回轉(zhuǎn)窯余熱鍋爐改造設(shè)計(jì)原則探討及改造經(jīng)驗(yàn)

工源、本溪兩水泥廠共有6臺(tái)普通干法回轉(zhuǎn)窯，窯尾都有余熱發(fā)電鍋爐，相應(yīng)配套2臺(tái)12MW，3臺(tái)6MW中溫中壓汽輪發(fā)電機(jī)組。長(zhǎng)期以來窯、爐處于低水平運(yùn)行，一直未達(dá)到設(shè)計(jì)能力，窯產(chǎn)量偏低，同時(shí)發(fā)電自供率低，外購(gòu)電量大，購(gòu)電成本居高不下，直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。為此，1999年4月對(duì)問題較大的工源廠4號(hào)爐進(jìn)行了改造，運(yùn)行一年來，效果顯著。  

1　余熱鍋爐存在的問題 

回轉(zhuǎn)窯余熱鍋爐工藝布置如圖1。  
　　 

圖1　回轉(zhuǎn)窯余熱鍋爐工藝布置 

1)各受熱面布置分配及結(jié)構(gòu)不合理，當(dāng)煙氣溫度不穩(wěn)定時(shí)，過熱器時(shí)有超溫?zé)龎?，同時(shí)，過熱器、對(duì)流管簇、省煤器受熱面都有掛灰、積灰、堵灰，致使局部煙氣流速過高，各受熱面磨損快，泄漏、爆管事故頻繁，嚴(yán)重影響鍋爐安全運(yùn)行。 
　　
2)由于上述問題造成整爐煙氣阻力增大，窯負(fù)壓偏低，窯尾煙氣不能順暢排出，影響了窯的產(chǎn)量，不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。 
　　
3)排煙溫度原設(shè)計(jì)偏高，加上上述因素的影響，熱交換工況惡化，產(chǎn)汽量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，鍋爐熱效率大為降低，導(dǎo)致排煙溫度更高，也使后級(jí)煙氣靜電除塵器工況惡化，煙氣排放超標(biāo)。 
　　
4)原設(shè)計(jì)輕型爐墻與鋼制拉灰槽漏風(fēng)嚴(yán)重，各級(jí)煙氣流速偏高，爐內(nèi)沉降回收粉塵少，使引風(fēng)機(jī)工況惡化，磨損加劇，出力減少，并形成惡性循環(huán)。 
　　
多年來，維修、更換設(shè)備頻繁，窯爐開開停停，1998年7月，在沒有辦法的情況下，把高溫對(duì)流管簇下部的級(jí)間隔煙墻拆掉1m左右，讓煙氣短路，減少部分煙氣阻力，以勉強(qiáng)維持窯的運(yùn)轉(zhuǎn)。 

