茅正東，李光耀

窯頭鍋爐是水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)重要設(shè)備，布置在窯頭篦冷機(jī)旁，吸收窯頭廢氣余熱。由于篦冷機(jī)廢氣中的熟料顆粒磨蝕性大，為防止鍋爐受熱面磨損，窯頭鍋爐前需要布置外置沉降室，不但占地面積大，而且整個(gè)系統(tǒng)的阻力較大，窯頭排風(fēng)機(jī)的功率增加較多，致使投資增加。通過(guò)多年應(yīng)用實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，水泥窯超產(chǎn)可能導(dǎo)致窯頭取風(fēng)量超過(guò)設(shè)計(jì)值，并且窯頭余熱鍋爐的風(fēng)速大，對(duì)受熱面管束沖刷較強(qiáng)，容易造成磨損。

山東某水泥有限公司建有兩條5 000t/d的新型干法水泥生產(chǎn)線，實(shí)際熟料總產(chǎn)量穩(wěn)定在11 000～11 500t/d左右。配套建設(shè)的余熱電站于2006年投入運(yùn)行，是長(zhǎng)江以北較早投產(chǎn)的余熱發(fā)電機(jī)組。2016年前后窯頭鍋爐運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，窯頭鍋爐及廢氣分離器內(nèi)磨損嚴(yán)重，散熱損失大。窯頭鍋爐內(nèi)部管束因漏水等原因封堵數(shù)量＞1/4，其他管壁變薄，存在重大的安全隱患，同時(shí)窯頭鍋爐本體漏風(fēng)嚴(yán)重，影響換熱的同時(shí)增大了系統(tǒng)阻力；窯頭鍋爐內(nèi)部管束較密，積灰嚴(yán)重，風(fēng)阻系數(shù)大，換熱效果較差，對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益造成一定影響。

經(jīng)對(duì)比研究，將窯頭鍋爐更換為“下進(jìn)上出”的內(nèi)置分離器鍋爐，這樣既可減少煙氣沿程溫度損失，又可減少系統(tǒng)阻力，配合采取其他有效措施，提高了鍋爐蒸發(fā)量和系統(tǒng)發(fā)電量。下面具體介紹該項(xiàng)目鍋爐的設(shè)計(jì)和升級(jí)改造情況，希望能對(duì)水泥窯余熱鍋爐設(shè)計(jì)和改造提供幫助。

1　原鍋爐設(shè)備總體狀況與改造措施

1.1　原鍋爐設(shè)備總體狀況

原窯頭鍋爐為“上進(jìn)下出”式，安裝在水泥窯熟料冷卻機(jī)廢氣出口至收塵器之間的管道上，在進(jìn)窯頭鍋爐前布置一個(gè)外置獨(dú)立沉降室，煙氣經(jīng)過(guò)沉降室將熟料顆粒有效分離后進(jìn)入鍋爐。鍋爐設(shè)計(jì)入口廢氣溫度360℃，廢氣流經(jīng)過(guò)熱器、蒸發(fā)器、熱水器后，廢氣溫度降至110℃，再進(jìn)入熟料冷卻機(jī)原有的電收塵器并經(jīng)風(fēng)機(jī)排入大氣。

鍋爐熱力系統(tǒng)為典型的單壓系統(tǒng)，窯頭余熱鍋爐分為兩段，以最大限度地利用廢氣余熱。鍋爐I段生產(chǎn)參數(shù)為1.25MPa-345℃的過(guò)熱蒸氣；II段為熱水器段，其生產(chǎn)的180℃左右的熱水分為兩部分，其中一部分熱水進(jìn)入窯頭余熱鍋爐I段，另一部分熱水提供給窯尾余熱鍋爐主蒸氣段。原鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。原鍋爐總圖見(jiàn)圖1。

1.2　鍋爐運(yùn)行過(guò)程中主要問(wèn)題

（1）鍋爐及廢氣分離器內(nèi)磨損嚴(yán)重，散熱損失大。通過(guò)對(duì)原水泥窯窯頭各溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)的標(biāo)定，窯頭鍋爐篦冷機(jī)中部取風(fēng)點(diǎn)平均煙溫438℃，而經(jīng)過(guò)沉降室和一段煙風(fēng)管道后，窯頭鍋爐入口煙溫只有370℃。

（2）鍋爐內(nèi)部管束因漏水等原因封堵數(shù)量＞1/4，其他管壁變薄，存在重大的安全隱患。

（3）鍋爐漏風(fēng)嚴(yán)重，影響換熱的同時(shí)增大了系統(tǒng)阻力。

（4）鍋爐內(nèi)部管束較密，積灰嚴(yán)重，風(fēng)阻系數(shù)大，換熱效果較差。

（5）煤磨用風(fēng)冷風(fēng)閥位置不合理，距離取風(fēng)點(diǎn)太近，而且常處于開(kāi)啟狀態(tài)，冷風(fēng)也易被窯頭排風(fēng)機(jī)拉入窯頭鍋爐，影響了鍋爐入口溫度及產(chǎn)汽能力（圖2）。

