能被完全利用，其浪费的热量约占系统总热量的30％左右。因此，回收水泥生产工艺过程中的低温余热，用来供热或发电，具有非常现实的节能和环保意义，符合循环经济和可持续发展的战略方针。
2. 低温余热和资源综合利用电站的技术和装备
水泥的生产，需要消耗大量优质的自然矿产资源，还需掺杂一定量的混合材，在同时消耗大量煤炭和电力等优质能源的时候，也伴有大量被排放而浪费掉的低温余热资源。
一段时间以来，受电力供应紧张和电价持续上涨的影响，许多地方的水泥生产单位面临运转率不足和经济效益下滑的困难局面。因此，在国家资源综合利用产业政策的鼓励下，同时结合天津水泥工业设计研究院成熟的资源综合利用技术及国内成熟的电站设备，多家水泥生产单位建设了能够充分利用水泥生产线排放的低温余热，再加上适当的补燃，燃用热值小于12550kJ/kg的劣质燃料的资源综合利用电站。
这样的电站建成后，水泥生产线排放掉的低温余热可基本被回收和利用，在补燃量一定的条件下，电站单位发电量的煤耗和单位发电量的成本得到了大幅度的降低；循环流化床补燃锅炉还可以有效的利用工程建设所在地的煤矸石等劣质煤资源，所产生的灰、渣又可全部回用于水泥生产，做到零排放；电站生产的电力可直接供给水泥生产使用，并减少了输配电系统的有功损耗。
由此可见，这类电站的建设投产，可有效的缓解水泥生产用电紧张的困难；在大幅度降低水泥生产成本的同时，也为国家节约了优质的能源，保护了环境，其经济效益与社会效益是十分显著的，给高能耗的水泥企业带来了诸多的利益和好处，也为我国的可持续发展的战略作出了贡献。
因此，对于水泥生产企业而言，只要我们认真贯彻和坚定不移的执行国家资源综合利用的产业政策，切实落实好劣质燃料（或工业垃圾）的来源和供应渠道，符合当地环保部门提出的排放要求，建立一整套内部有效的鼓励余热回收和利用的激励机制，理顺与当地电力部门的管理和利益分配关系，笔者认为，有成熟的技术和装备为后盾，这种既有利于企业，也有利于国家的补燃型的资源综合利用电站，一定会有持久的推广和应用前景。
3. 纯低温余热电站的技术及装备
相对于补燃型的资源综合利用电站而言，利用水泥窑纯低温余热所建设的余热电站不配置任何的燃烧设备，所以也不增加任何的烟气、粉尘和废渣的排放点，因此，具有更好的节能和环保效果。
由于窑头和窑尾的废气温度较低，采用纯低温余热进行发电，对装备和系统技术的要求较高。国外对于利用水泥窑低温余热进行发电的技术及装备的研究与开发从上世纪六十年代即已开始，到七十年代中期，无论是热力系统还是设备都已进入应用阶段。据我们所知，技术较为成熟的是日本的几家公司（如川崎公司），他们开发研制的余热锅炉及中、低品位的混压进汽式汽轮机，经数十个工厂多年运转实践证明，技术成熟可靠并具有很大的灵活性。宁国水泥厂纯低温余热发电系统就是日本川崎公司的技术和装备的应用工程。
为了实现国产化的纯低温余热发电技术及装备，在充分学习和借鉴宁国水泥厂纯低温余热发电的系统技术和混压进汽式汽轮机的性能参数后，以天津水泥工业设计研究院为主，会同国内的汽轮机生产制造单位于1997年首先开始了适合于水泥厂低温余热发电专用设备--混压进汽式汽轮机的研究和开发。
经过近两年的共同努力，终于研制并生产制造出了首台4500kW的补汽式汽轮机的样机，并推广应用于杭州钱潮建材有限公司4500kW的补燃式资源综合利用电站。该电站于1999年成功并网发电，并通过了相应的生产运行考核，投入正常运行以来的结果证明，混压进汽式汽轮机的研究和开发取得了成功。其结构方式及参数配置填补了国内汽轮机制造行业的空白。它的研制成功，为实现我国水泥工业纯低温余热发电的系统技术和装备的完全国产化，并在国内水泥工业推广应用奠定了坚实的基础。
在此基础之上，天津水泥工业设计研究院根据参与并完成施工设计且正常投运的宁国水泥厂纯低温余热发电系统的特点、配合日本川崎公司进行的柳州水泥厂纯低温余热发电系统设计的体会、以及天津水泥工业设计研究院已经成熟的带补燃锅炉的余热发电技术，对纯低温余热发电的系统技术和装备进行了认真细致的研究，形成了完全国产化的利用窑头、窑尾的纯低温废气余热进行发电的技术思路和实施方案。
