本文以大量翔實(shí)的資料論述了我國(guó)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(dòng)態(tài)，介紹了我國(guó)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(shì)和存在的問題，提出了適于我國(guó)水泥工業(yè)的中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)，同時(shí)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(jìn)一步結(jié)合以進(jìn)一步降低水泥生產(chǎn)綜合能耗提高經(jīng)濟(jì)效益的命題，相信本文對(duì)二十一世紀(jì)我國(guó)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(jià)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(guó)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(guó)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(jì)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(guó)家在“八·五”期間安排了國(guó)家重大科技攻關(guān)項(xiàng)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(duì)這一項(xiàng)目，根據(jù)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、制造、材料技術(shù)的限制，國(guó)家建材局確定：項(xiàng)目的開發(fā)工作走兩條技術(shù)線路，其一：利用國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)系列的汽輪機(jī)開發(fā)研制帶補(bǔ)燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備，即國(guó)家建材局委托天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)的“八五”國(guó)家重大科技攻關(guān)項(xiàng)目課題——《帶補(bǔ)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(jī)，即國(guó)家建材局委托中國(guó)建筑材料科學(xué)研究承擔(dān)的“八五”國(guó)家重大科技攻關(guān)項(xiàng)目課題——《雙流低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)及螺桿膨脹機(jī)的研究開發(fā)》。
就上述兩個(gè)課題，天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院、中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院分別開展了各自的各項(xiàng)目具體工作。
對(duì)于天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院：
根據(jù)其所承擔(dān)的課題任務(wù)，經(jīng)過對(duì)熱能動(dòng)力循環(huán)理論及在此之前已經(jīng)做過的多個(gè)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(yùn)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(diǎn)、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(diǎn)集中于如下幾個(gè)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(bǔ)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(hù)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究；（6）帶補(bǔ)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(diǎn)的同時(shí)，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(bǔ)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(jī)開發(fā)研制成功，課題開發(fā)成果取消補(bǔ)燃鍋爐后直接采用特種汽輪機(jī)以實(shí)現(xiàn)純中低溫余熱發(fā)電。
天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)在國(guó)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(jì)、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(bǔ)燃鍋爐受熱面匹配、與余熱鍋爐的關(guān)系及補(bǔ)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(jì)研究院內(nèi)建設(shè)運(yùn)行了一套2000t/d預(yù)分解窯6000kW補(bǔ)燃電站1:20的模型實(shí)驗(yàn)線。
● 為了摸清水泥窯立式余熱鍋爐在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中的結(jié)構(gòu)、熱力、傳熱特性及對(duì)于廢氣溫度、廢氣粉塵的適應(yīng)性，結(jié)合模型實(shí)驗(yàn)線內(nèi)的實(shí)驗(yàn)用立式余熱鍋爐的運(yùn)行情況，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)水泥窯高溫立式余熱鍋爐。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中經(jīng)過對(duì)該臺(tái)余熱鍋爐的三次局部更改，自1996年實(shí)現(xiàn)了均噸熟料余熱發(fā)電量為6562KJ/kg—173kW.h/t、小時(shí)噸熟料余熱發(fā)電量為6562KJ/kg—192kW.h/t的國(guó)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(dá)到了預(yù)期目的，為中低溫余熱電站余熱鍋爐的設(shè)計(jì)、制造奠定了理論及實(shí)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(shí)驗(yàn)用以煤粉為燃料的帶補(bǔ)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(jí)預(yù)熱器的預(yù)分解窯一臺(tái)12000kW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)的補(bǔ)燃余熱電站；其二為北京琉璃河水泥廠一條2000t/d帶有五級(jí)預(yù)熱器的預(yù)分解窯一臺(tái)12000kW抽汽供熱式汽輪發(fā)電機(jī)組的補(bǔ)燃余熱電站，兩個(gè)余熱電站先后于1996年下半年投入生產(chǎn)運(yùn)行。
● 通過對(duì)上述各項(xiàng)工作的理論總結(jié)及上述幾個(gè)實(shí)際工程生產(chǎn)運(yùn)行過程中存在問題的分析總結(jié)，考慮國(guó)家資源綜合利用政策及水泥廠具有將補(bǔ)燃電站運(yùn)行過程中補(bǔ)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(diǎn)，在上述幾個(gè)余熱電站工程已經(jīng)正常投入生產(chǎn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，將以煤粉為燃料的補(bǔ)燃鍋爐升級(jí)為以煤矸石等劣質(zhì)燃料為燃料的流化床補(bǔ)燃鍋爐后為湖北葛州壩水泥廠一條700t/d帶有五級(jí)預(yù)熱器的預(yù)分解窯及一條2000t/d帶有五級(jí)預(yù)熱器的預(yù)分解窯配套建設(shè)了一臺(tái)12000kW凝汽式煤矸石補(bǔ)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(dòng)調(diào)試過程中，經(jīng)過對(duì)流化床補(bǔ)燃鍋爐所存在具體技術(shù)問題的進(jìn)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(yùn)行。此舉標(biāo)志著天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院所承擔(dān)的“八五”國(guó)家重大科技攻關(guān)課題—《帶補(bǔ)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(duì)課題開發(fā)成果進(jìn)行技術(shù)升級(jí)的任務(wù)已全面完成。在解決了課題所確定的六個(gè)重點(diǎn)問題的基礎(chǔ)上形成了完整的課題開發(fā)成果《帶補(bǔ)燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備》，同時(shí)形成了完整的中低溫余熱電站工程設(shè)計(jì)思想及各項(xiàng)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(jìn)一步發(fā)展、實(shí)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(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行技術(shù)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)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(jí)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(jí)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(jí)預(yù)熱器的預(yù)分解窯配套建設(shè)了以流化床為補(bǔ)燃鍋爐的一臺(tái)7500kW（七里崗）凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組、一臺(tái)12000kW（牡丹江）抽汽供熱式汽輪發(fā)電機(jī)組、一臺(tái)4500kW（杭州錢潮）混壓進(jìn)汽式（補(bǔ)汽式）汽輪發(fā)電機(jī)組的中低溫余熱電站，同時(shí)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(jì)以流化床為補(bǔ)燃鍋爐的補(bǔ)燃中低溫余熱電站。
● 天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院在進(jìn)行上述帶補(bǔ)燃鍋爐的課題研究開發(fā)工作的同時(shí)，為了切實(shí)了解并掌握國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)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(jī)構(gòu)（NEDO）贈(zèng)送全套純中低溫余熱發(fā)電設(shè)備的安徽寧國(guó)水泥廠4000t/d帶有四級(jí)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(bào)告、施工圖設(shè)計(jì)、施工駐廠報(bào)務(wù)任務(wù)并參與了日方贈(zèng)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(yùn)行，經(jīng)過對(duì)窯頭熟料冷卻機(jī)冷卻風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造后（改造為循環(huán)風(fēng)，使冷卻機(jī)余風(fēng)由200℃～300℃提高至360℃），僅利用窯頭熟料冷卻機(jī)廢氣余熱（165300Nm3/h--360℃↓91℃）及窯尾預(yù)熱器廢氣余熱（258550Nm3/h——350℃↓250℃）實(shí)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(jī)為適于水泥窯廢氣余熱品位及余熱分布的二級(jí)混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)，其原理及參數(shù)見圖一。
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