改革開放三十年來，水泥工業取得了舉世矚目的成績。新型干法水泥技術裝備進入世界先進行列；科學發展、技術創新、節能減排成為全行業實際行動：水泥結構調整成績斐然，到2008年底新型干法水泥比例突破了60%；世界知名水泥公司在我國落地生根；水泥工程總承包足跡遍及全球，帶動機械裝備大量出口。這些成績的取得，為水泥工業的發展創造了輝煌。與此同時，“十一五”期間水泥純低溫余熱發電，實現了跨越式發展，截止2008年有263條新型干法熟料生產線裝有余熱利用電站，裝機總容量達到1662MW。到2010年水泥行業余熱發電裝機總容量將是近2個葛洲壩電站總裝機容量，余熱發電為水泥工業再次創造了輝煌。
一、水泥工業余熱發電的發展歷程
水泥窯余熱電站始建于大連水泥廠，1922—1923年該廠擴建第二條Φ3m×60m干法中空窯時，同時配套建設了高溫余熱發電機組，稱為“水泥干法中空余熱發電窯”。我國水泥窯余熱發電技術的發展從第一個五年計劃開始起步，經過半個多世紀的發展，水泥窯余熱發電技術的研究、開發、推廣、應用工作經歷了四個階段。
第一階段為1953年至1989年，這30多年主要工作是開展了中空窯高溫余熱發電技術及裝備的開發、推廣、應用工作。首先參照上世紀30年代日本引進德國技術在我國東北、華北地區建設的中空窯高溫余熱發電技術裝備，對老廠進行改造，同時在老廠擴建中得到應用。共投運了約290條中空窯余熱發電系統。形成了不同主蒸汽參數、余熱鍋爐形式、裝機容量的高溫余熱發電系統。為我國開展水泥窯中低溫余熱發電技術及裝備的研究開發奠定了堅實基礎。
第二階段為1990年至1996年。“八五”期間，國家安排了水泥行業科技攻關課題，其一是：“帶補燃鍋爐的中低溫余熱發電技術及裝備的研究開發”，主要內容為采用國產標準系列汽輪發電機組，回收400℃以下廢氣余熱進行發電。該課題在1996年完成了攻關工作，形成了“帶補燃鍋爐的水泥窯中低溫余熱發電技術”；這項技術的研究、開發、推廣、應用，為我國開發水泥窯純低溫余熱發電技術及裝備工作積累了豐富的經驗；其二是“水泥窯純低溫余熱發電工藝及裝備技術的研究開發”；其三是“純低溫余熱發電技術裝備——螺桿式膨脹機研究開發”。根據帶補燃鍋爐的水泥窯中低溫余熱發電技術應用的經驗，以日本KHI公司為寧國水泥廠4000t/d水泥窯提供的6480kW純低溫余熱電站的建設為契機，基本形成了我國水泥窯純低溫余熱發電工藝技術裝備體系。
第三階段為1997年至2005年。推廣、改進“帶補燃鍋爐的水泥窯中低溫余熱發電技術”和“水泥窯純低溫余熱發電技術”。截止2005年底，利用“帶補燃鍋爐的水泥窯中低溫余熱發電技術”，國內有23個水泥廠36條1000～4000t/d預分解窯生產線上安裝了28臺帶補燃鍋爐的中溫余熱發電機組，總裝機為45.36MW。與此同時，分別于2001年、2003年利用我國自主研發的技術和國產設備，在2000t/d、1500t/d水泥窯上投運了裝機容量分別為3MW、2.5MW的純低溫余熱電站。2001年至2005年，我國水泥行業利用國產設備和技術在12條新型干法窯上，配套建設了裝機容量分別為2.0MW、3.0MW、6.0MW、7.0 MW的純低溫余熱電站。
第四階段為2005年以后。由于水泥窯純低溫余熱發電技術裝備已經成熟，進入了蓬勃發展階段。大量的工程實踐機會，給技術不斷創新提供了最佳的機遇。隨著純低溫余熱電站投入運行數量的增多，實踐應用的同時也促進了工藝技術裝備的提高，使我國水泥窯純低溫余熱發電技術裝備更加成熟可靠，給我國這項技術達到世界先進水平提供了機遇。
二、我國水泥窯純低溫余熱發電技術裝備
1．余熱發電的基本原理
