倡导循环经济，推进节约型水泥工业的建设

摘要：本文简要介绍了我国水泥工业低温余热发电技术与装备的现状及发展趋势，指出了回收并充分利用水泥生产过程中的低温余热进行发电，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：倡导循环经济  推进节约型建设

1. 前言
   我国目前正处于经济持续高速发展的时期，经济的持续发展对资源和能源的需求也日益增加，但由于受我国工业整体技术水平的制约，在经济持续增长对资源和能源需求日益增加的同时，还存在着巨大的资源和能源的浪费。
    纵观我国的资源和能源的储量状况，资源和能源相对不足的矛盾将在今后的经济和社会发展中日益突出，如何合理的利用和节约现有的宝贵资源和能源将是我国今后如何确保经济可持续发展的关键所在。因此，倡导循环经济，节约资源和能源、改善环境状况、提高经济效益，实现资源、能源的优化配置将是我国国民经济和社会发展中一项长远的战略方针。
    党的十六届五中全会明确提出了建设资源节约型、环境友好型社会的发展战略，并首次把建设资源节约型和环境友好型社会确定为国民经济与社会发展中长期规划的一项战略任务。我国国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议中，已经将建设资源节约型、环境友好型社会提到了前所未有的高度。
    能源的短缺已经直接影响着各个行业的生产和发展，在水泥行业表现得尤为突出，近几年在全国范围内出现了电力和煤炭供应紧缺的局面，众多水泥企业由于受到电力和煤炭供应紧张，以及电价、煤价持续上涨的影响，面临着运转率不足和经济效益严重下滑的困难局面。而充分利用水泥生产过程中的废气余热建设纯低温的余热发电装置，既可大量回收和充分利用低品位的余热用以发电或热电联供，以降低水泥水产的电耗，节约能源，又可有效的减少水泥生产对环境的废热及粉尘等的污染，等同于火力发电厂还具有减少二氧化硫排放的功效，已经成为目前国内水泥工业节能降耗、改善环境状况的有效途径。
    天津院多年来一直致力于水泥工业的技术开发和装备开发，同时还积极致力于资源综合利用、节约能源、环境保护等领域的技术开发和成果的推广利用，经过几代人不懈的努力，我国水泥工业的技术水平、装备水平和节能技术水平有了长足的进步，尤其在推动我国水泥工业向资源节约型和环境友好型工业转变方面更是做出了艰苦的努力，作为具有自主知识产权、具有显著节能效果的纯低温余热发电技术和装备已经逐步走向成熟。
2. 纯低温余热发电的技术及装备
    相对于补燃型的资源综合利用电站而言，利用水泥窑纯低温废气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。为了实现国产化的纯低温余热发电技术及装备，天津院在充分学习、消化和借鉴国外纯低温余热发电的系统技术和混压进汽式汽轮机的性能后，会同国内的汽轮机生产制造单位于1999年首先研制并生产制造出了国内首台4500kW的混压进汽式（双压）汽轮机，并成功应用于4500kW的补燃式资源综合利用电站。投入正常运行以来的结果证明，混压进汽式（双压）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，天津院认真分析了海螺集团宁国水泥厂和广西柳州水泥厂四级预热器水泥生产线纯低温余热发电系统的特点，总结了承接并完成这两个项目的技术咨询、工程设计和现场技术服务的经验和体会，吸取了天津院成熟的带补燃锅炉的余热发电技术，从而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，形成了具有自主知识产权、完全国产化的利用窑头和窑尾的低温废气余热进行发电的技术思路和实施方案。
    2002年5月，天津院承接了上海万安企业总公司1350t/d四级预热器水泥生产线纯低温废气余热发电技改工程的技术咨询和工程设计任务。该纯低温余热电站采用天津院的技术和国产设备，工程于2002年9月正式动工，2003年5月建成投产，电站装机规模2500kW，设计平均发电能力1900 kW，实际发电能力为1900~2100kW，吨熟料发电量达34~37kWh，接近同类电站的国际先进水平，经过三年多的生产运行，主要设备和系统运转正常，各项技术经济指标全部达到或超过设计指标。
    至此，以安徽海螺集团宁国水泥厂4000t/d四级预热器水泥生产线、广西柳州水泥厂3600t/d四级预热器水泥生产线、上海万安企业总公司1350t/d四级预热器水泥生产线配套建设的纯低温余热发电系统，形成了国内四级预热器水泥生产线纯低温余热发电技术及装备的示范工程。
    禀承继承创新、持续改进的技术进步传统，天津院在总结四级预热器水泥生产线纯低温余热发电成功经验的基础上，经过进一步的技术创新和自我完善，成功开发出了五级预热器水泥生产线纯低温余热发电的系统技术和装备。
    2005年3月，天津院设计的浙江申河水泥有限公司2500t/d五级预热器水泥生产线纯低温余热发电站正式投入运行，该电站装机规模为3000kW，设计平均发电能力2500kW，实际发电能力为2800～2900kW，吨熟料发电量达27 kWh以上，标志着2500t/d级五级预热器的新型干法水泥生产线纯低温余热发电技术及装备在我国获得第一次成功。
     2005年7~9月，经过进一步的技术改进和系统完善，天津院设计的全部采用国产装备的纯低温余热电站分别在浙江煤山众盛建材有限公司和浙江三狮水泥股份有限公司5000t/d五级预热器的水泥生产线正式投入运行，与水泥生产线相对应的两套余热电站装机规模均为6000kW，设计平均发电能力5700 kW，实际发电能力为6500～6600kW，吨熟料发电量达30 kWh以上，标志着5000t/d级五级预热器的新型干法水泥生产线纯低温余热发电技术及装备在我国获得第一次成功；
