大型干法水泥生产线纯低温余热发电技术

一、概   述
　　综合利用大型干法水泥生产线大量的中低温废气余热进行纯低温余热发电是贯彻落实科学发展观，推行循环经济的具体实践；是水泥工业实现节能降耗、清洁生产、资源综合利用和可持续发展的必由之路；推广纯低温余热发电技术适应水泥行业发展的需求，符合国家产业政策和发展趋势，具有广阔的发展空间。
　　作为中国大型干法水泥装备制造基地，充分利用公司在水泥设备、发电设备制造方面的优势，努力开拓大型干法水泥生产线纯低温余热发电市场，将引领水泥企业技术进步,在全国有巨大的推广和示范作用,并对我国水泥行业结构调整具有巨大的促进作用。
　　纯低温余热发电技术的开发，必将推动我国中小发电设备市场开发，加快纯低温余热发电装备国产化,实现主机带动战略，推动成套，纯低温余热发电技术研发将成为极具市场潜力的研发项目。
　　随着经济的高速发展、资源的减少、市场竞争的进一步加剧以及低温余热发电技术的日益成熟，高效、节能、环保的纯低温余热发电技术项目，将越来越受到人们的高度重视。
二、纯低温余热发电技术现状
　　在水泥、钢铁、建材、化工、陶瓷等行业有大量的每天24小时向外排放的低于400°C的中低温废气、废蒸汽、废热水等余热资源。它们携带的能量属于中、低温余热。如果不加以利用，则大量的余热资源就要白白的浪费掉。
　　目前的利用方式：一种是直接利用其热能满足生产或生活需要，受种种条件限制,其利用率非常低；另一种是将其转换成使用方便输送灵活的电能；可供选择的水泥窑余热发电技术大约有以下几种：
　　1）带补燃锅炉的余热发电技术。由于使用了补燃锅炉，整个系统比一个小型火力发电厂还要复杂，运行起来还要麻烦,而且小型火力发电厂效率低，污染大，浪费资源。国家已经明令不得再建小型火力发电厂。因此，为了利用低品位的余热不得不附加上一个小型火力发电厂是不合理的。
　　2）不带补燃锅炉的纯低温余热发电技术。由于没有补燃锅炉，不对环境产生附加污染,蒸汽参数较低，其运行操作简单方便，运行的可靠性和安全性高。但所用的汽轮机必须专门设计和制造。设计时要全面权衡系统各部分的得失，采用最合理的热力系统和最先进的热能工程技术，尽可能地降低投资、提高效率和发电量。这种技术对用户最有利,运行成本最低，日常的运行管理最简单。因此，对用户来说，这是负担最轻，收益最高的电站。
　　3）使用低沸点工质的工业余热发电技术。这是一个很热门的低品位热能发电技术。这种技术使用低沸点工质代替水来发电。可使用的工质有丁烷、异丁烷、氨、氟里昂等。在较低的温度下，低沸点工质仍然有较高的饱和压力，因而其比容较小。这样，蒸汽管道和汽轮机的尺寸就可以大为缩小，从而可以降低投资。这个优点对于大功率（比如说3万千瓦及以上）的机组来说是特别突出的。此时使用水作工质的机组的尺寸将过大而无法制造和运输。但是，使用低沸点工质的缺点也是显而易见的。首先，低沸点工质多数是易燃易爆或是有毒的物质，危险性大，安全问题突出。这些工质的泄漏对环境将造成污染。其次，长期运行后这些低沸点工质多数会劣化，其再生和提纯十分麻烦。因此，非不得已，一般不应考虑采用这种发电方式。
　　4）全流循环低温余热发电技术。严格的说，这种技术仅适用于热水型的余热，热水直接进入全流膨胀机膨胀作功。这与先把热水减压闪蒸出低压蒸汽，蒸汽再进入汽轮机作功的方式相比较，在理论上可以多发电30%左右。但目前这项技术还处于早期研究阶段，还存在一些难以逾越的技术困难，实用化前景比较渺茫。因此，目前暂不考虑这种发电方式。
