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

水泥工业纯低温余热发电

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

作者:唐金泉单位:天津水泥工业设计研究院 [2000-12-26]

关键字:纯低温-余热发电

摘要:面向二十一世纪的水泥工业纯低温余热发电技术及装备

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

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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。

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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。

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作者:唐金泉单位:天津水泥工业设计研究院 [2000-12-26]

关键字:纯低温 余热发电 技术及装备

摘要:面向二十一世纪的水泥工业纯低温余热发电技术及装备

上述这台汽轮机无论其结构方式还是参数配置国内是没有先例的（在中小型汽轮机设计制造方面，在本文发表之前，国内仅能生产一个进汽口—即仅为主进汽口的汽轮机，其主进汽参数为1.2～1.6MPa-280～340℃、

1.3MPa-340℃、1.6MPa-350℃、2.4MPa-400℃、3.43MPa-435℃等），该台汽轮机整机内效率为77.5%，连同发

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电机在内的总效率为75.5%。该工程日方所赠送的全套设备造价约合15亿日元，宁国水泥厂配套资金约2800万元人民币。

● 为了实现国产化装备的纯中低温余热发电技术的应用，天津水泥工业设计研究院在充分消化吸收日本人赠送给安徽宁国水泥厂纯中低温余热发电全套设备中的混压进汽式汽轮机设计、制造技术后，由于中国建筑材料科学研究院承担的“八五”国家重点科技攻关课题《双流低温余热发电系统及螺杆膨胀机的研究开发》工作遇到了困难。天津水泥工业设计研究院1997年承担了国家建材局部门研究开发项目——也为中国建筑材料科学研究院“八五”国家重大科技攻关课题的延续项目——《水泥厂中低温余热发电专用设备——混压进汽式汽轮机的研究开发》项目。经过近两年的研究、实验，首台样机——4500kW补汽式汽轮应用于杭州钱潮建材股份有限公司1000t/d带五级预热器的预分解窑4500kW以流化床锅炉为补燃锅炉的中低温余热电站（该电站之所以仍采用补燃发电，主要考虑：一旦混压进汽即补汽不成功，将补汽系统自发电热力系统中切除后，电站仍能正常运行发电，除电站经济效益略差外，不至于使电站不能生产运行而给水泥厂造成更大的损失），该电站（包括混压进汽系统）于2000年7月1日并网发电成功至9月6日全套电站通过生产运行考核，其汽轮机原理及参数见图二。

这台汽轮机的整机内效率达到了73.4%，连同发电机在内的总效率达到了70.5%，其结构方式及参数配置达到了国外先进工业国家二十世纪九十年代中期水平并填补了国内机械制造行业的空白，同时该台设备造价（含发电机）仅为242万元人民币，相当于日本人同规模机组造价的25%。这台机组的研制成功，为实现我国水泥工业纯中低温余热电站全套装备的国产化、为在国内水泥工业推广应用纯中低温余热发电技术奠定了坚实的装备设备、制造技术基础。（即将该台机组的补汽技术应用到国产进汽参数为1.2～1.6MPa-280～340℃的一个进汽口标准汽轮机后，可生产出适于水泥窑纯中低温余热发电所需的特种汽轮机—低参数混压进汽式汽轮机，与带补燃锅炉的中低温余热发电工艺及装备技术结合后取消补燃锅炉，形成完整的水泥窑纯中低温余热发电技术及装备并可保证安全、稳定、经济、高效地投入生产运行）将在国内水泥工业二十一世纪中低温余热电站系统设计、装备技术设计及制造、国产化纯中低温余热发电技术的推广应用引进革命性变化，与新型干法水泥生产技术、带补燃锅炉的中低温余热发电技术的推广应用有同等重要的意义。

经过天津水泥工业设计研究院及国内水泥生产企业、余热发电各类装备制造企业的十余年的共同努力，我国水泥工业能够安全、可靠、经济、高效地采用如下三种类型的余热发电技术及装备：（1）利用水泥窑150℃～900℃的高、中、低温废气余热进行发电，其发电能力可以达到——在每公斤水泥熟料热耗为6562KJ的条件下，每吨水泥熟料发电能力大于195kW；（2）利用流化床补燃锅炉技术，将水泥窑150℃～450℃的中、低温废气余热全部回收并用以发电，根据废气余热温度的不同，余热发电能力可以达到每吨水泥熟料32～48kW；（3）利用纯中低温余热发电技术，将水泥窑150℃～450℃的废气余热全部转换为热能，根据废气余热温度的不同，在