將工業生產中排出的大量廢氣通過余熱回收裝置——余熱鍋爐將廢熱進行熱交換回收，產生過熱蒸汽推動汽輪機實現熱能向機械能的轉換，從而帶動發電機發電。
在水泥熟料生產過程中，水泥窯的窯頭和窯尾產生大量廢氣(廢熱)，在廢氣排出的地方安裝余熱鍋爐，分別稱為AQC鍋爐(窯頭爐)和SP鍋爐(窯尾爐)。在余熱鍋爐內，廢氣與水進行熱交換，使水產生一定溫度和壓力的過熱蒸汽，過熱蒸汽進入汽輪發電機組進行發電。
表1 干法中空窯高溫余熱發電系統主要參數
|
主蒸汽溫度
(℃) |
蒸汽壓力
(MPa) |
余熱
鍋爐 |
裝機容量
(MW) |
噸熟料發電量
(kWh/t) |
|
400 |
2.45 |
臥式 |
3.0 |
90～110 |
|
450 |
3.82 |
臥式 |
4.5 |
130～150 |
|
450 |
3.82 |
立式 |
6.0 |
170～180 |
2．純低溫余熱發電技術及主要參數
目前，我國水泥工業純低溫余熱發電技術的核心內容是熱力循環系統，熱力循環方式主要有單壓系統、閃蒸系統、雙壓系統三種基本模式，以及由此衍生的復合系統構成。理論和實踐表明，以上三種熱力系統的選擇，應依據企業的具體情況來選擇合適的系統，采用哪種方式最合理，應依據熱平衡計算、生產線規模、企業管理水平、投資高低等實際情況，進行綜合比較后確定。
純低溫余熱發電主要設備及主要技術參數，以一般5000t/d水泥熟料生產線為例進行說明。規模相當的生產線可利用窯頭、窯尾余熱資源，建設一套裝機容量為9MW的純低溫余熱電站。主要設備有凝汽式汽輪機、發電機、SP余熱鍋爐和AQC余熱鍋爐，其主要技術參數指標見表2。
表2 純低溫余熱發電主要設備及技術參數
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序號 |
設備名稱 |
數量 |
主要技術參數指標 |
|
l |
凝
汽
式
汽
輪
機 |
l |
額定功率： 9MW
額定主汽壓力：1.25MPa(a)
額定排汽壓力：0.008MPa(a)
額定主汽溫度：325℃
額定轉速： 3000r/min
額定汽耗率： 5.2kg/kWh |
|
2 |
發
電
機 |
1 |
額定功率： 9MW
額定轉速： 3000r/min
頻率： 50Hz
效率： 96.5% |
|
3 |
SP
余
熱
鍋
爐 |
1 |
入口廢氣量： 340000m3/h(標況)
入口廢氣溫度：330℃～340℃
出口廢氣溫度：220℃
(生料粉磨用風要求溫度)
漏風率： 3%
額定主汽： 1.35MPa(a)
額定主汽溫度：310℃
主汽流量： 25t/h |
|
4 |
AQC
余
熱
鍋,
爐 |
1 |
入口廢氣量： 240000m3/h(標況)
入口廢氣溫度：350℃～360℃
出口廢氣溫度：100℃
漏風率： 2%
額定主汽： 1.35MPa(a)
額定主汽溫度：330℃
主汽流量： l8t/h |
主要技術經濟指標
|
序號 |
技術名稱 |
指標 |
備注 |
|
1 |
裝機容量 (MW) |
9 |
|
|
2 |
平均發電功率 (kW) |
8020～8710 |
|
|
3 |
噸熟料余熱發電量 (kWh/t) |
35～38 |
按照5500t/d計算 |
|
4 |
水泥熟料燒成熱耗 (kg/t-cl) |
106～110 |
|
|
5 |
年平均發電成本 (元/kWh) |
0.10～0.16 |
|
|
6 |
工程總投資 (萬元) |
6000～7000 |
|
|
7 |
投資回收期 (年) |
3～4 |
|