2　問題分析 

　　1)煙氣中粉塵特性的影響。這類窯的排煙粉塵濃度高達(dá)120～150g/m3(標(biāo)況)，溫度一般在810～890℃，懸浮的粉塵微粒處于熔融狀態(tài)，粘附性極強(qiáng)，據(jù)測(cè)定，當(dāng)煙溫降至650℃以下時(shí)，才能逐漸固態(tài)化。原鍋爐水冷屏(防焦管簇)布置數(shù)量偏少，流速偏高，煙氣流經(jīng)的時(shí)間短，煙氣經(jīng)過水冷屏后，溫降不大(原設(shè)計(jì)由870℃降為700℃)，當(dāng)煙氣流量波動(dòng)、煙溫高于870℃時(shí)，該級(jí)出口煙溫比設(shè)計(jì)值要高許多，煙氣中的粉塵微粒來不及整體固化就進(jìn)入過熱器，而過熱器管內(nèi)介質(zhì)為高溫蒸汽，管壁溫度相對(duì)較高，煙氣中濃度較高的未經(jīng)整體固化呈熔融態(tài)的粉塵微粒很快就粘附在過熱器管壁上，使傳熱惡化，造成煙溫降不下來，過熱蒸汽溫度上不去，管壁溫度高的不良工況，同時(shí)使得掛灰越來越厚，造成結(jié)焦、堵塞煙氣通道，阻力增大，加劇過熱器管道磨損與過熱，致使泄漏、爆管。這種不良工況又影響下一級(jí)高溫對(duì)流管簇，如此下推，使整爐最后的排煙溫度偏高，熱效率大為下降，產(chǎn)汽量從未達(dá)到原設(shè)計(jì)要求。 
　　
2)粉塵熱函即焓值的影響。在水泥回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行中，煙氣窯灰飛灰遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于燃煤中不可燃的固形物，飛灰焓值在排出窯尾時(shí)高達(dá)113～125kJ/m3(標(biāo)況)，盡管在冷煙室和余熱鍋爐各受熱面有所沉降，其熱能不能全部被余熱鍋爐受熱面所吸收，但可利用的熱能仍很可觀，經(jīng)計(jì)算，可提高熱效率5%～7%，原鍋爐設(shè)計(jì)沒有考慮飛灰焓值的熱影響，熱力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況相差較大，直接影響到鍋爐的運(yùn)行，也導(dǎo)致排煙溫度不正常的偏高。 
　　
3)鍋爐結(jié)構(gòu)的影響。原設(shè)計(jì)因?yàn)闆]有充分考慮水泥窯煙氣中粉塵特性和粉塵焓值的影響，為追求較高的傳熱系數(shù)和較少的金屬耗量，選取了較高的各級(jí)煙氣流速，使各級(jí)受熱面管距小，通道狹窄，煙氣阻力較大。在結(jié)構(gòu)上，各級(jí)受熱面吸熱量分配不合理，排煙溫度原設(shè)計(jì)較高，而實(shí)際上更高，致使熱效率低下。 
　　
4)熱效率分析。我們將不同工況下4號(hào)余熱鍋爐理論計(jì)算熱效率列于表1，折合發(fā)電能力見圖2。  

表1 不同進(jìn)、排煙溫度下的余熱鍋爐熱效率%    
  

圖2　不同工況下折合發(fā)電能力 

注：α為省煤器后過剩空氣系數(shù)。 
　　
從圖表中可以看出:不同工況下的熱效率相差較大，圖中B點(diǎn)為原設(shè)計(jì)欲達(dá)到的工作點(diǎn)，C點(diǎn)為1998年7月未打掉隔煙墻時(shí)典型工作點(diǎn)，D點(diǎn)為打掉部分隔煙墻后的典型工作點(diǎn)，A點(diǎn)為改造設(shè)計(jì)欲達(dá)到的典型工作點(diǎn)，該點(diǎn)預(yù)期發(fā)電能力為4713kW，預(yù)期凈增1400kW左右。要想達(dá)到目的，主要取決于兩點(diǎn)，其一是盡量降低排煙溫度和合理布置受熱面使其不掛灰堵焦。由于是干法生產(chǎn)，煙氣中水蒸氣含量低，同時(shí)我們現(xiàn)用的是低硫煤，硫在窯內(nèi)與CaCO3發(fā)生反應(yīng)，消除了煙氣中大部分SO2、SO3，所以露點(diǎn)與酸霧點(diǎn)低，加上鍋爐給水是除氧水、水溫較高，不易產(chǎn)生尾部受熱面煙氣側(cè)酸性腐蝕，這是與普通燃煤鍋爐所不同的，所以設(shè)計(jì)中可以選取規(guī)范中(150～200℃)的低限值，以獲得較高的熱效率，并有利于改善后級(jí)靜電除塵器的工況；其二是盡量降低過剩空氣系數(shù)，因?yàn)橥瑴囟?，不同過剩空氣系數(shù)的煙氣，其排煙焓值是大不相同的，余熱鍋爐內(nèi)不存在燃燒過程，因此采取一切必要措施，盡量減少冷空氣的漏入量，對(duì)于提高熱效率來說，可收到事半功倍的效果。 