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熟料热耗不变的条件下，每吨水泥熟料余热发电能力为32～48kW。

对于中国建筑科学研究院：

根据其所承担的课题任务，中国建筑材料科学研究院汇同天津大学等有关单位对双流低温余热发电系统及螺杆式膨胀机进行了大量的实验研究工作，先后在实验室内研究开发成功了5kW及150kW的两相流螺杆式膨胀机并开发制造出了600kW样机，其整机内效率达到了60%。由于国内设计、制造、材料技术水平的限制，螺杆膨胀机的大型化问题目前遇到了暂时难以克服的困难。由于单台机组发电能力的限制，使其难以在实际工程中推广应用，因此目前这项技术的研究开发工作处于停顿状态。

对于南京水泥工业设计研究院：

“八五”期间，南京水泥工业设计研究院没有承担国家的余热发电技术攻关任务，但其在水泥窑纯中低温余热发电技术及装备的研究、开发方面同样做了积极的、有意义的探索，为江西万年水泥厂2000t/d带有四级预热器的预分解窑利用窑尾约180000Nm3/h—410℃及窑头熟料冷却机约140000 Nm3/h——250℃的废气余热设计投产了一套3000kW（汽轮机为：一个进汽口的国产标准汽轮机，其进汽参数为1.2MPa-280℃）纯中低温余热电站。尽管由于当时国产汽轮机的限制及其它设备、热力系统配置技术的限制，使该条水泥窑具备的3600kW余热发电能力仅能达到实际生产运行的2000～2400kW，但确为纯中低温余热电站国产化装备在水泥企业的设计、生产运行提供了可以借鉴的经验，也为实现纯中低温余热电站系统配置技术及装备设计、制造国产化贡献了力量。

综上所述，经过十余年的艰苦努力，我国水泥工业无论是高温，还是中温、低温废气余热可全部回收转换为电能并实现了余热发电工艺及装备的国产化目标，为二十一世纪我国水泥工业中低温余热发电技术及装备在水泥、钢铁、冶金、化工等行业的推广应用奠定了坚实的设计技术、装备设计及制造技术、生产运行管理技术、自动控制技术基础，为我二十一世纪节能技术的进一步发展创造了条件

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作者:唐金泉单位:天津水泥工业设计研究院 [2000-12-26]

关键字:纯低温-余热发电

摘要:

3 余热发电热力循环系统的发展趋势

根据上述理论分析结合实验研究及若干余热电站的实际生产运行情况，对于不同的水泥窑由于其废气温度、废气余热分布不同，余热发电热力系统的构成是不相同的，为了将废气余热最大限度地转换为电能，今后的水

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泥窑余热发热力系统应主要发展如下几种方式：

对于具有350～550℃废气同时又具的180～350℃废气的水泥窑（预分解窑、预热器窑、篦式冷却机），当仅利用余热来发电时（即纯中低温废气余热发电），其发电热力循环系统应按图九所示构成：

这个系统的主要设计思想为：利用350～550℃的废气通过锅炉N生产相对高压高温的蒸汽并做为汽轮机的主进汽，其蒸汽参数按蒸汽温度比废气温度低20～100℃、蒸汽压力保证蒸汽有100～200℃过热度同时保证出余热锅炉N的废气温度能够满足水泥生产物料烘干的要求来确定；利用350℃以下的废气通过锅炉L生产低压低温蒸汽做为汽轮机的低压进汽（补汽），同时生产80℃左右的热水（保证锅炉给水除氧效果），其蒸汽参数按蒸汽压力大于0.2MPa并保证出锅炉L的废气温度小于100℃、蒸汽温度保证具有15～50℃过热度的要求来确定。按此系统，当水泥生产物料烘干所需废气温度小于220℃时，每吨水泥熟料余热发电量根据废气温度的不同为32～120kWh。