    截至2005年年底，天津院设计的已经建成投运的5000t/d级五级预热器的纯低温余热电站共计2座、2500t/d级五级预热器的纯低温余热电站共计5座，1200t/d级五级预热器的低温余热电站共计2座；
    2006年，经过更进一步的经验总结、设计方案和系统参数的优化，由天津院设计的、目前正在建设之中的10多套提高型的第三代纯低温余热电站将陆续建成并投入运行，吨熟料发电量将接近35 kWh，其技术和装备将达到一个更高的水平。
3. 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、主机设备选型、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、系统参数、设备性能和特性则不完全相同。
3.1 四级预热器的纯低温余热电站的系统配置
    上海万安企业总公司的水泥生产线为一条1350t/d四级预热器水泥生产线。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、天津院的四级预热器水泥生产线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（双压）汽轮机，装机规模2500kW。利用窑尾余热锅炉和窑头余热锅炉产生的主蒸汽和窑头余热锅炉产生的饱和辅助蒸汽进行发电。这种系统在完全和充分回收利用窑头废气余热的同时，合理的配置了热力系统和主机设备。经过三年多的生产运行，主要设备和系统均运转正常；
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。设计有较为合理的灰斗，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，影响水泥生产的现象。该锅炉最具特点的地方是采用了自然循环方式，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。立式布置的结构形式，在节约了占地面积的同时，也方便了余热锅炉进、出口废气管道的布置；
③ AQC余热锅炉为立式、自然循环结构。由于冷却机废气中粉尘粘附性不强，所以没有设置清灰装置。同时换热管采用螺旋翅片管，增加了换热面积，使得锅炉体积得到下降，降低了投资成本。在AQC余热锅炉前端设置了第一代的高效沉降系统，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，保证中部取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℃；
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 两台余热锅炉的进、出口废气管道都设计有旁路系统，当余热锅炉停用时水泥生产系统可正常运行；
3.2 五级预热器的纯低温余热电站的系统配置
    浙江煤山众盛建材有限公司和浙江三狮水泥股份有限公司各有一条5000t/d五级预热器的水泥生产线，预热器和冷却机的出口废气流量和温度分别为340000Nm3/h、350℃和240000Nm3/h、320℃左右。
针对这两条水泥生产线的低温余热资源、天津院的五级预热器水泥生产线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 汽轮机为低参数凝汽式（单压）汽轮机，装机规模6000kW。利用窑尾余热锅炉和窑头余热锅炉产生的低参数主蒸汽进行发电。这种系统在完全和充分回收利用窑头废气余热的同时，简化了热力系统的配置，降低了工程投资。汽轮机配设有先进的505电液数字调节系统，启动、停机和正常的运行管理更加平稳。汽轮机配设有集中式的油站系统，不仅占地面积小，而且便于安装和巡检。经过半年多的生产运行，主要设备和系统均运转正常；
② SP余热锅炉更有独特的改进之处：立式布置、箱式结构、机械振打、自然循环。箱式结构不仅加快了锅炉的安装速度，而且进一步降低了锅炉的漏风。整个锅炉清灰采用程序可控的连续振打方式，清灰更加均匀。改进了灰斗和余热锅炉出风口的结构，更加有效的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的跳停。该锅炉仍然采用自然循环方式，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；
③ AQC余热锅炉仍然为立式布置、自然循环的结构。由于冷却机废气中粉尘粘附性不强，所以仍然没有设置清灰装置。换热管采用了加强型螺旋翅片管，大大增加了有效换热面积，使得锅炉体积大幅度下降，进一步降低了投资成本。在AQC余热锅炉前端设置了第二代的高效沉降系统，大大减轻了废气对AQC余热锅炉的磨损，同时，烟气阻力和温度损失得到进一步的降低；
④ 采用篦冷机余风全部进入AQC余热锅炉的技术方案，在提高余热回收利用效率的同时，减少了篦冷机改造的环节，缩短了工程建设和停窑改造的周期；
⑤ 整个余热发电系统采用天津院自主开发的改进型的DCS集散控制系统，系统的操作更加简便可靠，显示、记录、报警和保护程序更加完善，确保余热发电系统稳定运行；
4．五级预热器的纯低温余热电站的主要技术经济指标
    如前所述，由于受水泥工艺流程和主机设备选型的不同、水泥生产配料成分的不同、水泥生产原燃料水分的不同、水泥工厂地理位置的不同等诸多因素的影响，纯低温余热电站的装机规模、投资等各项经济技术指标也不尽相同，可供参考的、比较重要的经济技术指标见下表：

