鸦片战争以来，中华民族饱受各种灾难，直到1949年10月1日中华人民共和国诞生，中华大地迎来了黎明的曙光。此时国家经济基础十分薄弱，“一穷二白”是当时经济状况的真实写照。中国人民在中国共产党的领导下，经过艰苦奋斗，以中国特色的发展模式，创造了世界经济发展史上的奇迹，中国人民在一张白纸上绘制了波澜壮阔的经济发展画卷。水泥行业余热发电到2009年底有498条新型干法熟料生产线投运余热利用电站，装机总容量达到3317MW。预计到2010年底有687条新型干法熟料生产线投运余热利用电站，装机总容量达到4785MW。水泥余热发电装机总容量将是近2个葛洲坝电站总装机容量，相当于三峡电站总装机的1/4强。水泥行业余热发电事业的发展，虽然只是祖国经济发展波澜中的一滴水，但其发展与共和国共铸辉煌。这些成绩的取得是战斗在第一线的设计、装备、建设、生产工作人员共同奋斗的结果。谨以此文表达对这些工作人员的敬意，同时代表他们祝福共和国六十华诞。
1．水泥工业余热发电事业发展历程
我国第一台水泥窑余热电站始建于大连水泥厂，日本小野田水泥公司在1922-1923年期间，扩建该厂第二条∮3×60M干法中空窑生产线时，利用日本余热电站技术装备，配套建设了高温余热发电机组，装机容量为3MW，称为“水泥干法中空余热发电窑”。
解放前我国自己的水泥窑余热发电技术也是一张白纸，水泥窑余热发电技术与共和国经济同步发展。60年来，水泥窑余热发电技术的研究、开发、推广、应用工作经历了四个阶段。
第一阶段为1950年至1989年。这30多年主要工作是开展了中空窑高温余热发电技术及装备的开发、推广、应用工作。首先参照上世纪三十年代日本引进德国技术在我国东北、华北地区建设的中空窑高温余热发电技术装备，对老厂进行改造，同时在老厂扩建中得到应用。总计投运了约290条中空窑余热发电系统。形成了不同主蒸汽参数、余热锅炉形式、装机容量的高温余热发电窑系统。为我国开展水泥窑中低温余热发电技术及装备的研究开发奠定了坚实基础。
干法中空窑高温余热发电系统主要参数
第二阶段为1990年至1996年。“八五”期间，国家安排了水泥行业科技攻关课题，其一是：《带补燃锅炉的中低温余热发电技术及装备的研究开发》，主要内容为采用国产标准系列汽轮发电机组，回收400℃以下废气余热进行发电。该课题在1996年完成了攻关工作，形成了《带补燃锅炉的水泥窑中低温余热发电技术》；这项技术的研究、开发、推广、应用，为我国开发水泥窑纯低温余热发电技术及装备工作积累了丰富的经验；其二是《水泥窑纯低温余热发电工艺及装备技术的研究开发》；其三是《纯低温余热发电技术装备——螺杆式膨胀机研究开发》。根据带补燃锅炉的水泥窑中低温余热发电技术应用的经验，以日本KHI公司为宁国水泥厂4000t/d水泥窑提供的6480kw纯低温余热电站的建设为契机，基本形成了我国水泥窑纯低温余热发电工艺技术装备体系。
第三阶段为1997年至2005年。推广、改进《带补燃锅炉的水泥窑中低温余热发电技术》和《水泥窑纯低温余热发电技术》。截止2005年底，利用《带补燃锅炉的水泥窑中低温余热发电技术》技术，国内有23个水泥厂36条1000～4000t/d预分解窑生产线上安装了28台带补燃锅炉的中温余热发电机组，总装机为45.36Mw。与此同时，我国水泥行业利用国产设备和技术在13条新型干法窑上，配套建设了装机容量分别为2.0MW、3.0MW、6.0MW、7MW的纯低温余热电站。
第四阶段为2005年以后。由于水泥窑纯低温余热发电技术装备已经成熟，国家产业政策明确规定不允许上带补燃炉的余热发电系统，而纯低温余热发电的概念是相对于带补燃炉余热发电技术而命名的，随着带补燃炉余热发电技术被取缔，纯低温余热发电技术被更名为水泥窑低温余热发电技术。自此，水泥余热发电进入了蓬勃发展阶段。大量的工程实践机会，给技术不断创新提供了最佳的机遇。随着低温余热电站投入运行数量的增多，运行情况反过来指导了工艺技术装备的提高，使我国水泥窑低温余热发电技术装备更加成熟可靠，达到世界先进水平。
2.我国水泥窑低温余热发电技术装备
2.1余热发电的基本原理
将工业生产中排出的大量废气通过余热回收装置——余热锅炉将废热进行热交换回收，产生过热蒸汽推动汽轮机实现热能向机械能的转换，从而带动发电机发电。
