面向二十一世纪的水泥工业纯低温余热发电技术及装备1

要：本文以大量翔实的资料论述了我国水泥工业低温余热发电技术及装备的开发研制过程、现状及最新动态，介绍了我国水泥工业中低温余热发电系统的基本情况、发展趋势和存在的问题，提出了适于我国水泥工业的中低温余热发电系统技术，同时也提出了水泥生产工艺技术如何与纯低温余热发电技术进一步结合以进一步降低水泥生产综合能耗提高经济效益的命题，相信本文对二十一世纪我国水泥工业工艺、装备技术及余热发电系统、装备技术的开发工作将有重要参考价值。

1 中低温余热发电技术及装备的研制过程与现状
　　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技术及装备，其水泥窑废气温度为800℃～900℃、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100kW～130kW。二十一世纪八十年代末，根据水泥工业节能降耗提高企业经济效益的需要结合新型干法水泥熟料煅烧技术的发展、水泥生产过程中的废气余热温度已降至450℃以下的条件，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，即国家建材局委托中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——《双流低温余热发电系统及螺杆膨胀机的研究开发》。
　　就上述两个课题，天津水泥工业设计研究院、中国建筑材料科学研究院分别开展了各自的各项目具体工作。
　　对于天津水泥工业设计研究院：
　　根据其所承担的课题任务，经过对热能动力循环理论及在此之前已经做过的多个中空窑高温余热发电工程中系统及装备所存在问题、生产运行结果的细致分析和总结，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的重点集中于如下几个方面：（1）余热电站的热力系统配置研究；（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、操作及安全保护系统的研究与措施；（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。
　　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的开发研制任务，在近十年内：
● 为了确定经济、合理、高效的热力系统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的问题，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。
● 为了摸清水泥窑立式余热锅炉在实际生产运行中的结构、热力、传热特性及对于废气温度、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，验证实验结果，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年实现了均吨熟料余热发电量为6562KJ/kg—173kW.h/t、小时吨熟料余热发电量为6562KJ/kg—192kW.h/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带有四级预热器的预分解窑一台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带有五级预热器的预分解窑一台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。
● 通过对上述各项工作的理论总结及上述几个实际工程生产运行过程中存在问题的分析总结，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，将以煤粉为燃料的补燃锅炉升级为以煤矸石等劣质燃料为燃料的流化床补燃锅炉后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，经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。在此基础上，天津水泥工业设计研究院分别为河南七里岗水泥厂一条700t/d及一条1000t/d带有五级预热器的预分解窑、黑龙江省牡丹江水泥厂一条2000t/d带有四级预热器的预分解窑、杭州钱潮建材股份有限公司1000t/d带有五级预热器的预分解窑配套建设了以流化床为补燃锅炉的一台7500kW（七里岗）凝汽式汽轮发电机组、一台12000kW（牡丹江）抽汽供热式汽轮发电机组、一台4500kW（杭州钱潮）混压进汽式（补汽式）汽轮发电机组的中低温余热电站，同时为河南洛阳水泥厂、吉林双阳水泥厂、新疆屯河水泥公司配套设计以流化床为补燃锅炉的补燃中低温余热电站。
● 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、施工驻厂报务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，经过对窑头熟料冷却机冷却风系统进行改造后（改造为循环风，使冷却机余风由200℃～300℃提高至360℃），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，采用的汽轮机为适于水泥窑废气余热品位及余热分布的二级混压进汽式汽轮机，其原理及参数见图一。