　　国内大型干法水泥生产线纯低温余热发电技术主要有:
　　单压技术、双压技术、闪蒸技术
　　三、中信重型机械公司的纯低温余热发电技术
　　中信重型机械公司拥有一批优秀的经营管理人才和技术人才，具有从事余热回收利用工程设计、设备制造、安装调试、总承包能力。公司是国内最大的干法水泥窑成套设备制造厂,拥有一批优秀的水泥行业技术人才,精通水泥生产,同时与水泥厂有着良好的客户关系。公司下属洛阳发电设备厂是国内最早生产低温余热汽轮机的中小型汽轮机的厂家，主要从事中小型汽轮机的研制和生产。从“八五”开始，公司矿研院前身洛阳矿山机械研究所就承担了国家重点科技攻关项目<<水泥厂中低温余热发电工艺及装备的研究开发>>。并与西安交通大学合作，进行科技攻关，不断完善优化汽轮机设计制造工作，逐步形成了满足不同行业需求的不同参数的小型气轮机系列产品。近年来为适应市场需求，开发研制出多种适合中空窑余热利用、补燃电站、垃圾焚烧发电、地下煤气发电、炼焦煤汽发电等行业使用的中小型最低参数可达1.27Mpa、240℃，补汽、凝汽、抽汽、背压等各种类型汽轮机，满足市场需要。公司矿研院是国家甲级资质设计院,热力、电气、热控、给排水、土建等专业齐全,有余热电站设计业绩。这将是兴建余热发电项目的工程设计和建设的坚实条件和基础。中信重型机械公司具有纯低温余热发电工程总承包能力,
　　随着资源的逐步减少和人们节能环保意识的提高，以及国家对高耗能小火电的限制，人们开始利用余热资源，特别是低品位的低温余热资源也开始被重视。
　　中信重型机械公司作为大型干法水泥成套设备生产的龙头企业，密切关注着新型干法水泥生产线废气余热情况，公司技术中心致力于开发纯低温余热发电技术，通过对国内引进设备的深入研究，结合已经掌握的余热发电的核心技术和设备设计技术，研制出了适合纯低温余热发电项目的补汽凝汽式汽轮机，开发出了针对大型水泥干法生产线的纯低温余热发电技术，其设备全部国产化，单位熟料发电量达到国际先进水平，废气温度降到经济合理范围内，系统最优化, 热效率较高，工程造价低，系统运行可靠, 具有较强的行业示范作用。该技术通过国内行业专家论证，属国内首创，技术可靠，适合中国国情。该技术已经申报国家专利。
　　由于该技术全部采用国产设备，在价格上的优势非常明显，只相当于进口设备造价的50％，市场前景非常广阔。公司已经和浙江三狮集团及吉林辽源签订了工程总承包合同，三亚华盛、内蒙乌兰、江苏金峰、浙江红狮、鹤壁同力等水泥生产企业，也已经和公司达成了合作意向。
　　公司技术中心始终关注着余热发电的最新技术动态，追踪着该技术的发展方向，并将通过不断的工程实践，努力完善纯低温余热发电技术，提高该技术的适用性、稳定性和经济性，使得该技术在中低温余热发电方面得到大面积的推广和应用。
　　1、工艺流程(略)
　　2、技术特点：
　　在“单压汽水发生系统”的余热锅炉中，我们仅能把T5控制在160-200℃左右。为了进一步降低温度T5 ，力求充分利用余热，在设计余热锅炉时，则可以采用“双压汽水发生系统”，或“三压汽水发生系统”。那时，在余热锅炉中将产生两种或三种压力水平的过热蒸汽供蒸汽透平机使用。在这种情况下，汽轮机的排气温度和余热锅炉中给水和蒸汽的温度与换热量Q之间的变化关系，如下图所示。这种措施有可能把余热锅炉的排气T5  降低到110-120℃的水平面。不会发生低温硫腐蚀时，温度T5 则可以降低到80-85℃左右。           
    