3　改造設(shè)計(jì)的原則和方案探討 

1)受現(xiàn)場(chǎng)廠房條件、改造時(shí)間和經(jīng)濟(jì)條件的限制，我們將爐基礎(chǔ)、鋼架、汽包及其位置均保持不動(dòng)，即爐膛寬度不變，縱向深度不變，只是將受熱面管簇向上增加0.7m同時(shí)也向下增加0.4m，增加了煙氣通道的高度，使?fàn)t膛截面變大，這樣就可以依照熱力計(jì)算方便地調(diào)整各受熱面積大小，拉開橫向管距，調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，也可以使自然循環(huán)倍率提高。 
　　
2)必須較大幅度地增加水冷屏受熱面積，在熱力計(jì)算時(shí)要考慮窯尾煙氣工況的變化，對(duì)進(jìn)入余熱鍋爐水冷屏的煙氣流量、溫度適當(dāng)取較高值，目的是確保經(jīng)過水冷屏后，煙氣溫度能降到650℃左右，使煙氣中的粉塵微粒不再處于熔融狀，不易粘附在下級(jí)(過熱器)的管壁上。但煙氣溫度也不能降得過多，因?yàn)檫€必須與過熱蒸汽(450℃)有相當(dāng)?shù)臏夭睿员ＷC能產(chǎn)生合格溫度的過熱蒸汽。為防止磨損，水冷屏管簇必須采用順排，管子橫向節(jié)距不得小于280mm，同時(shí)為了防止掛灰、積灰，此處設(shè)計(jì)煙氣流速不宜過高與過低，以5～5.5m/s為宜，由于此處蒸發(fā)量提高，相應(yīng)的水循環(huán)下降管及上升導(dǎo)汽管截面要適當(dāng)加大。 
　　
3)過熱器的設(shè)計(jì)要求是在保證出口蒸汽溫度的前提下盡量減少煙氣阻力，拉開橫向管間距，兼顧防磨與防積灰，爐膛升高后，過熱器蛇形管直線段拉長(zhǎng)，是采用多分段還是少分段換熱制式，視計(jì)算蒸汽在管內(nèi)的允許流速及壓降要求而定。 
　　
4)對(duì)流管簇與省煤器的布置要綜合考慮，由于煙氣溫度沿程逐步降低，煙氣與工質(zhì)間的平均溫壓前者與后者不同，為取得較好的效果，這兩級(jí)分配的吸熱量要優(yōu)選，設(shè)計(jì)原則是兼顧防磨，防積灰，減少阻力，盡量降低排煙溫度，獲取高的效益，不要追求高傳熱系數(shù)，將對(duì)流管簇由錯(cuò)列改為順列，在余下的縱向空間內(nèi)多布置一些受熱面。究竟對(duì)流受熱面和省煤器受熱面誰(shuí)多一些，要根據(jù)溫壓及換熱系數(shù)綜合平衡而定。前級(jí)煙氣流速以5～6m/s、后級(jí)4～5m/s為宜。 
　　
5)改原輕型爐墻為重型保溫爐墻，采用較好的保溫及密封材料，在砌筑、烘爐保養(yǎng)及運(yùn)行時(shí)嚴(yán)格遵守規(guī)程。盡量減少漏風(fēng)是改造成敗的關(guān)鍵之一，為此對(duì)爐門、觀察孔、測(cè)量孔、打焦孔、吹灰孔及爐墻與鋼架結(jié)合部、各種伸縮縫、拉灰鏈條的進(jìn)出口要采取一些必要的密封措施(如外框加套鋼板、高溫凹凸密封條、結(jié)合部二次澆筑等)，同時(shí)將原鋼制拉灰槽改為整體澆筑的混凝土拉灰槽。 
　　
6)各級(jí)受熱面之間的縱向間隔以580～620mm為宜，煙氣在此間隔內(nèi)流速降低很多，便于窯灰粉塵沉降回收，此外左右均設(shè)便于檢查、清掃、維修的人孔門。各級(jí)管簇底部的前后均需設(shè)置隔煙墻，該墻上部與管簇底部間的間隙不要留得過大，只需考慮管道的伸縮即可，以防止煙氣短路。省煤器蛇形管簇系水平布置，其左右180°彎頭部位與側(cè)墻的縫隙比水平管間的縫隙要大，煙氣要走捷徑，加快了彎頭部位的磨損，為此在筑爐時(shí)，在第一排管簇前和中間分段部及最后一排管簇后的左右爐墻內(nèi)側(cè)沿高度方向多挑出一列立磚，或者在上述部位預(yù)先嵌入垂直帶鉤鋼板，以阻擋該處煙氣局部走捷徑。 
　　
根據(jù)以上的分析論證和設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則，我們委托鞍山鍋爐集團(tuán)、鍋爐研究所進(jìn)行研究并開發(fā)設(shè)計(jì)了工源廠4號(hào)余熱鍋爐改造施工方案。 
　　
改造前后各設(shè)計(jì)參數(shù)性能對(duì)照見表2。  

