某5 000t/d水泥熟料生產線窯頭余熱鍋爐的升級改造

茅正東，李光耀

窯頭鍋爐是水泥窯余熱發電系統中的一個重要設備，布置在窯頭篦冷機旁，吸收窯頭廢氣余熱。由于篦冷機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，而且整個系統的阻力較大，窯頭排風機的功率增加較多，致使投資增加。通過多年應用實踐發現，水泥窯超產可能導致窯頭取風量超過設計值，并且窯頭余熱鍋爐的風速大，對受熱面管束沖刷較強，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線，實際熟料總產量穩定在11 000～11 500t/d左右。配套建設的余熱電站于2006年投入運行，是長江以北較早投產的余熱發電機組。2016年前后窯頭鍋爐運行過程中發現，窯頭鍋爐及廢氣分離器內磨損嚴重，散熱損失大。窯頭鍋爐內部管束因漏水等原因封堵數量＞1/4，其他管壁變薄，存在重大的安全隱患，同時窯頭鍋爐本體漏風嚴重，影響換熱的同時增大了系統阻力；窯頭鍋爐內部管束較密，積灰嚴重，風阻系數大，換熱效果較差，對企業的經濟效益造成一定影響。

經對比研究，將窯頭鍋爐更換為“下進上出”的內置分離器鍋爐，這樣既可減少煙氣沿程溫度損失，又可減少系統阻力，配合采取其他有效措施，提高了鍋爐蒸發量和系統發電量。下面具體介紹該項目鍋爐的設計和升級改造情況，希望能對水泥窯余熱鍋爐設計和改造提供幫助。

1　原鍋爐設備總體狀況與改造措施

1.1　原鍋爐設備總體狀況

原窯頭鍋爐為“上進下出”式，安裝在水泥窯熟料冷卻機廢氣出口至收塵器之間的管道上，在進窯頭鍋爐前布置一個外置獨立沉降室，煙氣經過沉降室將熟料顆粒有效分離后進入鍋爐。鍋爐設計入口廢氣溫度360℃，廢氣流經過熱器、蒸發器、熱水器后，廢氣溫度降至110℃，再進入熟料冷卻機原有的電收塵器并經風機排入大氣。

鍋爐熱力系統為典型的單壓系統，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段生產參數為1.25MPa-345℃的過熱蒸氣；II段為熱水器段，其生產的180℃左右的熱水分為兩部分，其中一部分熱水進入窯頭余熱鍋爐I段，另一部分熱水提供給窯尾余熱鍋爐主蒸氣段。原鍋爐主要設計參數如表1。原鍋爐總圖見圖1。

1.2　鍋爐運行過程中主要問題

（1）鍋爐及廢氣分離器內磨損嚴重，散熱損失大。通過對原水泥窯窯頭各溫度點數據的標定，窯頭鍋爐篦冷機中部取風點平均煙溫438℃，而經過沉降室和一段煙風管道后，窯頭鍋爐入口煙溫只有370℃。

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

（3）鍋爐漏風嚴重，影響換熱的同時增大了系統阻力。

（4）鍋爐內部管束較密，積灰嚴重，風阻系數大，換熱效果較差。

（5）煤磨用風冷風閥位置不合理，距離取風點太近，而且常處于開啟狀態，冷風也易被窯頭排風機拉入窯頭鍋爐，影響了鍋爐入口溫度及產汽能力（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，減少系統漏風和散熱損失，提高鍋爐蒸發量和系統發電量。改造主要內容包括：更換新的采用下進風內置沉降室結構的窯頭余熱鍋爐，優化鍋爐結構，簡化煙氣系統；水泥生產線煤磨單獨取風，節約部分高溫風；根據標定的煙氣參數，重新核算鍋爐蒸發量，對受熱面做適應性調整。具體如下：

表1　原鍋爐主要設計參數

圖1　原鍋爐總圖

圖2　煤磨取風管道及冷風閥

2.1.1提高鍋爐入口煙溫

取消原獨立的沉降室結構，采用下進風內置沉降室，減少分離器和煙風管道磨損引起的散熱損失大的問題。

2.1.2煤磨單獨取風，以節約部分高溫風

2.1.3鍋爐受熱面結構調整

（1）增加受熱面面積：過熱器、蒸發器、熱水器面積全部根據新的鍋爐參數重新設計。

（2）根據實際情況，考慮在蒸發器后增加一組省煤器（縱向4排），熱水器180℃出水經給水操縱臺引入省煤器加熱后進入鍋筒。設置省煤器后，省煤器出口煙溫可進一步降低。

（3）根據鍋爐實際運行情況和改造后的主蒸氣溫度，過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，僅增加進風側鋼架柱。

（5）重新設計鍋爐平臺扶梯、煙氣進出口、護板及爐墻等鍋爐輔助結構件，尤其是護板密封和爐墻。通過精心設計，進一步降低了鍋爐本體漏風率，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管道和蒸氣管道，降低了系統漏風、散熱損失和蒸氣阻力。

