本文以大量翔實的資料論述了我國水泥工業(yè)低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的開發(fā)研制過程、現(xiàn)狀及最新動態(tài)，介紹了我國水泥工業(yè)中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的基本情況、發(fā)展趨勢和存在的問題，提出了適于我國水泥工業(yè)的中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)，同時也提出了水泥生產(chǎn)工藝技術(shù)如何與純低溫余熱發(fā)電技術(shù)進一步結(jié)合以進一步降低水泥生產(chǎn)綜合能耗提高經(jīng)濟效益的命題，相信本文對二十一世紀(jì)我國水泥工業(yè)工藝、裝備技術(shù)及余熱發(fā)電系統(tǒng)、裝備技術(shù)的開發(fā)工作將有重要參考價值。
1 中低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的研制過程與現(xiàn)狀
我國水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)源于二十世紀(jì)三十年代日本人在我國東北及華北地區(qū)建設(shè)的若干條中空窯高溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備，其水泥窯廢氣溫度為800℃～900℃、熟料熱耗為6700KJ～8400KJ/kg，所配套的高溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力為每噸熟料100kW～130kW。二十一世紀(jì)八十年代末，根據(jù)水泥工業(yè)節(jié)能降耗提高企業(yè)經(jīng)濟效益的需要結(jié)合新型干法水泥熟料煅燒技術(shù)的發(fā)展、水泥生產(chǎn)過程中的廢氣余熱溫度已降至450℃以下的條件，國家在“八·五”期間安排了國家重大科技攻關(guān)項目《水泥廠中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備的研究開發(fā)》工作。針對這一項目，根據(jù)當(dāng)時國內(nèi)汽輪機設(shè)計、制造、材料技術(shù)的限制，國家建材局確定：項目的開發(fā)工作走兩條技術(shù)線路，其一：利用國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)系列的汽輪機開發(fā)研制帶補燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備，即國家建材局委托天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院承擔(dān)的“八五”國家重大科技攻關(guān)項目課題——《帶補燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備的研究開發(fā)》；其二：開發(fā)研制適于水泥廠純中低溫余熱發(fā)電的特種汽輪機，即國家建材局委托中國建筑材料科學(xué)研究承擔(dān)的“八五”國家重大科技攻關(guān)項目課題——《雙流低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)及螺桿膨脹機的研究開發(fā)》。
就上述兩個課題，天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院、中國建筑材料科學(xué)研究院分別開展了各自的各項目具體工作。
對于天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院：
根據(jù)其所承擔(dān)的課題任務(wù)，經(jīng)過對熱能動力循環(huán)理論及在此之前已經(jīng)做過的多個中空窯高溫余熱發(fā)電工程中系統(tǒng)及裝備所存在問題、生產(chǎn)運行結(jié)果的細(xì)致分析和總結(jié)，結(jié)合新型干法水泥生產(chǎn)線的工藝特點、廢氣余熱品位、廢氣余熱分布、水泥生產(chǎn)系統(tǒng)與余熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合起來后的復(fù)雜性，確定了課題開發(fā)工作的重點集中于如下幾個方面：（1）余熱電站的熱力系統(tǒng)配置研究；（2）余熱電站內(nèi)各余熱鍋爐及補燃鍋爐的研制；（3）水泥生產(chǎn)系統(tǒng)與余熱電站系統(tǒng)間管理、操作及安全保護系統(tǒng)的研究與措施；（4）余熱電站汽水管道配置及鍋爐給水除氧系統(tǒng)的研究；（5）余熱電站控制思想及計算機控制系統(tǒng)的研究；（6）帶補燃的中低溫余熱電站與純中低溫余熱電站節(jié)能效果及投資效益的比較研究。在確定上述研究開發(fā)工作重點的同時，確定了課題研究開發(fā)成果的應(yīng)用方向——：1）利用課題開發(fā)成果為具有150℃至450℃廢氣余熱的水泥生產(chǎn)企業(yè)建設(shè)帶補燃鍋爐的中低溫余熱電站；2）一旦適于水泥窯150℃至450℃廢氣余熱的純中低溫余熱電站特種汽輪機開發(fā)研制成功，課題開發(fā)成果取消補燃鍋爐后直接采用特種汽輪機以實現(xiàn)純中低溫余熱發(fā)電。
天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院經(jīng)過十年的艱苦努力全面完成了課題開發(fā)工作任務(wù)，同時在國家建材局原科技司的支持下完成了適于水泥窯150℃至450℃廢氣余熱的純中低溫余熱電站所需特種汽輪的開發(fā)研制任務(wù)，在近十年內(nèi)：
● 為了確定經(jīng)濟、合理、高效的熱力系統(tǒng)及電站汽水管路配置和除氧系統(tǒng)；為了解決余熱鍋爐所存在的磨損、漏風(fēng)、集灰、爐內(nèi)換熱過程不清、換熱效果不明以至余熱鍋爐熱效率低下影響余熱發(fā)電量的問題；為了解決補燃鍋爐受熱面匹配、與余熱鍋爐的關(guān)系及補燃鍋爐主蒸汽調(diào)溫措施的問題，在天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院內(nèi)建設(shè)運行了一套2000t/d預(yù)分解窯6000kW補燃電站1:20的模型實驗線。
