抓緊機(jī)遇自主創(chuàng)新我國水泥工業(yè)余熱發(fā)電新技術(shù)
一、前言
我國水泥工業(yè)余熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)歷了20多年的奮斗歷程，至今已取得了較顯著的成果，值得慶賀?；仡櫰浒l(fā)展進(jìn)程，我們主要經(jīng)歷了三個不同的階段及技術(shù)水平。上世紀(jì)80年代，主要是恢復(fù)利用中空干法水泥窯的高溫廢氣余熱發(fā)電，水泥窯的熟料熱耗很高，余熱鍋爐及發(fā)電機(jī)組的效率卻很低。上世紀(jì)90年代開始將余熱發(fā)電的研發(fā)轉(zhuǎn)向PC窯（新型干法窯）上，主要采用補燃技術(shù)輔助PC窯廢氣余熱進(jìn)行發(fā)電。PC窯的熟料熱耗雖然減少了很多，但是補燃鍋爐仍然消耗了一些燃煤。整體余熱回收及其發(fā)電效率雖有較大提高，但仍有諸多改進(jìn)空間。從2000年開始，我們把主攻目標(biāo)鎖定為純PC窯低溫廢氣的余熱發(fā)電技術(shù)上，無需補燃，就可以回收較多的電能。這是一項重要的技術(shù)進(jìn)步，是水泥工業(yè)余熱發(fā)電技術(shù)質(zhì)的飛躍。
現(xiàn)今我國水泥工業(yè)已投產(chǎn)的補燃發(fā)電系統(tǒng)近30套；純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)有20余套；在建的約50套；擬建的還有近60套。按照我國2010年40%以上的PC窯都將實施純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的計劃，除已投產(chǎn)的和已在建的項目以外，預(yù)計我國截止2010年底還需新建和改造的有近200套。屆時余熱發(fā)電回收的電能將達(dá)全國水泥工業(yè)總電耗的10%左右。這200套純低溫余熱發(fā)電設(shè)施的總投資將超過100億元，其回收的電能換算成水泥工業(yè)每年CO2的減排量為675萬噸，以我國申報CDM 項目國際碳排放交易的均價計，相當(dāng)于每年可增收6000萬歐元。所以這對于有關(guān)的裝備供應(yīng)商，工程設(shè)計或總承包公司以及國際CO2排放權(quán)交易來說，都是一個很大的市場。
二、純低溫余熱發(fā)電技術(shù)是水泥工業(yè)“四零一負(fù)”戰(zhàn)略的重要組成
筆者1996年提出的水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的“四零一負(fù)”戰(zhàn)略至今已10年有余，通過國際和國內(nèi)的大量實踐，“四零一負(fù)”戰(zhàn)略已由當(dāng)初的發(fā)展苗頭與大膽設(shè)想成長為明確的趨勢和奮斗目標(biāo)，其中有些目標(biāo)在德國、日本、美國以及北歐諸國已基本實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)了將近一半。預(yù)計在2010—2012之間，德國水泥工業(yè)很可能會率先基本實現(xiàn)“四零一負(fù)”目標(biāo)，其他的歐、日、美等國可望在2015年內(nèi)相繼實現(xiàn)。我國水泥工業(yè)在2020年前也會基本達(dá)到“四零一負(fù)”的目標(biāo)。
所謂“四零一負(fù)”戰(zhàn)略，其具體內(nèi)容為：
1、水泥工業(yè)和生態(tài)環(huán)境和諧共處，水泥企業(yè)對其周圍生態(tài)環(huán)境完全實現(xiàn)零污染；
2、創(chuàng)新水泥工藝和余熱回收技術(shù)，降低熟料（或水泥）單位電耗，提高單位熟料余熱發(fā)電量，實現(xiàn)熟料（或水泥）企業(yè)對外界電能的零消耗；
3、水泥企業(yè)完全實現(xiàn)廢料、廢渣、廢水的零排放；
4、降低熟料單位熱耗，開發(fā)利用各種替代燃料，實現(xiàn)熟料生產(chǎn)對天然礦物燃料（煤、油、天然氣）的零消耗；