4　改造結(jié)果及經(jīng)驗(yàn) 

　　1)利用1999年春季大修時(shí)機(jī)對(duì)工源廠4號(hào)余熱鍋爐進(jìn)行了改造，歷時(shí)45d，總投資374萬(wàn)元，金屬主材消耗180余t，運(yùn)行一年多來，達(dá)到和超過了設(shè)計(jì)預(yù)想的各項(xiàng)指標(biāo)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 
　　
窯頭負(fù)壓由改造前的30～50Pa提高到100Pa，滿足了工藝要求，窯運(yùn)行工況穩(wěn)定，產(chǎn)量達(dá)標(biāo)，而且提高了1.1t/h，質(zhì)量更穩(wěn)定，整窯運(yùn)轉(zhuǎn)率提高，盡管停產(chǎn)改造耽誤了一些時(shí)間，但仍然超額完成了全年熟料生產(chǎn)計(jì)劃。 
　　
蒸汽產(chǎn)量，由改造前17t/h提高到28～29t/h，凈增相應(yīng)發(fā)電能力大于1400kW，比原設(shè)計(jì)凈增800kW。截止到1999年底，8個(gè)月內(nèi)增加發(fā)電量0.12億kWh，全廠發(fā)電自給率從1998年的65.83%提高到77%，在全廠水泥產(chǎn)量比1998同期略有增加的情況下，少外購(gòu)電783.6萬(wàn)kWh，少支付電費(fèi)392.8萬(wàn)元，全廠每噸水泥外購(gòu)電成本下降了5.74元(僅此一項(xiàng)，當(dāng)年收回全部改造投資)，經(jīng)核算4號(hào)窯每噸熟料的綜合能耗接近較先進(jìn)的窯外分解窯的水平。 
　　排煙溫度的降低，大大改善了引風(fēng)機(jī)和后級(jí)靜電除塵器的工況。 
　　
2)存在的問題。由于各級(jí)受熱面中煙氣流速的降低，吸熱量分配合理了，受熱面管簇的掛灰、結(jié)焦雖然很少，但各級(jí)下部及級(jí)間間隔內(nèi)窯灰的沉降量比以前增大，特別是水冷屏和過熱器下部，當(dāng)窯頭負(fù)壓偏高拉灰鏈出口小而漏風(fēng)，出灰不暢時(shí)，下部窯灰堆積堵塞發(fā)生過3次，經(jīng)調(diào)整窯通風(fēng)及負(fù)壓分配，另在這兩個(gè)部位增設(shè)了掃灰門，加強(qiáng)運(yùn)行中的檢查及清掃后，此問題已經(jīng)解決。另一個(gè)問題是省煤器前幾排水平蛇形管靠近左右側(cè)彎頭的直線段處磨損較大，經(jīng)分析是此處煙氣通道間隙大，由于煙氣走捷徑?jīng)_刷而致，待以后結(jié)合大修，調(diào)整解決。