     图：在“单压汽水发生系统”的余热锅炉中，换热量Q与废热和汽水温度T的关系
    

         图：在“双压汽水发生系统”的余热锅炉中，Q=f（T）的变化关系
　　根据目前国内资源综合利用技术及装备现状，结合水泥窑生产线余热资源情况，采用双压锅炉+补汽凝汽式汽轮机余热发电技术。
　　采用双压锅炉，可以降低锅炉排气温度，从而提高锅炉效率，如果低压蒸汽参数提高，则可以提高汽轮机功率，但锅炉排烟温度则相应提高，余热利用率降低；如果低压蒸汽参数低，则吸收热量多，蒸汽量大，进入汽轮机后，发电量增加，余热利用率增加，锅炉排烟温度相应降低；但进入汽轮机后，对汽轮机的体积和末级叶片的要求会进一步提高，另外凝汽器的循环水量就要增大，从而增加厂用电量。因此需根据设备配置，优化系统参数设计，从而选择最佳参数。
　　采用补汽凝汽式汽轮机。根据系统特点，进行参数优化，合理确定双压余热锅炉蒸汽参数、汽轮机主蒸汽及补汽参数，从而合理设计汽轮机的结构及补汽点；其调节系统采用电液调节，自动化程度高；由于在汽轮机上采用了补汽式结构，从而提高汽轮机的发电量。
　　优化系统配置，提高了系统的效率，整个系统的发电效率在22％以上。
　　不设置补燃锅炉且利用废烟气发电，降低了热污染和水泥生产企业的生产成本，以5000T/D干法水泥生产线配套建设纯低温余热发电项目为例，相当于每年少烧2万多吨煤，少向大气中排放4万多吨二氧化碳等气体，利于环境保护，同时提高了企业的竞争力。
　　设置烟气、汽轮机旁路系统,即使在锅炉或汽轮机发生故障时，也可做到基本上不干扰原来的水泥工艺生产线的稳定生产。
　　余热发电系统全部采用国产设备，设备投资低，具有很好的推广价值，随着我国实施产业结构调整战略，在陆续淘汰众多的小水泥厂而新建干法水泥生产线的过程中，水泥余热发电设备具有很好的前景。
3．纯低温余热发电方案
　 （1）主要设计原则:  ①采用成熟稳定、实用可靠的工艺流程和设备，技术装备水平达到国内先进水平。②设备原则上采用国产设备，但部分关键控制设备和仪表考虑国内采购的国外技术产品（含组装、原装）， 降低发电成本和基建投入。③本着节约投资，确保系统设备简洁可靠、方便检修维护的原则，合理配置热力发电机组设备、系统。④贯彻执行国家能源、环保等方面的法律、法规和标准，因地制宜、讲求实效。⑤充分利用原厂现有设施，力求简化系统与布置,降低工程造价。
   （2）主要设备方案：
　　补汽冷凝式汽轮机及发电机  其进汽压力，新蒸汽温度等参数都需根据具体系统参数而定，目的是避免汽轮机叶片的水蚀及提高汽轮机的效率。选用中信重型机械公司洛阳发电设备厂开发研究制造的补汽式低温余热汽轮机,性能可靠。
　　余热锅炉  选用杭州锅炉集团有限公司的产品，杭锅是专业生产余热锅炉的著名公司，其产品享誉全国各地。
　 （3）投资估算
　　以5000T/D为例，总投资5800万元，设备费约3500万，占总投资60%，土建约700万，占12%，安装（含材料费）约900万，占16%，其他（材料价差、生产准备费、不可预见费、设计费、监理费等）700万，占12%
　 （4）实施计划：
　　业主提供原始参数—----项目建议书—可行性研究报告—------总承包合同签订—-------初步设计方案—-----------工程施工图设计—-----招标采购、施工—----------系统调试、达标验收。