5、節(jié)約資源，擴(kuò)大利廢功能，消納各種廢棄物，減輕環(huán)境負(fù)荷，為全社會的各種工業(yè)廢渣、廢料以及城市垃圾的增長做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
可以看出，純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的具體目標(biāo)就是，在水泥窯熟料單位熱耗≤4.18×750kJ/kg的前提下，盡可能提高單位熟料的凈發(fā)電能力。首先要爭取早日實現(xiàn)的是，噸熟料發(fā)電量達(dá)到熟料的單位電耗，即50kwh/t，兩者持平。這樣就實現(xiàn)了熟料生產(chǎn)對外界電能的零消耗。進(jìn)一步還要爭取盡可能地增加發(fā)電量，努力實現(xiàn)噸熟料發(fā)電量與水泥的單位電耗能基本持平。此外還必須具有相當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)見，準(zhǔn)備應(yīng)對今后熟料單位熱耗可能會降到4.18×700kJ/kg的條件下而維持噸熟料發(fā)電量基本不變或不致減少太多的挑戰(zhàn)。
當(dāng)今世界上日產(chǎn)熟料5000噸PC窯生產(chǎn)線，其熟料單位電耗為52-58kWh/t，我國新建的5000t/d廠的約55kWh/t左右。隨著第四代固定篦板熟料冷卻機(jī)、大中型風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的大量推廣應(yīng)用，以及預(yù)熱器、分解爐和回轉(zhuǎn)窯等各種節(jié)能技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。筆者預(yù)計熟料單位電耗在今后的3-5年內(nèi)很可能會降到50kWh/t左右，屆時如果水泥窯純低溫余熱的凈發(fā)電量也能達(dá)到噸熟料50kWh的話。那么熟料生產(chǎn)對外界電能的零消耗也就付諸實現(xiàn)了?，F(xiàn)在正值我國水泥工業(yè)的大好機(jī)遇，相信在目前已經(jīng)取得較大成果的基礎(chǔ)上，經(jīng)過3-5年再接再厲的努力創(chuàng)新和實踐，現(xiàn)今我國已經(jīng)是世界上有望首先達(dá)到這一電能零消耗的少數(shù)幾個國家之一。
三、我國水泥工業(yè)余熱發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨向
我國水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)現(xiàn)正處于蓬勃發(fā)展之際，巨大的市場需求給我國自主創(chuàng)新提供了絕佳的研發(fā)與實踐的機(jī)遇，這是德、日、美等發(fā)達(dá)國家所沒有的客觀條件，也是我國在這項技術(shù)上創(chuàng)造世界最先進(jìn)水平的良機(jī)，我們一定要把握住。
目前，我國水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，其熱力系統(tǒng)的構(gòu)成主要有如下三種模式：
1、單壓系統(tǒng)——SP爐和AQC爐生產(chǎn)相同或相近參數(shù)的主蒸汽（相對較低的壓力和溫度），兩者混合后進(jìn)入單級進(jìn)汽式汽輪機(jī)，屬單壓不補汽型。
2、復(fù)合閃蒸系統(tǒng)——采用補汽式汽輪機(jī)的復(fù)合閃蒸單級補汽系統(tǒng)，AQC爐生產(chǎn)主蒸汽的同時產(chǎn)生高溫?zé)崴?，再將高溫?zé)崴祲寒a(chǎn)生二次蒸汽補入汽輪機(jī)，主蒸汽仍屬低壓低溫范圍。
3、雙壓補汽系統(tǒng)——采用補汽式汽輪機(jī)的雙壓單級補汽系統(tǒng)，AQC爐產(chǎn)生兩種不同壓力的蒸汽，高壓的為主蒸汽，低壓的則用于補汽。主蒸汽參數(shù)屬次中壓中溫范圍。AQC爐由熟料蓖冷機(jī)的一處或多處取氣，或同時采用蓖冷機(jī)循環(huán)風(fēng)等措施。
