抓紧机遇自主创新我国水泥工业余热发电新技术

    我国水泥工业余热发电技术经历了20多年的奋斗历程，至今已取得了较显著的成果，值得庆贺。回顾其发展进程，我们主要经历了三个不同的阶段及技术水平。上世纪80年代，主要是恢复利用中空干法水泥窑的高温废气余热发电，水泥窑的熟料热耗很高，余热锅炉及发电机组的效率却很低。上世纪90年代开始将余热发电的研发转向PC窑（新型干法窑）上，主要采用补燃技术辅助PC窑废气余热进行发电。PC窑的熟料热耗虽然减少了很多，但是补燃锅炉仍然消耗了一些燃煤。整体余热回收及其发电效率虽有较大提高，但仍有诸多改进空间。从2000年开始，我们把主攻目标锁定为纯PC窑低温废气的余热发电技术上，无需补燃，就可以回收较多的电能。这是一项重要的技术进步，是水泥工业余热发电技术质的飞跃。

 

    现今我国水泥工业已投产的补燃发电系统近30套；纯低温余热发电系统有20余套；在建的约50套；拟建的还有近60套。按照我国2010年40%以上的PC窑都将实施纯低温余热发电技术的计划，除已投产的和已在建的项目以外，预计我国截止2010年底还需新建和改造的有近200套。届时余热发电回收的电能将达全国水泥工业总电耗的10%左右。这200套纯低温余热发电设施的总投资将超过100亿元，其回收的电能换算成水泥工业每年CO₂的减排量为675万吨，以我国申报CDM 项目国际碳排放交易的均价计，相当于每年可增收6000万欧元。所以这对于有关的装备供应商，工程设计或总承包公司以及国际CO₂排放权交易来说，都是一个很大的市场。

 

    笔者1996年提出的水泥工业可持续发展的“四零一负”战略至今已10年有余，通过国际和国内的大量实践，“四零一负”战略已由当初的发展苗头与大胆设想成长为明确的趋势和奋斗目标，其中有些目标在德国、日本、美国以及北欧诸国已基本实现或实现了将近一半。预计在2010—2012之间，德国水泥工业很可能会率先基本实现“四零一负”目标，其他的欧、日、美等国可望在2015年内相继实现。我国水泥工业在2020年前也会基本达到“四零一负”的目标。

 

所谓“四零一负”战略，其具体内容为：

1、水泥工业和生态环境和谐共处，水泥企业对其周围生态环境完全实现零污染；

2、创新水泥工艺和余热回收技术，降低熟料（或水泥）单位电耗，提高单位熟料余热发电量，实现熟料（或水泥）企业对外界电能的零消耗；

3、水泥企业完全实现废料、废渣、废水的零排放；

4、降低熟料单位热耗，开发利用各种替代燃料，实现熟料生产对天然矿物燃料（煤、油、天然气）的零消耗；

5、节约资源，扩大利废功能，消纳各种废弃物，减轻环境负荷，为全社会的各种工业废渣、废料以及城市垃圾的增长做出应有的贡献。

 

    可以看出，纯低温余热发电技术的具体目标就是，在水泥窑熟料单位热耗≤4.18×750kJ/kg的前提下，尽可能提高单位熟料的净发电能力。首先要争取早日实现的是，吨熟料发电量达到熟料的单位电耗，即50kwh/t，两者持平。这样就实现了熟料生产对外界电能的零消耗。进一步还要争取尽可能地增加发电量，努力实现吨熟料发电量与水泥的单位电耗能基本持平。此外还必须具有相当的远见，准备应对今后熟料单位热耗可能会降到4.18×700kJ/kg的条件下而维持吨熟料发电量基本不变或不致减少太多的挑战。

 

     当今世界上日产熟料5000吨PC窑生产线，其熟料单位电耗为52-58kWh/t，我国新建的5000t/d厂的约55kWh/t左右。随着第四代固定篦板熟料冷却机、大中型风机变频调速技术的大量推广应用，以及预热器、分解炉和回转窑等各种节能技术的开发应用。笔者预计熟料单位电耗在今后的3-5年内很可能会降到50kWh/t左右，届时如果水泥窑纯低温余热的净发电量也能达到吨熟料50kWh的话。那么熟料生产对外界电能的零消耗也就付诸实现了。现在正值我国水泥工业的大好机遇，相信在目前已经取得较大成果的基础上，经过3-5年再接再厉的努力创新和实践，现今我国已经是世界上有望首先达到这一电能零消耗的少数几个国家之一。

 

     我国水泥工业纯低温余热发电技术现正处于蓬勃发展之际，巨大的市场需求给我国自主创新提供了绝佳的研发与实践的机遇，这是德、日、美等发达国家所没有的客观条件，也是我国在这项技术上创造世界最先进水平的良机，我们一定要把握住。

 

     目前，我国水泥工业纯低温余热发电技术，其热力系统的构成主要有如下三种模式：

     1、单压系统——SP炉和AQC炉生产相同或相近参数的主蒸汽（相对较低的压力和温度），两者混合后进入单级进汽式汽轮机，属单压不补汽型。

     2、复合闪蒸系统——采用补汽式汽轮机的复合闪蒸单级补汽系统，AQC炉生产主蒸汽的同时产生高温热水，再将高温热水降压产生二次蒸汽补入汽轮机，主蒸汽仍属低压低温范围。

     3、双压补汽系统——采用补汽式汽轮机的双压单级补汽系统，AQC炉产生两种不同压力的蒸汽，高压的为主蒸汽，低压的则用于补汽。主蒸汽参数属次中压中温范围。AQC炉由熟料蓖冷机的一处或多处取气，或同时采用蓖冷机循环风等措施。

 