当水泥生产物料烘干不需要废气或锅炉N的废气不能全部用于物料烘干时，发电热力循环系统应按图十所示构成。

由于锅炉N的蒸汽压力较高，其出口废气温度是不可能低于180℃的，因此其出口废气余热的回收利用价值也是很高的。按此系统，根据用于水泥生产物料烘干废气的多少，每吨水泥余热发电量可以比不带二级低压余热锅炉时提高4～8 kWh，出锅炉W的废气温度可降至100℃以下。

当水泥生产企业要求发电能力大且有煤矸石、垃圾等劣质燃料来源时，可采用带补燃锅炉的余热发电热力循环系统，见图十一。

这个系统的主要设计思想为：利用350～550℃的废气通过锅炉N生产高压饱和蒸汽及高压高温热水，其蒸汽通入补燃锅炉汽包、高温热水做为补燃锅炉给水，由于补燃锅炉为消耗燃料的锅炉，因此其蒸汽参数按火力发电厂中压、中温以上的参数要求确定。此系统符合通过理论分析所确定的确定余热发电热力循环系统的原则，其180～350℃的低温废气余热利用方式与纯中低温余热发电热力循环系统相同。

这个系统由于带有补燃锅炉，其发电装机容量是变化的，确定发电装机容量有如下两种方式：

第一种：经济型方式，即发电装机容量按水泥厂全厂总用电功率的80～90%确定。按此方式确定的装机容量对于水泥生产厂来讲，由于发电能力大，电站生产运行的经济性即水泥生产厂的获利是好的，但节能效果则不是很好。

第二种：节能型方式，即发电装机容量按技术上可能实现的最小补燃量来确定。按此方式确定的装机容量其节能效果是好的，但对水泥厂来讲由于发电能力受限，电站生产运行的经济性则不是很好。这种方式确定的装机容量，补燃锅炉在技术上可以做到的最低燃料消耗量（也即为补燃量）为275g/ kWh（标准煤）。

对于仅具有550～850℃废气的水泥窑（中空余热发电窑、带有流态化分解炉及1～2级预热器的水泥窑），

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由于水泥生产用物料的烘干大部分不用废气且熟料冷却机大部分没有废气产生，因此按确定余热发电。 热力循环系统的原则，其发电热力循环系统应按图十二所示构成。

按此系统，根据废气温度的不同每吨熟料余热发电量可以达到120～220 kWh，自锅炉L排出的废气温度可以降至100℃以下。

4 结语

经过十几年的开发、研究和若干实际工程投产运行，对于水泥窑余热发电来讲，无论是纯中低温余热发电技术、带补燃的中低温余热发电技术还是高温余热发电技术，同时在余热发电技术中无论是余热发电热力循环系统还是设备（国产化）都已成熟可靠，尤其是补汽式汽轮机的研制成功，使我国余热发电技术及装备除了汽轮机本体效率比日本人略低外，总体上的技术水平已经赶上国际先进工业国家，为我国众多的不同窑型水泥生产厂提供了可供选择的余热发电技术及装备。对于上述余热发电技术，无论是循环系统、循环工质、还是各种专用设备（余热锅炉、补燃锅炉、汽轮机、锅炉给水除氧设备等）仍然有进一步发展、提高的余地，同时也存在着余热发电技术如何与水泥熟料煅烧技术进一步结合以开发出带有中低温余热发电的更加节能的新型干法水泥生产系统的问题。本文仅就我国余热发电技术的发展过程及现状、余热发电技术的理论基础、余热发电热力循环系统今后的发展方向作了论述，关于余热发电技术的各种专用设备的发展、余热发电技术的节能及经济社会效益、余热发电技术如何与水泥熟料煅烧技术进一步结合以开发出带有中低温余热发电的更加节能的新型干法水泥生产系统的问题将另文阐述。总的目标我们认为：将水泥生产设备的节电技术与余热发电技术结合起来开发出每公斤综合能耗（热耗及电网供电量）仅相当于850×4.1868kJ热能的带有中低温余热发电的新型干法水泥生产技术是现实的、也是可能的。

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