2002年5月，天津院与上海万安企业总公司达成了共识，对该公司日产1350吨的四级旋风预热器窑实施了纯低温废气余热发电的技术改造。工程于2002年9月正式动工，2003年5月建成投产，余热电站装机容量2.5MW，实际平均发电能力1800～2100kw，全部采用国产设备和技术。经过一年多的生产运行，主要设备和整个系统基本运转正常，各项技术经济指标全部达到设计要求。
2003年3月，天津院承担了广西鱼峰集团有限公司日产3200吨的四级旋风预热器窑的纯低温余热电站技改工程的施工图设计任务（日本川崎公司承担方案设计及）。工程于2003年7月正式动工，2004年7月建成投产，余热电站装机容量6MW，目前主要设备和整个系统运转正常，各项技术经济指标完全达到设计要求。
至此，以海螺集团宁国水泥厂4000t/d预分解窑配套建设的纯低温余热发电系统、广西鱼峰集团3200t/d预分解窑配套建设的纯低温余热发电系统、上海金山水泥厂1350t/d预分解窑配套建设的纯低温余热发电系统，形成了国内纯低温余热发电技术及装备的示范工程。
3.1 纯低温余热电站的系统配置
由于受水泥生产工艺流程、原料特性、主机设备、气候条件等诸多因素的制约，相同规模的水泥生产线，其余热品位和余热量不尽相同，因此，尽管针对纯低温余热进行回收并进行发电的理论技术基本一致，但纯低温余热发电系统的规模和配置、设备性能和特性则不完全相同。
3.1.1 引进技术和装备的纯低温余热电站的系统配置
1995年，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）赠送给海螺集团宁国水泥厂一套纯低温余热发电设备。
宁国水泥厂的水泥生产线为一条4000t/d级的具有四级预热器的预分解窑。预热器和冷却机的出口废气流量和温度分别为258550Nm3/h、370℃左右和306600Nm3/h、238℃左右。针对该条生产线低温余热资源的特点，该电站的系统配置及主机设备构成如下：
① 采用二级混压进汽式汽轮机，额定功率为6480kW。利用参数较低的主蒸汽和来自闪蒸器的饱和蒸汽进行发电；
② 设置具有专利技术的余热锅炉，能够充分回收利用余热资源：由于PH（预热器）出口废气还要用于原料烘干，所以PH锅炉采用卧式布置，强制循环，带汽包的主要结构；设置机械振打装置来解决废气的粉尘附着问题。无省煤器，只设蒸发器和过热器，从而确保出炉烟温达到250℃以上，以满足原料烘干；AQC锅炉为立式自然循环锅炉，带汽包，采用自然沉降的除尘方式。
③ 应用热水闪蒸技术，设置一台高压闪蒸器和一台低压闪蒸器，闪蒸出的饱和蒸汽混入汽轮机做功；
④ 对窑头熟料冷却机系统进行改造，在冷却机原有的余风出口加装阀门，从冷却机中部抽取 360℃左右的废气。
⑤ 整个余热发电系统采用先进的DCS集散控制系统，系统的操作简便可靠，并设有完善的报警和保护程序，使整个发电工艺系统能够长期稳定运行。
上述技术及关键装备的配置，加上天津水泥工业设计研究院成功的施工设计和服务，以及宁国水泥厂科学、严谨的内部管理机制，自1997年投入正常生产运行以来的业绩表明，以上技术及装备在宁国水泥厂余热发电系统取得了成功的应用。
3.1.2 国产化技术和装备的纯低温余热电站的系统配置
3.1.2.1 上海万安企业总公司的水泥生产线为一条1350t/d的四级旋风预热器窑。预热器和冷却机的出口废气流量和温度分别为95000Nm3/h、360～390℃和94000Nm3/h、240℃左右。针对该条生产线的低温余热资源、天津院的纯低温余热发电技术和国产设备的特点，该电站的系统配置及主机设备构成如下：
① 汽轮机为补汽凝汽式汽轮机（双压汽轮机），设计能力2.5MW。利用窑尾余热锅炉和窑头余热锅炉产生的低参数主蒸汽和窑头余热锅炉产生的饱和辅助蒸汽进行发电。这种系统的配置，在完全和充分回收利用窑头废气中余热的同时，简化了热力系统的配置。经过近一年的生产运行，主要设备和整个系统均运转正常；