三、我國純低溫余熱發電機組建設及運行
1．選擇余熱利用方式及原則
企業是否建設純低溫余熱發電系統，應根據熟料生產線的實際情況而定。生產線規模較小，當地電價較低，如青海地區小規模生產線，建設余熱電站效益就不高；生產線利用污泥進行配料，需要大量廢熱對污泥進行烘干，經濟效益很好；利用廢熱供暖、制冷，造福一方百姓，也是不錯的選擇。不管廢氣如何利用，經濟賬一定要算。哪種廢熱利用方式效益最好，就是企業的最終選擇。實踐證明，已建設純低溫余熱發電系統的企業經濟效益均很好。
水泥窯純低溫余熱發電的建設和設計應遵循以下原則。
——條件允許時，企業應對生產線進行系統熱工標定，對運行數據的穩定性及原因進行系統分析：
——在滿足水泥生產工藝自身余熱的需要、不影響水泥窯的熱工操作、不增加水泥熟料燒成熱耗及電耗的前提下，最大限度獲取利用余熱資源；
——合理梯級利用不同品位余熱，充分發揮余熱的作功能力：
——根據企業的實際情況，通過性價比分析，確定熱力系統循環方式；
——在建設新生產線設計中，不同步建設余熱發電系統時，應在窯頭和窯尾留有建設余熱發電系統的余地。
2．水泥余熱發電建設模式
水泥余熱發電建設模式有三種。第一種為傳統模式，由設計單位提供技術方案和電站設計，企業自己安排建設和管理。設計單位只承擔設計，工作量較大，利潤較薄，一些設計單位不愿意提供這種模式的服務。由于目前余熱發電建設是買方市場，這種服務模式的比例逐年下降。
第二種為EPC模式，即工程總承包模式。目前水泥余熱發電建設采用EPC(總承包)模式比較普遍，市場占有率大約60%左右。采用這種模式主要原因是水泥余熱發電市場比較火爆，技術供應商希望以工程總承包方式承接任務；另一方面水泥生產企業對水泥余熱發電的設備采購、技術管理比較生疏，這方面正是技術供應商的優勢。一般采用EPC模式時將土建工程拿出去，由業主自行招標。
第三種模式為BOT模式。是一種由出資方建設——運營——轉交的模式，也是今后的發展方向。采用這種模式，水泥企業利用擁有廢氣資源優勢，由電站的承建方全部投資進行建設和管理。企業可以解決資金短缺造成的窘迫，近期可以獲得優惠電價，最終可以獲得電站。投資方依靠資金、技術、配套、CDM、管理等方面的優勢，可以有效規避投資風險和取得短期較好經濟效益。這種模式目前應用不夠普遍，大概占10%左右。這種模式雙方合作的條款是比較靈活的，關鍵是條款的內容雙方均能接受。
后兩種模式總體經濟性評價是雙贏的，可以說以優勢克服弱勢，雙方盈利。
3．已投運的純低溫余熱發電機組及生產線
1997～2005年近十年間，水泥行業建設投運的純低溫余熱發電新型干法生產線僅為13條、機組14臺、裝機容量50MW；進入“十一五”，水泥純低溫余熱發電的建設快速發展，每年呈幾何級數上升。2006年投運了15條生產線、14臺機組、裝機容量65.5MW；2007年投產的余熱發電生產線86條、安裝發電機組59臺、裝機容量571MW：2008年投運的余熱發電生產線149條、安裝發電機組106臺、裝機容量975.2MW；2009年預計投運的余熱發電生產線232條、安裝發電機組181臺、裝機容量1677MW：預計2009年投運的余熱電站裝機總容量將超過歷年的總和(見表3)。
表3 截止2008年年底已投入運行的純低溫余熱電站
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年份 |
生產線(條) |
機組(臺) |
裝機(MW) |
熟料設計產能(萬噸/年) |
|
1997～2005 |
13 |
14 |
50 |
1119 |
|
2006 |
15 |
14 |
65.5 |