實踐表明，以上三種模式可以適用于各種不同的具體需求，很難定論孰優(yōu)孰劣。但是一般而言，在水泥原燃料性能、水泥工藝裝備配置及其生產(chǎn)操作條件基本相同的情況下，噸熟料的余熱發(fā)電量是單壓系統(tǒng)的較低，閃蒸系統(tǒng)的居中，雙壓系統(tǒng)的較高或者可以達(dá)到相當(dāng)高的程度。此外，這三種熱力系統(tǒng)對水泥窯生產(chǎn)操作參數(shù)波動的適應(yīng)性及其系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)間的可調(diào)性與協(xié)調(diào)性也有所差異。同樣地也是雙壓優(yōu)于閃蒸，閃蒸優(yōu)于單壓，大體上可以這樣認(rèn)為，具體情況仍須具體分析。
當(dāng)前面臨的最關(guān)鍵的問題是，在熟料熱耗4.18×750 kJ/kg的條件下，我國自主研發(fā)的水泥工業(yè)噸熟料的余熱發(fā)電量實際上絕大多數(shù)均為28-32kwh/t之間，與理論計算值38-42kwh/t還有很大的差距，亟須深入研究，有待大幅提高。
最近，我們高興地看到已經(jīng)出現(xiàn)了一些新的探索和實踐，旨在基本不增加熟料單位熱耗的前提下，謀求從蓖冷機(jī)、預(yù)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(fā)電能力的工業(yè)試驗，有的已初顯成效，有的正在準(zhǔn)備實施，前景看好，令人期待。
應(yīng)該指出，我國從事這一業(yè)務(wù)的有關(guān)企業(yè)都要恪守職業(yè)操守，盡管各自的技術(shù)理念和路線可能略有不同，但必須相互尊重，取長補短，共同提高，爭取在競爭中實現(xiàn)合作，達(dá)到共贏。目前，任何一家企業(yè)，無論其采取怎樣的技術(shù)措施，只要能實實在在地把噸熟料的年平均凈發(fā)電量穩(wěn)定在40kwh/t以上，意即解決了上述關(guān)鍵問題，這就是一項重大的成績，都值得鼓勵和稱贊。希望大家共勉：事實勝于雄辯，事實是最有說服力的法寶，讓我們大家共同努力吧！
四．國際水泥工業(yè)余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
國際水泥工業(yè)余熱發(fā)電技術(shù)最先進(jìn)的德國和日本，近十幾年來國內(nèi)建筑業(yè)持續(xù)萎縮，水泥需求逐年下滑，德日兩國1996年的本國水泥消費量分別由3550萬噸和8400萬噸，銳減為2006年的2600萬噸和6000萬噸，分別下降了27%和29%。導(dǎo)致有些水泥廠紛紛關(guān)閉，技術(shù)人員大批流失。水泥工業(yè)處于一片不景氣之中，大大地阻礙了余熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。例如日本，實際上完全就是在勉強(qiáng)維持著，十幾年來可以說基本上沒有進(jìn)展。近年日本的經(jīng)濟(jì)形勢雖稍顯逆轉(zhuǎn)，但是他們拿到中國來推銷的水泥工業(yè)余熱發(fā)電技術(shù)大部仍停留在10年前的水平。
相反地，德國水泥界應(yīng)對這種不景氣的挑戰(zhàn)，心態(tài)十分積極。首先是從1996年的進(jìn)口水泥628萬噸，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?006年的出口水泥450萬噸。維持了本國水泥年生產(chǎn)量約3000萬噸基本不變的局面。同時積極推進(jìn)“四零一負(fù)”的各項目技術(shù)措施和法規(guī)建設(shè)，取得了卓越成效。即使在資金十分困難的情況下，1999年在巴伐利亞州（現(xiàn)拜恩州）海德堡水泥公司所屬的Lengfurt水泥廠的一臺日產(chǎn)3000噸的熟料蓖冷機(jī)上采用了以色列ORMAT公司的新裝備新技術(shù)。