 　工程建设期大约13个月完成
四、环境影响评价
　　用煤发电，每发一度电就要向环境排放出1公斤多的二氧化碳等温室气体, 5000t/d水泥窑纯低温余热发电技术降低了热污染，相当于每年少烧2万多吨煤,每年少向大气排放二氧化碳4万多吨。同时降低了进除尘器的废气温度，使除尘效果更好，降低和减少余热直接排向空中所引起的对环境的污染,更利于环境保护。
五、项目风险分析和控制
　　1.风险因素识别   按工程项目标准风险分析法，该项目风险因素应包括：政策风险识别、技术风险、经营管理风险、财务风险、生产风险、其它风险。
　　2.风险分析和控制
　　①政策风险：余热发电符合国家关于节约资源、保护环境及可持续发展的方针政策。国家并且规定，对于容量大于1000千瓦的余热电站，应该无条件上网并给予优惠上网电价。
　　②技术风险：由于纯低温余热发电采用的是中、低参数的小型冷凝式电站技术，这种类型的电站技术对我们来说是完全成熟的，不存在任何特殊的技术风险。唯一可能的风险来之于水泥窑的烟气含尘量高，余热锅炉产生磨损和积灰故障的可能性增大。因此，在余热锅炉的设计和选型时，对这两个问题必须给予足够的重视。我们拟采取的技术措施包括：合理选择烟气流速、迎风的换热面采用防磨结构、采用垂直布置的光洁换热面、加装振打除灰和声波除灰等装置。
　　③经营管理风险： 余热电站本身没有经营管理的风险。不存在没有原料或是产品卖不出去等问题。但是，余热电站是依附于企业工厂的。其经营管理的风险来之于企业的生产状况。窑外预分解干法水泥厂是当前最现代的水泥厂，其产品质量高，成本低。其它水泥厂根本不是其对手。未来五至十年是这种现代化水泥厂逐步取代老式水泥厂的时期，只要其经营管理不出现重大失误，是没有什么风险的。
　　④ 财务风险：本项目投资的数额不大，建设周期壹年多，从第二年开始就有回报，分五年偿还投资方的全部本息。其风险在于偿还期间如果电费价格有较大的下降，就可能出现还不了贷的情况。考虑到今后电费会趋涨，因而其风险比较小。
　　⑤ 生产风险：本项目不存在明显的生产风险。可能的风险来之于设备的偶然故障。我国目前中、低参数的发电设备的制造水平已经达到国际先进水平，其可靠性非常高。因此，本项目风险十分低。
　　⑥ 其它风险：除了战争和天灾等不可抗力以外，本项目不存在其他风险。
六、结论与建议
　　1、纯低温余热发电符合国家产业政策,可以实现循环经济、资源综合利用、节约能源的目的，有利于企业清洁生产，降低成本，可持续发展，具有很强的行业示范作用
　　2、纯低温余热发电技术技术上成熟，经济上可行，项目建设初期投资少，建设周期短，风险低，投资收益高，回收期短。
　　3、项目节能和环保效益可观，是利国利民的绿色环保工程，是建设、技改和投资的风险极低的节能环保项目。
　　4、中信重型机械公司纯低温余热发电系统全部采用国产设备，质量可靠，性能优良，达到国际先进水平，基建投资低，工期有保证。
5、中信重型机械公司具有纯低温余热发电工程总承包能力,竭诚为用户服务。

刘显法副司长在大型干法水泥
纯低温余热发电技术政策研讨会上的讲话

各位领导、同志们：