1460 |
|
2007 |
86 |
59 |
571 |
10109 |
|
2008 |
149 |
106 |
975.2 |
15899 |
|
小計 |
263 |
193 |
1661.7 |
28587 |
|
2009預計 |
232 |
181 |
1676.8 |
2767 |
表4 2009年擬投運的國外水泥余熱發電工程
|
國 別 |
生產線
(條) |
機組
(臺) |
裝機
(MW) |
熟料產能
(年/萬噸) |
|
泰 國 |
9 |
6 |
102.2 |
1819 |
|
巴基斯坦 |
9 |
4 |
52.6 |
100l |
|
印 度 |
7 |
5 |
48 |
880 |
|
越 南 |
2 |
2 |
22.5 |
388 |
|
土耳其 |
2 |
l |
18 |
310 |
|
菲律賓 |
1 |
l |
4.5 |
78 |
|
合 計 |
34 |
22 |
247.8 |
4476 |
表5 余熱發電生產線運行指標匯總
|
指標
項目 |
熟料熱耗
(kg/t) |
噸熟料余熱發電量
(kWh/t) |
余熱發電供電成本
(元/kWh) |
外購電價
(元/kWh)
|
|
目前設計 |
|
37-42 |
0.12～0.16 |
0.5～0.6 |
|
安徽運行數據 |
115.5 |
37.35 |
0.06～0.08 |
0.51～0．64 |
|
浙江運行數據 |
120.48 |
29.91 |
0.09～0.25 |
0.54～0.66 |
|
山東運行數據 |
112.92 |
28.57 |
0.167～0.228 |
0.57～0.67 |
4．承接的國外水泥余熱發電項目
我國純低溫余熱發電技術經過十幾年的開發、研究和實際運行經驗，其技術裝備水平無論是熱力循環系統還是國產化設備都已成熟。由于投資成本低，綜合服務能力強，使中國水泥窯余熱發電綜合技術裝備水平處于國際先進行列，在國際市場上有明顯競爭優勢，近幾年水泥余熱發電技術迅速普及到亞洲各國。
2008年，中材節能公司在泰國SCG的3條生產線上投運了2臺發電機組，總裝機為27MW；海螺集團亦在泰國暹羅SKK工廠6號生產線上投運了裝機為9.1MW的發電機組，從此開創了我國余熱發電技術的國外市場。值得一提的是，拉法基、海德堡等知名水泥公司在國外建廠，均選擇我國公司承擔建設余熱發電系統。繼中材節能和海螺以后，大連易世達、中信重機、杭州中科節能、昆明陽光基業均承接了國外工程。國際水泥余熱發電市場潛力很大，發展速度很快，預計2009年投運的國外余熱發電工程裝機達247.8MW，是2008年的8倍。目前中材節能在埃及、希臘、韓國、馬來西亞等國家均洽談了余熱發電工程。
5．余熱發電機組運行情況
中材節能公司受國家發改委委托，對余熱發電機組的實際運行情況進行了調研，調研數據統計結果表明，已投運的余熱發電機組實際運行效率和設計值尚存在一定距離。以海螺集團為主的安徽企業余熱發電運行管理水平較高，電站的運轉率也較高，基本反映目前我國余熱發電現狀和技術水平；浙江省余熱發電機組相對投運較早，設計及裝備水平和目前相比，存在一定差距，因此平均發電量水平較低。但大部分企業實際熟料產量均比設計產量高出10%以上，相對燒成熱耗也較高。
四、純低溫余熱發電效益測算
1．經濟效益
采用國產技術與裝備純低溫余熱發電項目投資，每千瓦裝機約6500～7000元左右。純低溫余熱發電的供電成本通常在0.12～0.16元/kWh之間(其中折舊費占37%-39%，維修費占25%-28%，其他費用占18%～22%)。外購電價與供電成本的差價就是效益。余熱發電的供電可滿足水泥生產用電的三分之一到四分之一，噸水泥成本可降低l2～15元。投資回收期在3～4年之間。