     实践表明，以上三种模式可以适用于各种不同的具体需求，很难定论孰优孰劣。但是一般而言，在水泥原燃料性能、水泥工艺装备配置及其生产操作条件基本相同的情况下，吨熟料的余热发电量是单压系统的较低，闪蒸系统的居中，双压系统的较高或者可以达到相当高的程度。此外，这三种热力系统对水泥窑生产操作参数波动的适应性及其系统内部参数间的可调性与协调性也有所差异。同样地也是双压优于闪蒸，闪蒸优于单压，大体上可以这样认为，具体情况仍须具体分析。

 

    当前面临的最关键的问题是，在熟料热耗4.18×750 kJ/kg的条件下，我国自主研发的水泥工业吨熟料的余热发电量实际上绝大多数均为28-32kwh/t之间，与理论计算值38-42kwh/t还有很大的差距，亟须深入研究，有待大幅提高。

 

    最近，我们高兴地看到已经出现了一些新的探索和实践，旨在基本不增加熟料单位热耗的前提下，谋求从蓖冷机、预热器和窑头胴体等处获取少量高温气体来提高吨熟料余热发电能力的工业试验，有的已初显成效，有的正在准备实施，前景看好，令人期待。

 

     应该指出，我国从事这一业务的有关企业都要恪守职业操守，尽管各自的技术理念和路线可能略有不同，但必须相互尊重，取长补短，共同提高，争取在竞争中实现合作，达到共赢。目前，任何一家企业，无论其采取怎样的技术措施，只要能实实在在地把吨熟料的年平均净发电量稳定在40kwh/t以上，意即解决了上述关键问题，这就是一项重大的成绩，都值得鼓励和称赞。希望大家共勉：事实胜于雄辩，事实是最有说服力的法宝，让我们大家共同努力吧！

 

四．国际水泥工业余热发电技术发展现状

     国际水泥工业余热发电技术最先进的德国和日本，近十几年来国内建筑业持续萎缩，水泥需求逐年下滑，德日两国1996年的本国水泥消费量分别由3550万吨和8400万吨，锐减为2006年的2600万吨和6000万吨，分别下降了27%和29%。导致有些水泥厂纷纷关闭，技术人员大批流失。水泥工业处于一片不景气之中，大大地阻碍了余热发电技术的发展进程。例如日本，实际上完全就是在勉强维持着，十几年来可以说基本上没有进展。近年日本的经济形势虽稍显逆转，但是他们拿到中国来推销的水泥工业余热发电技术大部仍停留在10年前的水平。

 

    相反地，德国水泥界应对这种不景气的挑战，心态十分积极。首先是从1996年的进口水泥628万吨，逐渐转变为2006年的出口水泥450万吨。维持了本国水泥年生产量约3000万吨基本不变的局面。同时积极推进“四零一负”的各项目技术措施和法规建设，取得了卓越成效。即使在资金十分困难的情况下，1999年在巴伐利亚州（现拜恩州）海德堡水泥公司所属的Lengfurt水泥厂的一台日产3000吨的熟料蓖冷机上采用了以色列ORMAT公司的新装备新技术。这是一套以有机工质戊烷（C₅H₁₂）汽轮机和导热油为热载体的余热锅炉组成的利用冷却机废气余热的发电系统，装机1.5MW。至今已正常运转了8年。按照这套系统长期生产参数推算，如果将这台3000t/d PC窑的全部废气余热都用上，则其吨熟料发电量将达45-50kWh/t。显然比我国现有的水平高出一大块。碍于非技术的原因，他们至今仍苦于缺乏市场机遇来证明这一推论的正确可行。

 

     至于美国早在上世纪90年代初，美国电气与电子工程师学会（IEEE）的水泥工业委员会联合美国能源部门曾发起过一个动议，计划在10-15年（即2000-2005年）内实现水泥工业吨熟料余热发电量达50-60kWh/t的目标。后来也是因其建筑业的不景气而使这个计划付之东流。但是在上世纪90年代后期，美国Recurrent工程公司开发了一个名谓Kalina系统的工业废热回收发电系统。它是用氨（NH₃）和水的混合液为工质的汽轮机来发电的。Kalina系统已经在美国钢铁厂和化工厂通过了中试，正意欲进入水泥工业市场。要据Recurrent公司的初步报价书，以日产3000吨熟料生产线为例，其锅炉及汽轮机等全套设备费用约1000万美元，装机9-10MW，按常规从窑尾预热器和蓖冷机抽取废气，吨熟料发电量的保证值为50-60kwh/t，视各水泥厂的具体情况而异。同样，该公司也正在到处寻求买家，声称这是一项最先进而且可靠的新技术。

 

     很明显，以色列的ORMAT和美国的Kalina系统所采用的有机工质的发电量都较我国现有的水工质的高，而且他们的技术装备是基本成熟可靠的。基于我国的实际情况，笔者认为，首先我们应该继续关注它们的发展势态，及时掌握第一手信息。其次，目前无须考虑引进。不仅是其要价太高，更有将我国已具成效的技术发展路线引向有机工质的方向，进而在技术装备上受控于他人之风险。第三，坚持我国的自主创新，研发成符合我国实际国情的高效率的水泥工业余热发电系统，抓紧水泥工业大发展的机遇，相信我国有能力有实力在不久的将来必将胜利实现重大的突破，吨熟料发电量达到50kWh/t以上。

 

 

参改文献

1、高长明：论水泥工业可持续发展战略。﹤水泥技术﹥1997.（1）；1-6

2、高长明：现代水泥工业的节能与二次能源回收技术。﹤水泥﹥1998，（3）；1-7

3、高长明：水泥工业低温余热发电技术现状。

预分解窑水泥生产技术及进展。 化学工业出版社2006；225-226