回轉窯余熱鍋爐改造設計原則探討及改造經驗

工源、本溪兩水泥廠共有6臺普通干法回轉窯，窯尾都有余熱發(fā)電鍋爐，相應配套2臺12MW，3臺6MW中溫中壓汽輪發(fā)電機組。長期以來窯、爐處于低水平運行，一直未達到設計能力，窯產量偏低，同時發(fā)電自供率低，外購電量大，購電成本居高不下，直接影響企業(yè)的經濟效益。為此，1999年4月對問題較大的工源廠4號爐進行了改造，運行一年來，效果顯著。  

1　余熱鍋爐存在的問題 

回轉窯余熱鍋爐工藝布置如圖1。  
　　 

圖1　回轉窯余熱鍋爐工藝布置 

1)各受熱面布置分配及結構不合理，當煙氣溫度不穩(wěn)定時，過熱器時有超溫燒壞，同時，過熱器、對流管簇、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，嚴重影響鍋爐安全運行。 
　　
2)由于上述問題造成整爐煙氣阻力增大，窯負壓偏低，窯尾煙氣不能順暢排出，影響了窯的產量，不能達產達標。 
　　
3)排煙溫度原設計偏高，加上上述因素的影響，熱交換工況惡化，產汽量達不到設計要求，鍋爐熱效率大為降低，導致排煙溫度更高，也使后級煙氣靜電除塵器工況惡化，煙氣排放超標。 
　　
4)原設計輕型爐墻與鋼制拉灰槽漏風嚴重，各級煙氣流速偏高，爐內沉降回收粉塵少，使引風機工況惡化，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，把高溫對流管簇下部的級間隔煙墻拆掉1m左右，讓煙氣短路，減少部分煙氣阻力，以勉強維持窯的運轉。 

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120～150g/m3(標況)，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，據(jù)測定，當煙溫降至650℃以下時，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，煙氣流經的時間短，煙氣經過水冷屏后，溫降不大(原設計由870℃降為700℃)，當煙氣流量波動、煙溫高于870℃時，該級出口煙溫比設計值要高許多，煙氣中的粉塵微粒來不及整體固化就進入過熱器，而過熱器管內介質為高溫蒸汽，管壁溫度相對較高，煙氣中濃度較高的未經整體固化呈熔融態(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，同時使得掛灰越來越厚，造成結焦、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高溫對流管簇，如此下推，使整爐最后的排煙溫度偏高，熱效率大為下降，產汽量從未達到原設計要求。 
　　
2)粉塵熱函即焓值的影響。在水泥回轉窯運行中，煙氣窯灰飛灰遠遠大于燃煤中不可燃的固形物，飛灰焓值在排出窯尾時高達113～125kJ/m3(標況)，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，經計算，可提高熱效率5%～7%，原鍋爐設計沒有考慮飛灰焓值的熱影響，熱力計算結果與實際工況相差較大，直接影響到鍋爐的運行，也導致排煙溫度不正常的偏高。 
　　
3)鍋爐結構的影響。原設計因為沒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，選取了較高的各級煙氣流速，使各級受熱面管距小，通道狹窄，煙氣阻力較大。在結構上，各級受熱面吸熱量分配不合理，排煙溫度原設計較高，而實際上更高，致使熱效率低下。 
　　
4)熱效率分析。我們將不同工況下4號余熱鍋爐理論計算熱效率列于表1，折合發(fā)電能力見圖2。  

表1 不同進、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?？諝庀禂?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點為原設計欲達到的工作點，C點為1998年7月未打掉隔煙墻時典型工作點，D點為打掉部分隔煙墻后的典型工作點，A點為改造設計欲達到的典型工作點，該點預期發(fā)電能力為4713kW，預期凈增1400kW左右。要想達到目的，主要取決于兩點，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，煙氣中水蒸氣含量低，同時我們現(xiàn)用的是低硫煤，硫在窯內與CaCO3發(fā)生反應，消除了煙氣中大部分SO2、SO3，所以露點與酸霧點低，加上鍋爐給水是除氧水、水溫較高，不易產生尾部受熱面煙氣側酸性腐蝕，這是與普通燃煤鍋爐所不同的，所以設計中可以選取規(guī)范中(150～200℃)的低限值，以獲得較高的熱效率，并有利于改善后級靜電除塵器的工況；其二是盡量降低過?？諝庀禂?shù)，因為同溫度，不同過?？諝庀禂?shù)的煙氣，其排煙焓值是大不相同的，余熱鍋爐內不存在燃燒過程，因此采取一切必要措施，盡量減少冷空氣的漏入量，對于提高熱效率來說，可收到事半功倍的效果。 