在水泥熟料生产过程中，水泥窑窑头和窑尾产生大量废气（废热），在废气排出的地方安装余热锅炉，分别称为AQC锅炉（窑头炉）和SP锅炉（窑尾炉）。在余热锅炉内，废气与水进行热交换，使水产生一定温度和压力的过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮发电机组进行发电。
2.2低温余热发电技术及主要参数
目前，我国水泥工业低温余热发电技术的核心内容是基于朗肯循环理论的热力循环系统，热力循环方式主要有单压系统、闪蒸系统、双压系统三种基本模式，以及由此衍生的复合系统构成。理论和实践表明，以上三种热力系统的选择，应依据企业的具体情况来选择合适的系统，采用哪种方式最合理，应依据热平衡计算、生产线规模、企业管理水平、投资额大小等实际情况进行综合比较后确定。
低温余热发电主要设备及主要技术参数，以5000t/d水泥熟料生产线为例，5000t/d及规模相当的生产线可利用窑头、窑尾余热资源，建设一套装机容量约为9MW的低温余热电站。主要设备有凝汽式汽轮机、发电机、SP余热锅炉和AQC余热锅炉，其主要技术参数指标见下表。
低温余热发电主要设备及技术参数：
主要技术经济指标：
3. 我国低温余热发电机组建设及运行
3.1余热发电技术和装备主要提供商
进入“十一五”以来，我国水泥低温余热发电实现了跨越式发展，得到大面积推广，一方面得益于技术研发上厚积薄发，长期以来，国家安排了科研项目和资金，一直支持余热发电事业的发展；另一方面得益于技术和装备队伍不断壮大，不断优化设计和创新装备，才有了今天水泥余热发电事业的繁荣。
3.1.1主要技术主要供应商（排名不分先后）
3.1.2 BOT项目主要投资商（排名不分先后）
3.1.3 余热锅炉供应商（排名不分先后）
3.1.4 汽轮机供应商（排名不分先后）
3.1.5 发电机供应商（排名不分先后）
3.2选择余热利用方式及原则
企业是否建设低温余热发电系统，应根据熟料生产线的实际情况而定。生产线规模小，当地电价较低，如青海地区小规模生产线，建设余热电站效益就不高；如果生产线利用污泥进行配料，选择用废热对污泥进行烘干，经济效益也很好；或者利用废热供暖、制冷，造福一方百姓，也是不错的选择。不管废气如何利用，经济帐一定要算。实践证明，已建设低温余热发电系统的企业经济效益均很好。
水泥窑低温余热发电的建设和设计应遵循以下原则。
——条件允许时，企业应对生产线进行系统热工标定，对运行数据的稳定性进行系统分析；
——在满足水泥生产工艺自身余热的需要、不影响水泥窑的热工操作、不增加水泥熟料烧成热耗及电耗的前提下，最大限度获取、利用余热资源；
——合理梯级利用不同品位余热，充分发挥余热的做功能力；
——根据企业的实际情况，通过性价比分析，确定热力系统循环方式；
——在新生产线不同步建设余热发电系统时，新生产线的设计应在窑头和窑尾留有建设余热发电系统的余地。
3.3水泥余热发电建设模式
水泥余热发电建设模式有三种。第一种为传统模式，由设计单位提供技术方案和电站设计，企业自己安排建设和管理。设计单位只承担设计工作，工作量较大，利润较薄，一些设计单位不愿意提供这种模式的服务。由于目前余热发电建设是卖方市场，这种服务模式的比例逐年下降。
第二种为EPC模式，即工程总承包模式。目前水泥余热发电建设采用EPC（总承包）模式比较普遍，市场占有率大约70%左右。采用这种模式主要原因是水泥余热发电市场比较火爆，技术供应商希望以工程总承包方式承接任务；另一方面水泥生产企业对水泥余热发电的设备采购、技术管理比较生疏，这方面正是技术供应商的优势。一般采用EPC模式时将土建工程拿出去，由业主自行招标。
第三种模式为BOT模式。是一种由出资方建设—运营—转交的模式，由电站投资方全部投资、建设和管理。水泥企业可以解决资金短缺问题，近期可以获得优惠电价，最终可以获得电站。投资方依靠资金、技术、配套、CDM、管理等方面的优势，可以有效规避投资风险和取得较好的经济效益。这种模式目前应用不够普遍，大概占10%左右。这种模式双方合作的条款是比较灵活的，关键是条款的内容双方均能接受。