根據中國建材聯合會信息部統計，2008年建材企業電力購進價格平均比2007年上漲4分錢，即電力購進價格平均為0.63元/kWh。余熱發電的供電成本平均按0.14元計算，每度電的利潤為0.49元。
2008年余熱發電創造的經濟效益可以按裝機容量和噸熟料余熱發電量兩種方法進行計算。若2008年投運的機組能力發揮率按30%計算，機組的運轉率按7000小時計算，2008年余熱發電量為71億kWh，創造的經濟效益為34.8億元；若噸熟料余熱發電量按36 kWh計算，2008年投運的發電機組相對應熟料生產能力的發揮率仍按30%計算，熟料生產能力為l7947萬噸，發電量為64.7億kWh，創造的經濟效益為31.7億元。
按第一種方法計算，機組實際運轉率高于7000小時，一般發電機組和水泥窯運轉率基本相當，可達到7400小時左右；按第二種方法計算，熟料實際生產能力超過設計能力l0%左右，所取的熟料值偏低，但噸熟料實際發電量平均達不到36 kWh。綜合各種因素，2008年余熱發電創造的經濟效益為33億元不會太離譜。
截止2008年11月水泥全行業利潤總額為270億元，預計全年利潤總額285億元。余熱發電創造的經濟效益占全行業利潤總額的11.6%。
2．CDM效益
利用清潔發展機制項目(CDM)企業可獲得額外的收入，例如一條5000t/d生產線配套建設9MW余熱發電機組，每年約減排2萬多噸的CO2，按目前國際平均價格l0歐元計，每年可給企業增收約150～200萬元人民幣。
截止2008年11月26日，國家發改委審批的CDM項目共1749個，其中水泥項目123個，共減排1771萬噸CO2。目前約有20個項目獲EB審批，減排29萬噸CO2。按交易價格10美元計算，每年給行業增收2200萬元人民幣左右，這個數目每年會成倍增長。
3．環境效益
純低溫余熱發電的余熱鍋爐的降塵作用及窯頭冷卻機余熱鍋爐爐前配置的預除塵裝置，進一步提高了收塵效果，具有一定的減排作用。經計算5000t/d規模窯頭余熱鍋爐減排粉塵約為50.05t/a，窯尾余熱鍋爐減排粉塵為11.45t/a，合計每年減排粉塵為61.50t。也就是說9MW機組的兩臺鍋爐的降塵作用，使水泥窯年減排粉塵為61.50t。由此推算，2008年因余熱發電的投運，使水泥窯廢氣粉塵排放量年減少了11357t。
水泥窯利用余熱發電滿足生產線部分供電需求，相當于減少了燃煤發電量，等于減少了燃煤產生的SO2、CO2、NOx等有害氣體對大氣的污染。2008年水泥行業利用余熱發電量按71億kWh計，火力發電按360gce/kWh計，水泥行業余熱發電相當減排CO2665萬噸；利用廢氣經余熱鍋爐進行熱交換后，排入大氣的溫度大幅度降低，從而減小了對周圍環境的熱污染。
五、余越發電市場潛力
據初步統計，截止2008年底，已投產的新型干法熟料生產線為909條，熟料生產能力為74101萬噸。其中，2008年投產的生產線為107條，熟料生產能力為12843萬噸。截止2008年底，安裝余熱發電機組的生產線263條，另有3條生產線供熱和制冷，總計利用廢熱的生產線為266條。
“十一五”期間是新型干法熟料生產線發展最快時期，也是余熱發電發展最快時期。預計2009年投產的熟料生產線仍為100條左右，2010年有50條左右，屆時投產的新型干法熟料生產線預計為1050條左右，熟料生產能力為8.6億噸左右。這兩年投運電站的生產線每年按250條計，屆時投運電站的生產線預計為760余條，裝機容量達到5200MW。水泥余熱發電裝機相當于1.9個葛洲壩電站的總裝機容量。