2　改造措施和改造后的工況

2.1　改造措施

本次鍋爐改造主要目的是提高入口煙溫，減少系統(tǒng)漏風(fēng)和散熱損失，提高鍋爐蒸發(fā)量和系統(tǒng)發(fā)電量。改造主要內(nèi)容包括：更換新的采用下進(jìn)風(fēng)內(nèi)置沉降室結(jié)構(gòu)的窯頭余熱鍋爐，優(yōu)化鍋爐結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化煙氣系統(tǒng)；水泥生產(chǎn)線煤磨單獨(dú)取風(fēng)，節(jié)約部分高溫風(fēng)；根據(jù)標(biāo)定的煙氣參數(shù)，重新核算鍋爐蒸發(fā)量，對(duì)受熱面做適應(yīng)性調(diào)整。具體如下：

表1　原鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1　原鍋爐總圖

圖2　煤磨取風(fēng)管道及冷風(fēng)閥

2.1.1提高鍋爐入口煙溫

取消原獨(dú)立的沉降室結(jié)構(gòu)，采用下進(jìn)風(fēng)內(nèi)置沉降室，減少分離器和煙風(fēng)管道磨損引起的散熱損失大的問(wèn)題。

2.1.2煤磨單獨(dú)取風(fēng)，以節(jié)約部分高溫風(fēng)

2.1.3鍋爐受熱面結(jié)構(gòu)調(diào)整

（1）增加受熱面面積：過(guò)熱器、蒸發(fā)器、熱水器面積全部根據(jù)新的鍋爐參數(shù)重新設(shè)計(jì)。

（2）根據(jù)實(shí)際情況，考慮在蒸發(fā)器后增加一組省煤器（縱向4排），熱水器180℃出水經(jīng)給水操縱臺(tái)引入省煤器加熱后進(jìn)入鍋筒。設(shè)置省煤器后，省煤器出口煙溫可進(jìn)一步降低。

（3）根據(jù)鍋爐實(shí)際運(yùn)行情況和改造后的主蒸氣溫度，過(guò)熱器翅片管管材選用12Cr1MoVG。

（4）鍋爐鋼架考慮利用原有土建基礎(chǔ)，僅增加進(jìn)風(fēng)側(cè)鋼架柱。

（5）重新設(shè)計(jì)鍋爐平臺(tái)扶梯、煙氣進(jìn)出口、護(hù)板及爐墻等鍋爐輔助結(jié)構(gòu)件，尤其是護(hù)板密封和爐墻。通過(guò)精心設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低了鍋爐本體漏風(fēng)率，減少了散熱損失。

2.1.4其他改造

本次改造還更換了鍋爐外圍煙風(fēng)管道和蒸氣管道，降低了系統(tǒng)漏風(fēng)、散熱損失和蒸氣阻力。

改造后鍋爐總圖見(jiàn)圖3。

2.2　鍋爐改造主要設(shè)計(jì)參數(shù)

鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

熱力計(jì)算見(jiàn)表3。

3　改造方案

3.1　下進(jìn)風(fēng)帶沉降室的新型結(jié)構(gòu)

對(duì)窯頭鍋爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的就是要從磨損機(jī)理上解決窯頭鍋爐受熱面管束磨損問(wèn)題，減小窯頭鍋爐的系統(tǒng)阻力，并簡(jiǎn)化煙風(fēng)管道系統(tǒng)，降低投資。

表2　鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3　改造后鍋爐總圖

表3　熱力計(jì)算匯總

3.1.1外置式沉降室的不足

由于篦冷機(jī)廢氣中的熟料顆粒粒徑較大，一般要在窯頭鍋爐前布置獨(dú)立沉降室進(jìn)行重力沉降除塵，但外置沉降室占地面積很大，加上煙風(fēng)管道，布置困難，且投資大，同時(shí)窯頭外置式沉降室有很大的表面散熱損失。布置外置獨(dú)立沉降室，窯頭排風(fēng)機(jī)的功率相對(duì)增加較多，系統(tǒng)耗能增加，不利于整個(gè)余熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

由于廢氣在窯頭余熱鍋爐內(nèi)自上而下流動(dòng)，進(jìn)入窯頭余熱鍋爐的風(fēng)速一般在12～15m/s，廢氣中攜帶的粉塵顆粒受重力加速度的作用，顆粒流速會(huì)更大，對(duì)窯頭鍋爐受熱面管束的沖刷強(qiáng)度增加，加速受熱面管束的磨損。

3.1.2下進(jìn)風(fēng)帶沉降室的鍋爐進(jìn)口優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)研究原有窯頭鍋爐沉降室實(shí)際存在的問(wèn)題，我們改變了傳統(tǒng)窯頭余熱鍋爐廢氣進(jìn)口在上部、廢氣出口在下部的結(jié)構(gòu)，將廢氣進(jìn)口設(shè)在爐室下部，廢氣出口設(shè)在爐室上部，在窯頭余熱鍋爐底部設(shè)置內(nèi)置沉降室，取消了原來(lái)系統(tǒng)的外置獨(dú)立沉降室。

圖4為下進(jìn)風(fēng)內(nèi)置沉降室窯頭鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖。