后两种模式总体经济性评价是双赢的，可以说是优势互补，双方盈利。但是BOT模式由于目前余热发电效益好，水泥企业不愿意将废热资源交予他人管理；另一方面，发电效果与熟料生产热工参数的稳定性有很大关系，双方在合作过程中会出现一些矛盾，因此BOT模式发展速度较慢。
3.4 已投运的低温余热发电机组及生产线
1997-2005年近十年间，水泥行业投运的纯低温余热发电生产线仅为13条、机组13台、装机容量63MW，熟料设计生产能力1169万吨；进入“十一五”，水泥低温余热发电快速发展，每年呈几何级数增长。2006年有30条生产线投运了余热电站，安装26台机组、装机容量160MW，熟料设计生产能力2923万吨；2007年有58条生产线投运了余热电站、安装45台机组、装机容量388MW，熟料设计生产能力7390万吨；2008年有152条生产线投运了余热电站、安装109台机组、装机容量1002MW，熟料设计生产能力17020万吨； 2009年有245条生产线投运了余热电站、安装204台机组、装机容量1705MW，熟料设计生产能力29600万吨；预计2010年将有189条生产线投运余热电站、安装164台机组、装机容量1469MW，熟料设计生产能力23903万吨。
各年投入运行的低温余热电站：
余热发电熟料生产线数量与产能
3.5承接国外水泥余热发电项目
我国低温余热发电技术经过十几年的开发、研究和实际运行，其技术装备水平无论是热力循环系统还是国产化设备都已成熟。由于投资成本低，综合服务能力强，使中国水泥窑余热发电综合技术装备水平处于国际先进行列，在国际市场上有明显竞争优势，近几年水泥余热发电技术迅速普及到亚洲各国。
2008年，中材节能公司在泰国SCG的3条生产线上投运了2台发电机组，总装机27MW；海螺集团亦在泰国暹罗SKK工厂6号生产线上投运了装机为9.1MW的发电机组，自此拉开了我国余热发电技术在国外市场的序幕。预计2009年有27条生产线投运余热电站，安装16台机组，总装机容量达167MW，是2008年投运电站总装机容量的4.6倍。
预计2010年将在巴基斯坦、泰国、印度、越南等国家有13条线，13台机组投入运行，装机容量将达118MW，熟料设计产能2043万吨。
2008及2009年投运国外水泥余热发电工程：
3.6余热发电机组运行情况
中材节能公司受国家发改委委托，对余热发电机组的实际运行情况进行了调研，调研数据统计结果表明，已投运的余热发电机组实际运行效率与设计值尚存在一定距离。安徽、山东水泥企业余热发电运行管理水平较高，电站的运转率也较高，基本反映目前我国余热发电现状和技术水平；浙江省余热发电机组相对投运较早，设计及装备水平和目前相比，存在一定差距，因此平均发电量水平较低。但大部分企业实际熟料产量均比设计产量高出10%以上，相对烧成热耗也较高 。
余热发电生产线运行指标汇总：
4. 低温余热发电效益测算
4.1 经济效益
采用国产技术与装备低温余热发电项目投资，每千瓦装机约6500～7000元左右。低温余热发电的供电成本通常在0.12-0.16元/kWh之间（其中折旧费占37%-39%，维修费占25%-28%，其他费用占18%-22%）。外购电价与供电成本的差价就是效益。余热发电的供电可满足水泥生产用电的三分之一到四分之一，吨水泥成本可降低12～15元。投资回收期在3-4年之间。
根据中国建材联合会信息部统计，2008年建材企业电力购进价格平均比2007年上涨4分钱，即电力购进价格平均为0.63元/kWh。余热发电的供电成本平均按0.14元计算，每度电的利润为0.49元。
2008年余热发电创造的经济效益可以按装机容量和吨熟料余热发电量两种方法进行计算。2008年底余热发电累计装机1612MW，2008年余热发电装机1002MW，2007年底余热发电累计装机610MW，若2008年当年投运的机组能力发挥率按30%计算，机组的运转率按7000小时计算，2008年余热发电量为64亿kWh，创造的经济效益为31.4亿元；若吨熟料余热发电量按36 kWh 计算，2008年投运的发电机组相对应熟料生产能力的发挥率仍按30%计算，熟料生产能力为17947万吨，发电量为64.7亿kWh，创造的经济效益为29.3亿元。
4.2 CDM 效益
