本文以大量翔實的資料論述了我國水泥工業低溫余熱發電技術及裝備的開發研制過程、現狀及最新動態，介紹了我國水泥工業中低溫余熱發電系統的基本情況、發展趨勢和存在的問題，提出了適于我國水泥工業的中低溫余熱發電系統技術，同時也提出了水泥生產工藝技術如何與純低溫余熱發電技術進一步結合以進一步降低水泥生產綜合能耗提高經濟效益的命題，相信本文對二十一世紀我國水泥工業工藝、裝備技術及余熱發電系統、裝備技術的開發工作將有重要參考價值。
1 中低溫余熱發電技術及裝備的研制過程與現狀
我國水泥窯余熱發電技術源于二十世紀三十年代日本人在我國東北及華北地區建設的若干條中空窯高溫余熱發電技術及裝備，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電系統的發電能力為每噸熟料100kW～130kW。二十一世紀八十年代末，根據水泥工業節能降耗提高企業經濟效益的需要結合新型干法水泥熟料煅燒技術的發展、水泥生產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項目《水泥廠中低溫余熱發電工藝及裝備的研究開發》工作。針對這一項目，根據當時國內汽輪機設計、制造、材料技術的限制，國家建材局確定：項目的開發工作走兩條技術線路，其一：利用國產標準系列的汽輪機開發研制帶補燃鍋爐的中低溫余熱發電工藝及裝備，即國家建材局委托天津水泥工業設計研究院承擔的“八五”國家重大科技攻關項目課題——《帶補燃鍋爐的中低溫余熱發電工藝及裝備的研究開發》；其二：開發研制適于水泥廠純中低溫余熱發電的特種汽輪機，即國家建材局委托中國建筑材料科學研究承擔的“八五”國家重大科技攻關項目課題——《雙流低溫余熱發電系統及螺桿膨脹機的研究開發》。
就上述兩個課題，天津水泥工業設計研究院、中國建筑材料科學研究院分別開展了各自的各項目具體工作。
對于天津水泥工業設計研究院：
根據其所承擔的課題任務，經過對熱能動力循環理論及在此之前已經做過的多個中空窯高溫余熱發電工程中系統及裝備所存在問題、生產運行結果的細致分析和總結，結合新型干法水泥生產線的工藝特點、廢氣余熱品位、廢氣余熱分布、水泥生產系統與余熱發電系統結合起來后的復雜性，確定了課題開發工作的重點集中于如下幾個方面：（1）余熱電站的熱力系統配置研究；（2）余熱電站內各余熱鍋爐及補燃鍋爐的研制；（3）水泥生產系統與余熱電站系統間管理、操作及安全保護系統的研究與措施；（4）余熱電站汽水管道配置及鍋爐給水除氧系統的研究；（5）余熱電站控制思想及計算機控制系統的研究；（6）帶補燃的中低溫余熱電站與純中低溫余熱電站節能效果及投資效益的比較研究。在確定上述研究開發工作重點的同時，確定了課題研究開發成果的應用方向——：1）利用課題開發成果為具有150℃至450℃廢氣余熱的水泥生產企業建設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研制成功，課題開發成果取消補燃鍋爐后直接采用特種汽輪機以實現純中低溫余熱發電。
天津水泥工業設計研究院經過十年的艱苦努力全面完成了課題開發工作任務，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研制任務，在近十年內：
● 為了確定經濟、合理、高效的熱力系統及電站汽水管路配置和除氧系統；為了解決余熱鍋爐所存在的磨損、漏風、集灰、爐內換熱過程不清、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、與余熱鍋爐的關系及補燃鍋爐主蒸汽調溫措施的問題，在天津水泥工業設計研究院內建設運行了一套2000t/d預分解窯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運行中的結構、熱力、傳熱特性及對于廢氣溫度、廢氣粉塵的適應性，結合模型實驗線內的實驗用立式余熱鍋爐的運行情況，驗證實驗結果，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首臺水泥窯高溫立式余熱鍋爐。在實際生產運行過程中經過對該臺余熱鍋爐的三次局部更改，自1996年實現了均噸熟料余熱發電量為6562KJ/kg—173kW.h/t、小時噸熟料余熱發電量為6562KJ/kg—192kW.h/t的國內最高指標（比其它同規模、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，余熱發電量提高20%以上），達到了預期目的，為中低溫余熱電站余熱鍋爐的設計、制造奠定了理論及實用技術基礎。
● 利用課題開發成果建設投產了兩條工業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帶有四級預熱器的預分解窯一臺12000kW凝汽式汽輪發電機的補燃余熱電站；其二為北京琉璃河水泥廠一條2000t/d帶有五級預熱器的預分解窯一臺12000kW抽汽供熱式汽輪發電機組的補燃余熱電站，兩個余熱電站先后于1996年下半年投入生產運行。
● 通過對上述各項工作的理論總結及上述幾個實際工程生產運行過程中存在問題的分析總結，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生的爐渣、粉煤灰做為水泥生產用原料的特點，在上述幾個余熱電站工程已經正常投入生產運行的基礎上，將以煤粉為燃料的補燃鍋爐升級為以煤矸石等劣質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帶有五級預熱器的預分解窯及一條2000t/d帶有五級預熱器的預分解窯配套建設了一臺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試過程中，經過對流化床補燃鍋爐所存在具體技術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月投入正常生產運行。此舉標志著天津水泥工業設計研究院所承擔的“八五”國家重大科技攻關課題—《帶補燃鍋爐的中低溫余熱發電工藝及裝備的研究開發》任務及對課題開發成果進行技術升級的任務已全面完成。在解決了課題所確定的六個重點問題的基礎上形成了完整的課題開發成果《帶補燃鍋爐的中低溫余熱發電工藝及裝備》，同時形成了完整的中低溫余熱電站工程設計思想及各項具體技術措施（包括裝備），為余熱發電系統技術及裝備技術的進一步發展、實現純中低溫余熱發電及裝備技術在水泥工業的推廣應用奠定了理論及實際生產運行技術基礎。在此基礎上，天津水泥工業設計研究院分別為河南七里崗水泥廠一條700t/d及一條1000t/d帶有五級預熱器的預分解窯、黑龍江省牡丹江水泥廠一條2000t/d帶有四級預熱器的預分解窯、杭州錢潮建材股份有限公司1000t/d帶有五級預熱器的預分解窯配套建設了以流化床為補燃鍋爐的一臺7500kW（七里崗）凝汽式汽輪發電機組、一臺12000kW（牡丹江）抽汽供熱式汽輪發電機組、一臺4500kW（杭州錢潮）混壓進汽式（補汽式）汽輪發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。
● 天津水泥工業設計研究院在進行上述帶補燃鍋爐的課題研究開發工作的同時，為了切實了解并掌握國外先進工業國家純中低溫余熱發電裝備技術情況，1995年承擔了由日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）贈送全套純中低溫余熱發電設備的安徽寧國水泥廠4000t/d帶有四級預熱器預分解窯的6480kW純中低溫余熱發電工程的可行性研究報告、施工圖設計、施工駐廠報務任務并參與了日方贈送設備的具體談判工作。該電站于1997年投入正常生產運行，經過對窯頭熟料冷卻機冷卻風系統進行改造后（改造為循環風，使冷卻機余風由200℃～300℃提高至360℃），僅利用窯頭熟料冷卻機廢氣余熱（165300Nm3/h--360℃↓91℃）及窯尾預熱器廢氣余熱（258550Nm3/h——350℃↓250℃）實現了發電6480kW的目的。在這套純余熱發電技術裝備中，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，其原理及參數見圖一。
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