下進(jìn)風(fēng)內(nèi)置沉降室結(jié)構(gòu)的三個(gè)特點(diǎn)如下：

（1）窯頭鍋爐內(nèi)置沉降室；

（2）廢氣轉(zhuǎn)向沉降后，自下而上通過(guò)受熱面；

（3）進(jìn)入鍋爐受熱面之前，布置有均流板和防磨“假管”。

圖4　下進(jìn)風(fēng)內(nèi)置沉降室窯頭鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

窯頭鍋爐與粉塵顆粒分離設(shè)備一體化，取消外置式沉降室，簡(jiǎn)化了煙氣管道，減少了占地面積，節(jié)省了初始投資費(fèi)用。另外，取消外置沉降室，改為自帶沉降室的窯頭鍋爐，減少了窯頭鍋爐系統(tǒng)的阻力，系統(tǒng)總阻力＜800Pa，基本上不需要改造窯頭排風(fēng)機(jī)，減少了余熱發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

廢氣從下而上流動(dòng)，降低廢氣在窯頭余熱鍋爐內(nèi)的流速，廢氣中攜帶的粉塵顆粒在上升的過(guò)程中，受到顆粒自身重力的作用，顆粒速率逐漸減?。p時(shí)和速度的3次方以上成正比），達(dá)到了降低磨損的效果。如圖4所示，通過(guò)鍋爐底部?jī)?nèi)置沉降室，粉塵顆粒的分離效率≮70%，有效地減少了窯頭余熱鍋爐受熱面的積灰和粉塵顆粒對(duì)鍋爐受熱面管束的沖擊磨損。

窯頭余熱鍋爐入口處布置了2～4排“假管”和均流裝置，有效防止了前幾排受熱面因廢氣的沖刷而造成磨損。

3.2　蒸發(fā)器之后設(shè)置一組省煤器以降低煙溫，提高鍋爐蒸發(fā)量

原來(lái)的單壓系統(tǒng)在不同的設(shè)計(jì)壓力下，結(jié)構(gòu)上沒(méi)有顯著區(qū)別，但由于窄點(diǎn)高低不一，在蒸氣段省煤器的布置上有所不同。1.25MPa參數(shù)鍋爐一般較少或不布置省煤器，鍋爐只設(shè)置蒸發(fā)器，蒸發(fā)器后為公共熱水器。熱水器出水經(jīng)給水操縱臺(tái)分配后直接進(jìn)入鍋筒。這種系統(tǒng)主要存在以下缺點(diǎn)：

（1）由于給水直接進(jìn)入鍋筒，當(dāng)熱水器出水溫度較低時(shí)，給水進(jìn)入鍋筒后，內(nèi)部水位波動(dòng)較大，不便于控制。

（2）由于沒(méi)有省煤器，相當(dāng)于蒸發(fā)器需要更多的熱量來(lái)加熱給水，蒸發(fā)器水循環(huán)流速較大，降低了傳熱效率和蒸發(fā)器的壽命。

（3）由于蒸發(fā)器內(nèi)為飽和溫度的工質(zhì)，進(jìn)一步降低蒸發(fā)器出口煙氣溫度的代價(jià)非常大。在本次改造項(xiàng)目中，省煤器翅片管面積約2 000m2，省煤器后出口煙氣溫度約200.7℃，鍋爐蒸發(fā)量26.9t/h。而要達(dá)到相同的蒸發(fā)量（主蒸氣段出口煙氣溫度約200.7℃），只設(shè)置蒸發(fā)器（飽和溫度195.7℃，窄點(diǎn)溫差只有5℃），需要的額外蒸發(fā)器面積是3 000m2。這種較低的窄點(diǎn)設(shè)計(jì)非常不經(jīng)濟(jì)也不合理，從投資費(fèi)用及余熱利用效率最佳的角度考慮，必然存在一個(gè)合理選擇余熱鍋爐窄點(diǎn)溫差的問(wèn)題，合理的窄點(diǎn)溫差一般范圍為10～20℃，最低建議≮7℃。

當(dāng)然，由于煙氣自下向上流動(dòng)，省煤器中的水設(shè)計(jì)也只能由下向上流，以便將水在受熱時(shí)產(chǎn)生的汽泡沖走，以免管壁因汽泡停滯而腐蝕或燒壞。這樣設(shè)計(jì)的省煤器只能采用順流結(jié)構(gòu)，即出口煙溫不能低于省煤器出口水溫，因此其換熱能力有一定的瓶頸，在熱平衡計(jì)算時(shí)需要注意。

3.3　鍋爐內(nèi)部管束節(jié)距的合理設(shè)計(jì)

合理設(shè)計(jì)鍋爐內(nèi)部管束節(jié)距，煙氣流速小，鍋爐本體阻力較小，鍋爐受熱面不易積灰，換熱效果良好。

3.4　其他改造

通過(guò)鍋爐本體范圍外的其他改造，提高鍋爐入口煙溫，減少系統(tǒng)漏風(fēng)、散熱損失和煙氣阻力，進(jìn)一步提高了鍋爐蒸發(fā)量和系統(tǒng)發(fā)電量。

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