● 為了摸清水泥窯立式余熱鍋爐在實際生產(chǎn)運行中的結(jié)構(gòu)、熱力、傳熱特性及對于廢氣溫度、廢氣粉塵的適應(yīng)性，結(jié)合模型實驗線內(nèi)的實驗用立式余熱鍋爐的運行情況，驗證實驗結(jié)果，為蘇州南新水泥有限公司700t/d中空窯6000kW 800～900℃廢氣溫度的高溫余熱電站實驗研制了國內(nèi)首臺水泥窯高溫立式余熱鍋爐。在實際生產(chǎn)運行過程中經(jīng)過對該臺余熱鍋爐的三次局部更改，自1996年實現(xiàn)了均噸熟料余熱發(fā)電量為6562KJ/kg—173kW.h/t、小時噸熟料余熱發(fā)電量為6562KJ/kg—192kW.h/t的國內(nèi)最高指標(biāo)（比其它同規(guī)模、同類型水泥窯的臥式余熱鍋爐余熱電站在熟料熱耗相同的條件下，余熱發(fā)電量提高20%以上），達到了預(yù)期目的，為中低溫余熱電站余熱鍋爐的設(shè)計、制造奠定了理論及實用技術(shù)基礎(chǔ)。
● 利用課題開發(fā)成果建設(shè)投產(chǎn)了兩條工業(yè)實驗用以煤粉為燃料的帶補燃鍋爐的中低溫余熱電站，其一為魯南水泥廠兩條2000t/d帶有四級預(yù)熱器的預(yù)分解窯一臺12000kW凝汽式汽輪發(fā)電機的補燃余熱電站；其二為北京琉璃河水泥廠一條2000t/d帶有五級預(yù)熱器的預(yù)分解窯一臺12000kW抽汽供熱式汽輪發(fā)電機組的補燃余熱電站，兩個余熱電站先后于1996年下半年投入生產(chǎn)運行。
● 通過對上述各項工作的理論總結(jié)及上述幾個實際工程生產(chǎn)運行過程中存在問題的分析總結(jié)，考慮國家資源綜合利用政策及水泥廠具有將補燃電站運行過程中補燃鍋爐產(chǎn)生的爐渣、粉煤灰做為水泥生產(chǎn)用原料的特點，在上述幾個余熱電站工程已經(jīng)正常投入生產(chǎn)運行的基礎(chǔ)上，將以煤粉為燃料的補燃鍋爐升級為以煤矸石等劣質(zhì)燃料為燃料的流化床補燃鍋爐后為湖北葛州壩水泥廠一條700t/d帶有五級預(yù)熱器的預(yù)分解窯及一條2000t/d帶有五級預(yù)熱器的預(yù)分解窯配套建設(shè)了一臺12000kW凝汽式煤矸石補燃中低溫余熱電站。
在湖北葛州壩水泥廠中低溫余熱電站啟動調(diào)試過程中，經(jīng)過對流化床補燃鍋爐所存在具體技術(shù)問題的進一步分析研究并通過整頓改造使整套電站于1999年10月投入正常生產(chǎn)運行。此舉標(biāo)志著天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院所承擔(dān)的“八五”國家重大科技攻關(guān)課題—《帶補燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備的研究開發(fā)》任務(wù)及對課題開發(fā)成果進行技術(shù)升級的任務(wù)已全面完成。在解決了課題所確定的六個重點問題的基礎(chǔ)上形成了完整的課題開發(fā)成果《帶補燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備》，同時形成了完整的中低溫余熱電站工程設(shè)計思想及各項具體技術(shù)措施（包括裝備），為余熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)及裝備技術(shù)的進一步發(fā)展、實現(xiàn)純中低溫余熱發(fā)電及裝備技術(shù)在水泥工業(yè)的推廣應(yīng)用奠定了理論及實際生產(chǎn)運行技術(shù)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院分別為河南七里崗水泥廠一條700t/d及一條1000t/d帶有五級預(yù)熱器的預(yù)分解窯、黑龍江省牡丹江水泥廠一條2000t/d帶有四級預(yù)熱器的預(yù)分解窯、杭州錢潮建材股份有限公司1000t/d帶有五級預(yù)熱器的預(yù)分解窯配套建設(shè)了以流化床為補燃鍋爐的一臺7500kW（七里崗）凝汽式汽輪發(fā)電機組、一臺12000kW（牡丹江）抽汽供熱式汽輪發(fā)電機組、一臺4500kW（杭州錢潮）混壓進汽式（補汽式）汽輪發(fā)電機組的中低溫余熱電站，同時為河南洛陽水泥廠、吉林雙陽水泥廠、新疆屯河水泥公司配套設(shè)計以流化床為補燃鍋爐的補燃中低溫余熱電站。
● 天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院在進行上述帶補燃鍋爐的課題研究開發(fā)工作的同時，為了切實了解并掌握國外先進工業(yè)國家純中低溫余熱發(fā)電裝備技術(shù)情況，1995年承擔(dān)了由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）贈送全套純中低溫余熱發(fā)電設(shè)備的安徽寧國水泥廠4000t/d帶有四級預(yù)熱器預(yù)分解窯的6480kW純中低溫余熱發(fā)電工程的可行性研究報告、施工圖設(shè)計、施工駐廠報務(wù)任務(wù)并參與了日方贈送設(shè)備的具體談判工作。該電站于1997年投入正常生產(chǎn)運行，經(jīng)過對窯頭熟料冷卻機冷卻風(fēng)系統(tǒng)進行改造后（改造為循環(huán)風(fēng)，使冷卻機余風(fēng)由200℃～300℃提高至360℃），僅利用窯頭熟料冷卻機廢氣余熱（165300Nm3/h--360℃↓91℃）及窯尾預(yù)熱器廢氣余熱（258550Nm3/h——350℃↓250℃）實現(xiàn)了發(fā)電6480kW的目的。在這套純余熱發(fā)電技術(shù)裝備中，采用的汽輪機為適于水泥窯廢氣余熱品位及余熱分布的二級混壓進汽式汽輪機，其原理及參數(shù)見圖一。
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