利用清洁发展机制项目（CDM）企业可获得额外的收入，例如一条5000t/d生产线配套建设9MW余热发电机组，每年约减排2万多吨的CO2，按目前国际平均价格10欧元计，每年可给企业增收约200万元人民币。若每年有十家企业获准CDM项目，每年可给行业增收2000万元人民币左右，这个数目每年会大幅增长。
截止2009年8月14日，国家发改委审批的CDM项目2174个，其中水泥CDM项目178个，二氧化碳减排量2038万吨；截止2009年9月22日，已报EB审批的水泥CDM项目34个，已审批通过25个，二氧化碳减排量208万吨 ，其中有3个项目已签发了15万吨二氧化碳减排量，此交易量已产生了经济效益。
4.3环境效益
低温余热发电的余热锅炉的降尘作用及窑头冷却机余热锅炉炉前配置的预除尘装置，进一步提高了收尘效果，具有一定的减排作用。经计算5000t/d规模窑头余热锅炉减排粉尘约为50.05t/a，窑尾余热锅炉减排粉尘为11.45t/a，合计每年减排粉尘为61.50t。也就是说9MW机组的两台
锅炉的降尘作用，使水泥窑年减排粉尘为61.50t。由此推算，2008年因余热发电的投运，使水泥窑废气粉尘排放量年减少了11357t。
水泥窑利用余热发电满足生产线部分供电需求，相当于减少了燃煤发电量，等于减少了燃煤产生的SO2、CO2、NOx等有害气体对大气的污染。
2008年水泥行业利用余热累计发电量达到113亿kwh，火力发电按360gce/kwh计，水泥行业余热发电相当减排1057万吨CO2；废气经余热锅炉进行热交换后，排入大气的温度大幅度降低，从而减小了对周围环境的热污染；
水泥余热发电累计年发电量：
5．余热发电市场潜力
5.1国内水泥市场
据全国第二次经济普查数据和中国建筑材料联合会统计，2008年末全国水泥熟料生产能力13亿吨，水泥生产能力21亿吨，在水泥熟料生产能力中，新型干法熟料生产能力8.1亿吨。立窑及其他熟料生产能力4.9亿吨，说明淘汰空间4亿吨以上。2008年熟料产能发挥率为74.6%，水泥产能发挥率为66.7%。
据数字水泥网初步统计，截止2009年8月底，新投产的新型干法熟料生产线为76条，熟料设计生产能力为5000多万吨。第四季度是水泥生产线投运的集中期，预计2009年全年投运的生产线将有150条左右，熟料生产能力1.5亿吨左右。以此数据测算，截止2009年底，全国共有新型干法水泥生产线共1086条左右，熟料生产能力9.1亿吨。
“十一五”期间是新型干法熟料生产线发展最快时期，也是余热发电发展最快时期。预计2010年投产的熟料生产线仍为150条左右，届时投产的新型干法熟料生产线预计为1236条左右，熟料生产能力为10.6亿吨左右。2010年投运电站的生产线按190条计，届时投运电站的生产线产预计为680余条，装机容量达到4785MW。
新型干法熟料生产线中约有200条左右不宜配套建设余热电站，还有356条熟料生产线建设余热电站的任务将在“十二五”完成。“十二五”期间，新型干法熟料生产线建设高峰已经过去。但是，还有4亿吨左右要淘汰的熟料生产能力，需要建设近300条新型干法生产线来填补，“十二五”期间，平均每年需投运60条生产线，若动态考虑水泥市场需求，“十二五”期间熟料以每年2%的速度增长，共新增生产能力1亿吨，约新建70条左右熟料生产线。“十二五”前三年每年投运200条生产线余热电站是可以保证的。
5.2水泥行业外市场
实践证明，近年来提供水泥余热发电技术的设计公司，在废热利用上创新了技术，积累了经验，服务对象不仅是水泥行业。中材节能在钢铁、化工、焦炭行业均承担了余热利用电站的建设；杭州中科节能利用玻璃窑炉余热、垃圾废气进行发电亦承担了很多项目，浮法玻璃生产线有204条，正常运行的有170余条，利用废气进行余热发电的技术也是成熟的，目前，多数为两条及以上生产线安装一台机组，已经有40余条生产线实施了余热发电，但仅占总量的24%左右；钢铁行业各生产工序如焦炭、烧结机、高炉、转炉的余热均可以回收进行余热发电，焦炉的余热利用较好，废热发电仅达到37%，其他工序还低于这个比例，铁合金行业的矿热炉余热发电的潜力也很大。可以肯定的说，冶金、化工等行业余热发电市场潜力非常大，是值得大力开发的市场。
由于国内水泥余热发电行业起步较早，技术、装备比较成熟，目前，已在行业外占领一定市场，再加上钢铁、化工等行业废气温度较高，所以水泥余热发电技术及设备供应商占领其他行业的市场有很大优势。