　　这是一次重要的会议，没有想来了这么多人。刚才任总讲了9月28日到9月29日我们发改委在北京开了全国循环经济工作会议。我认为这次会议就是我们发改委和水泥行业一起来贯彻落实全国循环经济工作会议精神的一次会议，同时，这也是贯彻和落实节能中长期规划的一次重要的会议。从去年开始，根据国务院的要求，编制了节能中长期规划，10月18日温家宝总理已经批准，我们大概下个月就要向各省市各行业以及公众公布，怎样贯彻和落实中长期规划，今天这个会议是个非常重要的会议，为这次会议河南省发改委及洛阳市发改委都十分重视，洛阳市市长亲自参加，发表热情洋溢的讲话。中信的重型机械公司为这次会议做了准备工作，在此我代表国家发改委环境和资源利用司对省发改委、洛阳市及中信重型机械公司做的大量工作表示衷心的感谢。我非常简要的讲三个意思。
　　一、我国能源形势十分严峻，节能任务极其艰巨
　　2001年我国能源消耗电量14.5，到2020年要实现全民小康目标，能源需求到底是多少，都有很多的预测。我们国家发改委从去年开始都在做能源的中长期规划，这个规划提出来要把能源和消费控制在30至31亿吨标准煤，关于这个数字各个方面也有不同评价，如果实现了这个目标，那就意识着我们国家又一次实现了20年从2000年到2020年能源翻一番，GDP翻两番，这个目标我们已经实现过，从1980年到2000年我们实现GDP翻两番，能源一番，是一个巨大的成绩。今后20年，我们用30亿吨左右的标煤的消耗量来满足经济翻两番的要求，我们认为这个任务是极其艰巨的，首先要实现能源生产与消费，特别是能源生产30亿吨左右，面临的困难是巨大的，比如说煤炭，我这里只讲煤炭，我们今年产量是17亿吨左右，2020年是多少，说法不一，现在看来需要22亿吨以上，生产这么大量的煤炭至少面临四个方面的问题：
　　1、资源问题。我们过去老是说我们是煤炭大国，储量大概有1万多亿吨，但是现在能够拿来马上用做矿山生产设计的经常储量大概只有不到300亿吨，这是资源方面的问题。
　　2、运输问题。我们国家的资源底库就是这个样子，特别是煤炭资源主要在陕晋蒙，但是煤炭的消费区在今天我们在座的各位所在的地方，东南沿海地区是主要的消费区。因此，据初步测算，实现这样的煤炭生产运输目标还要建七条以上的大秦线。大秦线大家非常熟悉，当初国家是花很多的资金，是国家的重点工程，我记得李鹏总理都在亲自抓。这是运输问题。
　　3、生产问题。现有的生产能力离2020年所需要的生产能力有很大的差距，据初步估算，要实现2020年生产目标，煤矿1年平均要兴建起7000万吨，那就是500万的矿一年要建14个，这样的建设规模在我们国家历史上是从来没有过的。
　　4、生态问题。陕晋蒙等地方生态十分脆弱，水土流失非常严重，大量的开采煤炭又经过长途的运输，运到我们东南沿海地区来用，面临的生态问题，产区有问题，消费区域也有很大的问题。
　　我们印象很深的是4月份在讨论今年电厂安排布局的时候，马主任特别把江苏的电厂建设的今年新开发的电厂图，会议开完后又拿回来重新看一看，江苏今年大概要开工五个电厂全部都在长江边。马主任不放心，问环境容量够不够。说明我们要用这么多煤炭，产区环境生态压力比较大，我们消费区压力也比较大。所以我们认为目前能源的形势确实十分严峻，包括油和天燃气都面临非常大的困难。现在油的情况更清楚了，天燃气也是一样，天燃气按照我们现在的规划，到2020年大概要40%左右的天燃气要进口，那么总的来说能源形势十分严峻，怎么办？