新型干法熟料生產線中約有200條左右不宜配套建設余熱電站，有100條熟料生產線建設余熱電站的任務將在“十二五”完成。“十二五”期間，新型干法熟料生產線和余熱發電建設高峰已經過去。但是，隨著余熱發電技術裝備的不斷創新，水平不斷提高，老機組的技術改造任務將不斷增多，余熱利用的方式和用途也不斷增多，屆時不宜建設余熱發電的生產線將會找到自己的用武之地，余熱利用仍然有一定潛在市場。
值得關注的是國際水泥余熱發電市場，除日本和我國臺灣以外，其他國家水泥余熱發電的普及率并不高，我國水泥余熱發電打入國際市場才剛剛起步，努力開拓國際市場，必然會帶來豐厚的收益，同時為保護地球做出貢獻。
近年來提供水泥余熱發電技術的設計公司，在廢熱利用上創新了技術，積累了經驗，服務對象不應只是水泥行業。中材節能在鋼鐵、化工、焦炭行業均承擔了余熱利用電站的建設；杭州中科節能利用玻璃窯爐余熱、垃圾廢氣進行發電亦承擔了很多項目。行業外市場潛力很大，是值得大力開發的市場。
六、余熱發電建設存在問題及建議
1．行業自身問題
企業為追求發電效益，要求技術供應方(設計單位)盡量提高發電量，并以噸熟料發電量指標的高低確定合作方。設計單位為迎合企業的意愿，在廢氣取氣點上做文章，其途徑和手段是和三次風爭風或獲取其它水泥生產用的高溫氣體。這種做法雖然可以提高一些發電量，但是造成單位熟料熱耗隨之提高。
目前噸熟料發電量大多數在35～38kWh/t-cl之間，與理論計算值38～42kWh/t-cl還有較大的差距，應進一步研究提高純低溫余熱發電系統熱效率的途徑和措施，在不增加熟料單位熱耗的前提下，謀求從篦冷機、預熱器和窯頭胴體等處獲取少量高溫氣體來提高噸熟料余熱發電能力，進一步提升余熱發電技術水平，提高余熱發電系統熱效率。
利用余熱的方式均集中在余熱發電上，欠缺對余熱利用的其他方式的研究，造成所有生產線的佘熱利用，不管規模大小，都擁擠在一條通道上。企業可以根據自身實際情況，擇優選擇利用廢熱方式，供氣、供暖、制冷、烘干、出售等。
2．政策問題
2006年國家發改委發文要求，新建新型干法水泥生產線同時配套建設余熱發電。據此重慶市政府要求，新建新型干法水泥生產線，都要同時配套建設佘熱發電裝置，否則不予批準。這種絕對的要求，其實欠科學和合理。余熱發電是利用窯頭和窯尾的廢熱，鍋爐和發電機組的選擇是根據廢氣量和溫度量身定制的。擴建生產線時，可參照原生產線運行情況和熱工標定資料，完全新建只能參照同規模生產線進行確定，由于設備選型、原燃料條件、管理水平的不同，可能造成不匹配，影響效率的發揮。何時建設余熱發電不應一刀切，由企業視具體情況而定更科學。
水泥余熱發電是非常有效的節能減排途徑，因此國家給予節能財政獎勵。但是2006年以后建設的生產線配套余熱發電，其節能不予獎勵，在政策上有失公允。
有些省份相關政府主管部門，擔心企業變相用煤發電，規定按企業生產線規模批準發電機組裝機容量，但是有些早期投產的生產線窯頭、窯尾廢氣溫度較高由于裝機容量不足，造成廢氣利用率不高。
水泥余熱發電是我國十大節能工程之一。水泥廠余熱發電原則是并網不上網，所發電量全部自用。目前水泥廠余熱發電并網仍然是老大難問題，有的企業甚至將并網問題反映到省長，依然得不到解決。此問題基本上可以定性為普遍存在的問題。國家發改委應統籌協調解決，制定余熱發電并網(審批、管理費、優惠政策等)管理辦法。
為規范水泥廠余熱發電的設計工作，《水泥工廠純低溫余熱發電設計規范》正在編制之中，針對業內以噸熟料發電量評價發電技術的現象，還應抓緊編制余熱發電技術評價方法與標準。
來源：中國建材報