5.3国外水泥行业市场
值得关注的是，国际水泥余热发电市场，除日本和我国台湾以外，其他国家水泥生产线余热发电的普及率并不高。目前，中材节能、海螺、大连易世达、中信重机、阳光基业、合肥院等相继承接了国外水泥余热发电工程。在印度、巴基斯坦、菲律宾、越南、埃及、希腊、韩国、马来西亚等国家均承接或洽谈了余热发电工程。国际水泥余热发电市场潜力很大，发展速度很快。拉法基、海德堡等知名水泥公司在国外建厂，均选择我国公司承担建设余热发电系统。
以印度为例，截止到2008年底，印度国内有水泥生产线约600条，水泥产量1.6亿吨，仅为中国的10～15%，但其人口在10亿以上，人均水泥使用量仅为中国人均水泥使用量的十分之一，市场潜力非常巨大。根据印度同行预计，到2011年，印度国内水泥产量将增长到3.8亿吨。印度基本上全部是新型干法生产线，均可以实施余热发电。我国水泥余热发电打入国际市场才刚刚起步，只要努力开拓，我们会有很大的份额，也必然给企业带来丰厚的收益，同时为保护地球环境做出贡献。
6.余热发电建设存在问题及建议
6.1行业自身问题
企业为追求发电效益，要求技术供应方（设计单位）尽量提高发电量，并以吨熟料发电量指标的高低确定合作方。设计单位为迎合企业的意愿，在废气取气点上做文章，其途径和手段是和二、三次风争风或获取其它水泥生产用高温气体。这种做法虽然可以提高一些发电量，但是造成单位熟料热耗随之提高。
目前吨熟料发电量大多数在35-38kWh/t-cl之间，与理论计算值38~42kWh/t-cl还有较大的差距，应进一步研究提高低温余热发电系统热效率的途径和措施，在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，进一步提升余热发电技术水平，提高余热发电系统热效率。
在余热电站生产运营过程中，当原水PH值较高时，锅炉蒸发器弯管处会出现漏水现象，企业应注意水的软化、除盐问题。
利用余热的方式均集中在余热发电上，欠缺对余热利用的其他方式的研究，造成所有生产线的余热利用，不管规模大小，都拥挤在一条通道上。企业可以根据自身实际情况，择优选择利用废热方式，供气、供暖、制冷、烘干、出售等。
6.2政策问题
2006年国家发改委发文要求，新建新型干法水泥生产线同时配套建设余热发电。据此重庆市政府要求，新建新型干法水泥生产线，都要同时配套建设余热发电装置,否则不予批准。这种绝对的要求，其实欠科学和合理。余热发电是利用窑头和窑尾的废热，锅炉和发电机组的选择是根据废气量和温度量身定制的。扩建生产线时，可参照原生产线运行情况和热工标定资料，完全新建只能参照同规模生产线进行确定，由于设备选型、原燃料条件、管理水平的不同，可能造成不匹配，影响效率的发挥。何时建设余热发电不应一刀切，由企业视具体情况而定更科学。
水泥余热发电是非常有效的节能减排途径，因此国家给予节能量财政奖励。但是2006年以后建设的生产线配套余热发电，其节能量不予奖励，在政策上有失公允。
有些省份相关政府主管部门，担心企业变相用煤发电，规定按企业生产线规模批准发电机组装机容量，但是有些早其投产的生产线窑头、窑尾废气温度较高由于装机容量不足，造成废气利用率不高。
水泥余热发电是我国十大节能工程之一。水泥厂余热发电原则是并网不上网，所发电量全部自用。目前水泥厂余热发电并网仍然是老大难问题，有的企业甚至将并网问题反映到省长，依然得不到解决。此问题基本上可以定性为普遍存在的问题。国家发改委应统筹协调解决，制定余热发电并网(审批、管理费、优惠政策等)管理办法。
为规范水泥厂余热发电工程的设计工作，《水泥工厂低温余热发电设计规范》即将颁布执行。由于设计规范只是对工程设计做出原则性规定，因此应与火力发电工程一样，还需继续编制《水泥工厂低温余热发电设计技术规定》并针对业内以吨熟料发电量评价发电技术的现象，抓紧编制余热发电技术评价方法与标准。
注：在余热发电项目统计中，得到了中材节能、海螺集团、大连易世达、南京凯盛、中信重机、杭州中科节能、南京院、成都院、合肥院、洛阳院等公司的情支持，对他们的帮助表示感谢。设备制造企业本人收集的资料有限，很可能有遗漏，敬请谅解。
作者：曾学敏