這是一套以有機(jī)工質(zhì)戊烷（C5H12）汽輪機(jī)和導(dǎo)熱油為熱載體的余熱鍋爐組成的利用冷卻機(jī)廢氣余熱的發(fā)電系統(tǒng)，裝機(jī)1.5MW。至今已正常運轉(zhuǎn)了8年。按照這套系統(tǒng)長期生產(chǎn)參數(shù)推算，如果將這臺3000t/d PC窯的全部廢氣余熱都用上，則其噸熟料發(fā)電量將達(dá)45-50kWh/t。顯然比我國現(xiàn)有的水平高出一大塊。礙于非技術(shù)的原因，他們至今仍苦于缺乏市場機(jī)遇來證明這一推論的正確可行。
至于美國早在上世紀(jì)90年代初，美國電氣與電子工程師學(xué)會（IEEE）的水泥工業(yè)委員會聯(lián)合美國能源部門曾發(fā)起過一個動議，計劃在10-15年（即2000-2005年）內(nèi)實現(xiàn)水泥工業(yè)噸熟料余熱發(fā)電量達(dá)50-60kWh/t的目標(biāo)。后來也是因其建筑業(yè)的不景氣而使這個計劃付之東流。但是在上世紀(jì)90年代后期，美國Recurrent工程公司開發(fā)了一個名謂Kalina系統(tǒng)的工業(yè)廢熱回收發(fā)電系統(tǒng)。它是用氨（NH3）和水的混合液為工質(zhì)的汽輪機(jī)來發(fā)電的。Kalina系統(tǒng)已經(jīng)在美國鋼鐵廠和化工廠通過了中試，正意欲進(jìn)入水泥工業(yè)市場。要據(jù)Recurrent公司的初步報價書，以日產(chǎn)3000噸熟料生產(chǎn)線為例，其鍋爐及汽輪機(jī)等全套設(shè)備費用約1000萬美元，裝機(jī)9-10MW，按常規(guī)從窯尾預(yù)熱器和蓖冷機(jī)抽取廢氣，噸熟料發(fā)電量的保證值為50-60kwh/t，視各水泥廠的具體情況而異。同樣，該公司也正在到處尋求買家，聲稱這是一項最先進(jìn)而且可靠的新技術(shù)。
五、結(jié)語
很明顯，以色列的ORMAT和美國的Kalina系統(tǒng)所采用的有機(jī)工質(zhì)的發(fā)電量都較我國現(xiàn)有的水工質(zhì)的高，而且他們的技術(shù)裝備是基本成熟可靠的。基于我國的實際情況，筆者認(rèn)為，首先我們應(yīng)該繼續(xù)關(guān)注它們的發(fā)展勢態(tài)，及時掌握第一手信息。其次，目前無須考慮引進(jìn)。不僅是其要價太高，更有將我國已具成效的技術(shù)發(fā)展路線引向有機(jī)工質(zhì)的方向，進(jìn)而在技術(shù)裝備上受控于他人之風(fēng)險。第三，堅持我國的自主創(chuàng)新，研發(fā)成符合我國實際國情的高效率的水泥工業(yè)余熱發(fā)電系統(tǒng)，抓緊水泥工業(yè)大發(fā)展的機(jī)遇，相信我國有能力有實力在不久的將來必將勝利實現(xiàn)重大的突破，噸熟料發(fā)電量達(dá)到50kWh/t以上。
參改文獻(xiàn)
1、高長明：論水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。﹤水泥技術(shù)﹥1997.（1）；1-6
2、高長明：現(xiàn)代水泥工業(yè)的節(jié)能與二次能源回收技術(shù)。﹤水泥﹥1998，（3）；1-7
3、高長明：水泥工業(yè)低溫余熱發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀。
預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)技術(shù)及進(jìn)展。 化學(xué)工業(yè)出版社2006；225-226
4、Mirolli，M.D.：Waste Heat Recovery. ﹤World Cement﹥2007，（1）；85-88（中國水泥網(wǎng) 轉(zhuǎn)載請注明出處）
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