　　党中央国务院对节能工作给予了高度重视。今年以来我们也组织开展了一系列的活动，包括我们的节能规划，我们的节能规划在国务院常务会议讨论的时候，所有的领导都非常关注，提了两个方面的问题。第一个提出来到2020年GDP能耗年均下降2.8%到3%这个指标行不行？总的，领导认为有点低，我们回来给领导做了报告，这个2.8是一个非常高的水平，我们年均全国GDP能耗下降2.8%，这是一个非常非常高的水平。因为现在全世界的节能率或者是GDP能耗下降率大概是1.1%，我们要做到2.8，2.8是一个很高的水平，是要付出巨大的努力才有可能实现的水平。这个2.8对应的是能源消费攀升系数大概不到0.6，也就是我刚才讲的，用不到1.2番的能源保证2番的GDP。但是反过来说，我们能够以0.6左右的能源消费攀升系数来实现我们国家的工业化，那是确实走出一条世界上独一无二的、有中国特色的工业化路子。所有的工业化国家，不管是老的还是新的，在工业化过程里面，能源消费攀升系数都在1以上，没有低于1的。大概只有个别国家在0.8左右。在英国工业化花了300年，日本、韩国这些快速工业化国家，他们的能源消费系数更高，要做到0.6对应我们的2.8，我们认为是要付出巨大的努力才能实现的。这是我想讲的第一个意思。我们的能源形势十分严峻，节能任务极其艰巨，我们不走这条路可能就没有办法发展。
　　第二点我想讲的是水泥行业是国民经济非常重要的行业。那么在过去工作的基础上，能不能在节能降耗发展循环经济方面继续走在各个行业的前列？我觉得水泥行业，过去在节能减污、发展循环经济方面确实走在了各个行业的前列，下一步怎么办？我个人认为我们水泥行业应该在落实新的发展管理方面要发挥三方面的职能。第一个最基本的职能，提供、满足市场需求的水泥产品，这个我们已经做得非常好了。去年8.63亿，今年是9个亿，提供了市场需要的水泥产品。第二个方面的职能，尽快实现清洁生产，建设绿色企业。我们第一层次，生产社会需求的产品；第二个层次，把我们自己院里环境搞好，实现清洁生产。从矿山一直到生产处理的各个环节都把它做好，这是水泥行业十分重要的职责，也是一个新的经济增长点。第三个方面，水泥企业经过一段的工作包括技术方面的攻关，来处理社会的大宗废弃物。在北京已经做了一点实验，水泥生产是一个高温过程，处理一些社会上的大宗废弃物是有条件的，也是为社会做出贡献，我觉得我们水泥行业可以在这三个职责方面做一点工作。第一个提供产品，第二个清洁生产，把我们自己的问题解决好，在生产产品的同时不给环境带来过多的危害。第三个要帮助处理社会上的大宗废弃物。钢铁行业、水泥行业也做了一些探索，这些高耗能、物质高消耗的行业都应该在发展循环经济方面做更多的工作。
　　我的第三个意思关于这次会议，这次会议我们把它定为研讨会，这次会议的主要任务是三条：第一条是总结经验，全面总结我们余热发电的经验。第二个是确定发展的方向，确定水泥余热发电的发展方向和目标是什么。我们现在正在按照领导的要求落实节能规划里面的投资，我们准备把这个题目作为重要的专项，希望通过研讨，能够确定余热发电发展方向、技术路线是什么、目标是什么。第三个是通过这次会议要提出来加快水泥余热发电推广应用的政策措施的落实，大家有什么好的政策建议可以提出来。这是这次会议的目的。
　　对这次会议的几点要求：第一是要求大家要严肃认真的对待这件事情，我们初步考虑准备把这个项目列为国债的重点专项，希望大家要认真严肃进行研讨。第二个要公平、公开。我们司里在组织这个会的时候非常坚持这一条。国内、国外只要是水泥余热发电的技术，我们都通过这个会议充分的进行研讨。第三点我们要畅所欲言，我们大家一起努力把这个会议开好，把水泥余热发电的工作做好。将水泥行业的清洁生产、循环经济推向一个新的阶段。