② SP余热锅炉的设计有独特之处：立式布置、机械振打、自然循环。整个锅炉的振打形式为连续式，清灰较为均匀，同时设计有合理的灰斗，避免了因清灰原因造成废气中含尘浓度突然增大而引起风机跳停，影响水泥生产。该锅炉最具特点的地方是采用自然循环方式，省掉了二台强制循环热水泵，降低了运行成本，提高了系统可靠性。立式的结构形式，在节约了占地面积的同时，也方便了废气管道的布置；
③ AQC余热锅炉为立式、自然循环。由于冷却机废气中粉尘粘附性不强，所以不设置清灰装置。同时换热管采用螺旋翅片管，大大增加了换热面积，使得锅炉体积大幅下降，降低了投资成本。同时，在AQC余热锅炉前端设置了高效沉降室，大大减轻了废气对AQC余热锅炉的磨损；
④ 对篦冷机进行适当改造，在中部设置抽风口，作为AQC余热锅炉的取风口，通过对冷却机原抽风口的风门调节，保证中部抽风口的废气温度达到350℃以上。改造后实际废气参数为： 40000Nm3/h、350～400℃。窑头余热锅炉为双压双汽包锅炉，产生的低参数主蒸汽和饱和辅助蒸汽同时进入汽轮机做功。
⑤ 整个余热发电系统采用天津院自主开发的先进的DCS集散控制系统，系统的操作简便可靠，并设有完善的显示、记录、报警和保护程序，使整个发电工艺系统能够稳定运行；
⑥ 两台余热锅炉的废气侧都设计有旁路系统，当余热锅炉停用时水泥生产系统可正常运行；
⑦ 根据该系统蒸气温度和压力较低的情况，采用了最新的真空除氧方式，系统运行成本较低；
该工程于2003年5月建成投产以来，经过近一年的生产运行，主要设备和系统均运转正常，电站平均发电能力1800kw，各项技术经济指标全部达到设计要求。该工程的建成和顺利投运，表明全部采用国产设备和天津院自主拥有的纯低温余热发电技术的余热发电系统取得了完全的成功。
3.1.2.2 广西鱼峰水泥股份有限公司3200t/d水泥生产线正常生产时，其烧成窑尾排放的废气为：217200m3/h（标况）—380℃，其烧成窑头排放的废气为：245280 m3/h（标况）—220℃。
针对该条生产线的低温余热资源、纯低温余热发电技术和设备的特点，日本川崎公司方案设计的系统配置及主机设备构成如下：
① 根据3200t/d生产线窑头冷却机废气排放温度的分布，在满足熟料冷却的前提下，对现有冷却机进行改造，在改造后的冷却机360℃的废气出口设置窑头余热锅炉。该锅炉分二段设置，一段省煤器出水分为二路，一路作为AQC炉给水，另一路为PH炉锅筒给水。二段过热器出口产生的过热蒸汽与窑尾余热锅炉产生的过热蒸汽并列后进入汽轮机作功。
AQC余热锅炉（国外技术，国内生产制造）的结构为：立式布置、自然循环，前端设置了高效沉降室，大大减轻了废气对AQC余热锅炉的磨损。
② 根据3200t/d水泥生产线窑尾工艺流程，在窑尾预热器和分解炉废气出口管道上分别设置PH余热锅炉各一台，两台余热锅炉共用一个锅筒。PH余热锅炉设有蒸发器和过热器，过热器产生的蒸汽与窑头AQC余热锅炉产生的蒸汽并列后送入汽轮机作功。
PH余热锅炉（国外技术，国内生产制造，关键部件国外引进）的结构为：卧式布置、机械振打、强制循环。振打形式为连续式，清灰均匀，
③ 本工程的余热回收系统采用了低参数的汽轮机（国产设备）。额定功率为6MW，汽轮机转速为3000r/min。调速系统感应机构为电磁式，执行机构为液压传动式。发电机转速为3000r/min、容量为6MW、电压等级为6kV，通过公司现有110/6kV总降压变电所与当地电网并网运行。
④ 低温余热发电系统由计算机集中控制，操作人员可通过键盘发出指令调整各烟风阀门、汽水阀门的开度等，使整个系统能适应工况变化，使工艺流程能够长期稳定地运行。
该工程于2004年7月建成投产以来，主要设备和系统均运转正常，各项技术经济指标全部达到设计要求。

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