3　改造設計的原則和方案探討 

1)受現(xiàn)場廠房條件、改造時間和經濟條件的限制，我們將爐基礎、鋼架、汽包及其位置均保持不動，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同時也向下增加0.4m，增加了煙氣通道的高度，使爐膛截面變大，這樣就可以依照熱力計算方便地調整各受熱面積大小，拉開橫向管距，調整結構參數(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，在熱力計算時要考慮窯尾煙氣工況的變化，對進入余熱鍋爐水冷屏的煙氣流量、溫度適當取較高值，目的是確保經過水冷屏后，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(過熱器)的管壁上。但煙氣溫度也不能降得過多，因為還必須與過熱蒸汽(450℃)有相當?shù)臏夭睿员ＷC能產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，同時為了防止掛灰、積灰，此處設計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，相應的水循環(huán)下降管及上升導汽管截面要適當加大。 
　　
3)過熱器的設計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，是采用多分段還是少分段換熱制式，視計算蒸汽在管內的允許流速及壓降要求而定。 
　　
4)對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，煙氣與工質間的平均溫壓前者與后者不同，為取得較好的效果，這兩級分配的吸熱量要優(yōu)選，設計原則是兼顧防磨，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)，將對流管簇由錯列改為順列，在余下的縱向空間內多布置一些受熱面。究竟對流受熱面和省煤器受熱面誰多一些，要根據(jù)溫壓及換熱系數(shù)綜合平衡而定。前級煙氣流速以5～6m/s、后級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)及運行時嚴格遵守規(guī)程。盡量減少漏風是改造成敗的關鍵之一，為此對爐門、觀察孔、測量孔、打焦孔、吹灰孔及爐墻與鋼架結合部、各種伸縮縫、拉灰鏈條的進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、結合部二次澆筑等)，同時將原鋼制拉灰槽改為整體澆筑的混凝土拉灰槽。 
　　
6)各級受熱面之間的縱向間隔以580～620mm為宜，煙氣在此間隔內流速降低很多，便于窯灰粉塵沉降回收，此外左右均設便于檢查、清掃、維修的人孔門。各級管簇底部的前后均需設置隔煙墻，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，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側沿高度方向多挑出一列立磚，或者在上述部位預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計指導原則，我們委托鞍山鍋爐集團、鍋爐研究所進行研究并開發(fā)設計了工源廠4號余熱鍋爐改造施工方案。 
　　
改造前后各設計參數(shù)性能對照見表2。  

4　改造結果及經驗 

　　1)利用1999年春季大修時機對工源廠4號余熱鍋爐進行了改造，歷時45d，總投資374萬元，金屬主材消耗180余t，運行一年多來，達到和超過了設計預想的各項指標，取得了顯著的經濟效益。 
　　
窯頭負壓由改造前的30～50Pa提高到100Pa，滿足了工藝要求，窯運行工況穩(wěn)定，產量達標，而且提高了1.1t/h，質量更穩(wěn)定，整窯運轉率提高，盡管停產改造耽誤了一些時間，但仍然超額完成了全年熟料生產計劃。 
　　
蒸汽產量，由改造前17t/h提高到28～29t/h，凈增相應發(fā)電能力大于1400kW，比原設計凈增800kW。截止到1999年底，8個月內增加發(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%，在全廠水泥產量比1998同期略有增加的情況下，少外購電783.6萬kWh，少支付電費392.8萬元，全廠每噸水泥外購電成本下降了5.74元(僅此一項，當年收回全部改造投資)，經核算4號窯每噸熟料的綜合能耗接近較先進的窯外分解窯的水平。 
　　排煙溫度的降低，大大改善了引風機和后級靜電除塵器的工況。 
　　
2)存在的問題。由于各級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、結焦雖然很少，但各級下部及級間間隔內窯灰的沉降量比以前增大，特別是水冷屏和過熱器下部，當窯頭負壓偏高拉灰鏈出口小而漏風，出灰不暢時，下部窯灰堆積堵塞發(fā)生過3次，經調整窯通風及負壓分配，另在這兩個部位增設了掃灰門，加強運行中的檢查及清掃后，此問題已經解決。另一個問題是省煤器前幾排水平蛇形管靠近左右側彎頭的直線段處磨損較大，經分析是此處煙氣通道間隙大，由于煙氣走捷徑沖刷而致，待以后結合大修，調整解決。