改造后鍋爐總圖見圖3。

2.2　鍋爐改造主要設計參數

鍋爐主要設計參數見表2。

熱力計算見表3。

3　改造方案

3.1　下進風帶沉降室的新型結構

對窯頭鍋爐結構優化的目的就是要從磨損機理上解決窯頭鍋爐受熱面管束磨損問題，減小窯頭鍋爐的系統阻力，并簡化煙風管道系統，降低投資。

表2　鍋爐主要設計參數

圖3　改造后鍋爐總圖

表3　熱力計算匯總

3.1.1外置式沉降室的不足

由于篦冷機廢氣中的熟料顆粒粒徑較大，一般要在窯頭鍋爐前布置獨立沉降室進行重力沉降除塵，但外置沉降室占地面積很大，加上煙風管道，布置困難，且投資大，同時窯頭外置式沉降室有很大的表面散熱損失。布置外置獨立沉降室，窯頭排風機的功率相對增加較多，系統耗能增加，不利于整個余熱發電系統的穩定性和經濟性。

由于廢氣在窯頭余熱鍋爐內自上而下流動，進入窯頭余熱鍋爐的風速一般在12～15m/s，廢氣中攜帶的粉塵顆粒受重力加速度的作用，顆粒流速會更大，對窯頭鍋爐受熱面管束的沖刷強度增加，加速受熱面管束的磨損。

3.1.2下進風帶沉降室的鍋爐進口優化設計

通過研究原有窯頭鍋爐沉降室實際存在的問題，我們改變了傳統窯頭余熱鍋爐廢氣進口在上部、廢氣出口在下部的結構，將廢氣進口設在爐室下部，廢氣出口設在爐室上部，在窯頭余熱鍋爐底部設置內置沉降室，取消了原來系統的外置獨立沉降室。

圖4為下進風內置沉降室窯頭鍋爐結構示意圖。

下進風內置沉降室結構的三個特點如下：

（1）窯頭鍋爐內置沉降室；

（2）廢氣轉向沉降后，自下而上通過受熱面；

（3）進入鍋爐受熱面之前，布置有均流板和防磨“假管”。

圖4　下進風內置沉降室窯頭鍋爐結構示意圖

窯頭鍋爐與粉塵顆粒分離設備一體化，取消外置式沉降室，簡化了煙氣管道，減少了占地面積，節省了初始投資費用。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的阻力，系統總阻力＜800Pa，基本上不需要改造窯頭排風機，減少了余熱發電系統的運行成本。

廢氣從下而上流動，降低廢氣在窯頭余熱鍋爐內的流速，廢氣中攜帶的粉塵顆粒在上升的過程中，受到顆粒自身重力的作用，顆粒速率逐漸減?。p時和速度的3次方以上成正比），達到了降低磨損的效果。如圖4所示，通過鍋爐底部內置沉降室，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　蒸發器之后設置一組省煤器以降低煙溫，提高鍋爐蒸發量

原來的單壓系統在不同的設計壓力下，結構上沒有顯著區別，但由于窄點高低不一，在蒸氣段省煤器的布置上有所不同。1.25MPa參數鍋爐一般較少或不布置省煤器，鍋爐只設置蒸發器，蒸發器后為公共熱水器。熱水器出水經給水操縱臺分配后直接進入鍋筒。這種系統主要存在以下缺點：

（1）由于給水直接進入鍋筒，當熱水器出水溫度較低時，給水進入鍋筒后，內部水位波動較大，不便于控制。

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

（3）由于蒸發器內為飽和溫度的工質，進一步降低蒸發器出口煙氣溫度的代價非常大。在本次改造項目中，省煤器翅片管面積約2 000m2，省煤器后出口煙氣溫度約200.7℃，鍋爐蒸發量26.9t/h。而要達到相同的蒸發量（主蒸氣段出口煙氣溫度約200.7℃），只設置蒸發器（飽和溫度195.7℃，窄點溫差只有5℃），需要的額外蒸發器面積是3 000m2。這種較低的窄點設計非常不經濟也不合理，從投資費用及余熱利用效率最佳的角度考慮，必然存在一個合理選擇余熱鍋爐窄點溫差的問題，合理的窄點溫差一般范圍為10～20℃，最低建議≮7℃。

當然，由于煙氣自下向上流動，省煤器中的水設計也只能由下向上流，以便將水在受熱時產生的汽泡沖走，以免管壁因汽泡停滯而腐蝕或燒壞。這樣設計的省煤器只能采用順流結構，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，在熱平衡計算時需要注意。

3.3　鍋爐內部管束節距的合理設計

合理設計鍋爐內部管束節距，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

通過鍋爐本體范圍外的其他改造，提高鍋爐入口煙溫，減少系統漏風、散熱損失和煙氣阻力，進一步提高了鍋爐蒸發量和系統發電量。

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