附表一： 2500t/d级五级预热器水泥生产线纯低温余热电站主要经济技术指标

附表二： 5000t/d级五级预热器水泥生产线纯低温余热电站主要经济技术指标

    对于新建的新型干法水泥生产线，如果同步配套建设纯低温余热发电系统，由于可以统一考虑总体布局，统一考虑给水、排水、循环冷却、污水处理和中水综合利用系统，统一考虑发电、配电和并网接入系统，统一考虑废热回收利用系统，统一考虑水泥工艺流程和主机设备的选型，统一考虑汽水管网和配电线路的布置，统一进行土建施工和设备安装等技术方案，因此，不仅可以提高余热回收利用的效率，而且还可以大大地降低余热发电系统的投资，其经济效益将会更加显著。
5、结束语
    完全利用新型干法水泥生产过程中产生的废气余热作为热源的纯低温余热发电工程，整个热力系统不燃烧任何一次能源，在回收大量对空排放造成环境热污染的废气余热的同时，所建余热发电工程不对环境造成任何污染，这对于有效节约能源、减少粉尘和二氧化碳的排放量、降低温室效应、保护生态环境起着积极的作用。
根据目前我国新型干法水泥生产线的工艺流程和废气参数，利用天津院的第三代纯低温余热发电技术和国产的装备，具有吨熟料32～35kWh的发电能力。按照我国目前市场购电价0.50元/kWh估算，扣除余热电站发电成本约0.10元/kWh，吨熟料成本可下降约12～14元。由此可见，纯低温余热发电工程的实施，还可有效地降低企业的水泥生产成本、提高企业产品的市场竞争力，为企业产生良好的经济效益。
    我国电力供应相对紧张的局面将逐步得到缓解，但电价将随着一次能源供应的不断紧张和造价昂贵的可再生能源的开发和建设而持续上涨。因此，从节约能源的角度出发，国家将大力鼓励利用工业生产过程中产生的余热、余压建设余热发电项目，以缓解能源供应持续紧张的局面，为可持续发展奠定良好的基础。
    新型干法水泥生产线纯低温余热发电项目由于能将废气中的热能转化为电能，可有效的减少水泥生产过程中的能源消耗，具有显著的节能效果。同时，废气通过余热锅炉降低了排放的温度，还可有效的减轻水泥生产对环境的热污染，具有显著的环保效果。因此，这种具有良好的经济效益和社会效益的项目，必将具有宽广的推广应用前景。