濰坊山水水泥2500T/D水泥窯純余熱鍋爐設(shè)計

　　一、系統(tǒng)設(shè)想

　　本工程為利用水泥窯的窯頭、窯尾廢氣余熱進行發(fā)電。為充分利用窯頭冷卻機排放的廢氣余熱，設(shè)置獨立的ASH窯頭低溫過熱器，AQC窯頭余熱鍋爐，SP窯尾余熱鍋爐。

　　水泥窯熟料冷卻機廢氣經(jīng)ASH低溫余熱過熱器后再進窯頭AQC鍋爐。ASH的作用是將AQC爐、SP爐生產(chǎn)2.5Mpa飽和蒸汽過熱為380℃過熱蒸汽以供汽輪機發(fā)電用。由于布置與熱效率要求，結(jié)構(gòu)上采用臥式布置，過熱器出口廢氣溫度控制范圍為300℃～340℃左右。設(shè)計時應(yīng)考慮水泥窯熟料冷卻機廢氣對余熱過熱器的嚴(yán)重磨損特性，同時注意漏風(fēng)、防磨、防堵等措施。

　　水泥窯熟料冷卻機廢氣經(jīng)AQC低溫余熱鍋爐后進窯頭收塵。AQC鍋爐的作用為生產(chǎn)2.5Mpa飽和蒸汽經(jīng)過熱器過熱后供汽輪機發(fā)電用；生產(chǎn)0.25MPa飽和蒸汽用于鍋爐給水除氧及汽機補汽；生產(chǎn)的熱水進入除氧器除氧（同時作為0.25MPa蒸汽段的給水），除氧后的水由鍋爐給水泵為SP爐、AQC爐2.5MPa蒸汽段供水。由于占地面積與鍋爐熱效率要求，結(jié)構(gòu)上采用模塊立式布置，鍋爐出口廢氣溫度控制范圍為90℃～100℃左右。鍋爐設(shè)計時應(yīng)考慮水泥窯熟料冷卻機廢氣對余熱鍋爐的嚴(yán)重磨損特性，同時注意漏風(fēng)、防磨、防堵等措施。

　　水泥窯窯尾廢氣經(jīng)SP低溫余熱鍋爐后進窯尾收塵。SP鍋爐的作用為生產(chǎn)2.5Mpa飽和蒸汽經(jīng)窯頭熟料冷卻機低溫余熱過熱器過熱后供汽輪機發(fā)電用。由于占地面積與鍋爐熱效率要求，結(jié)構(gòu)上采用立式布置，鍋爐出口廢氣溫度控制范圍為195℃～210℃左右。鍋爐設(shè)計時應(yīng)考慮水泥窯余熱鍋爐的特性，注意漏風(fēng)、防磨、防堵等措施。

　　二、窯頭鍋爐的設(shè)計

　　1．窯頭鍋爐的設(shè)計參數(shù)

　　鍋爐進口煙氣量：Vr=92512Nm3/h

　　鍋爐進口廢氣負(fù)壓：P=-800Pa

　　鍋爐進口設(shè)計煙氣溫度：t=327℃

　　粉塵含量：μg=50g/Nm3

　　鍋爐總漏風(fēng)：≤2%

　　鍋爐總廢氣阻力：≤480Pa

　　鍋爐2.5MPa蒸汽段

　　額定蒸汽壓力：2.5MPa（絕對壓力）

　　額定蒸汽溫度：飽和溫度

　　額定蒸發(fā)量：≥5.5t/h

　　鍋爐0.25MPa蒸汽段

　　額定蒸汽壓力：0.25MPa（絕對壓力）

　　額定蒸汽溫度：160℃

　　額定蒸發(fā)量：3.0t/h

　　鍋爐熱水段

　　額定出水壓力：0.5MPa（絕對壓力）

　　額定出水溫度：100℃

　　額定出水量：21t/h

　　最大出水量：≤28t/h

　　給水溫度：30℃

　　鍋爐出口設(shè)計煙氣溫度：≤98℃

　　2．窯頭鍋爐設(shè)計要點

　　2.1窯頭煙氣中灰顆粒硬，受熱面的防磨問題；

　　2.2鍋爐設(shè)計時要考慮窯頭煙氣變化大的問題；

　　2.3可以接受的積灰保證有效換熱；

　　2.4可靠的密封結(jié)構(gòu)，盡可能減少漏風(fēng)，減少熱損失，減輕對水泥窯生產(chǎn)的影響；

　　2.5合適的煙氣側(cè)阻力，可接受的動力消耗。

　　3．窯頭鍋爐的結(jié)構(gòu)特點

　　3.1立式自然循環(huán)，從上而下布置2.5MPa段蒸發(fā)管、 2.5MPa段省煤器；0.25MPa段蒸發(fā)管；熱水器。

　　3.2蒸發(fā)管、省煤器、熱水器均與框架一起組成各自獨立管箱，組裝出廠。

　　3.3受熱面管采用螺旋繞翅管。

　　3.4鍋爐內(nèi)護板密封結(jié)構(gòu)減少漏風(fēng)。

　　4．窯頭鍋爐的防磨設(shè)計

　　4.1鍋爐AQC鍋爐的防靡設(shè)計是關(guān)鍵。

　　4.2設(shè)計時，選取較低煙氣流速，低于5m/s。

　　4.3煙氣進口變徑煙道，設(shè)有煙氣均流裝置。

　　4.4采用小螺距高繞翅片管。

　　4.5管組內(nèi)設(shè)有隔板、導(dǎo)流板，減少煙氣流動不均勻。

　　4.6管箱內(nèi)集箱、管組彎頭處均設(shè)有防磨裝置。

　　5．窯頭鍋爐的密封設(shè)計

　　5.1水泥窯余熱鍋爐的運行工況對鍋爐的密封設(shè)計提出更高要求。

　　5.2負(fù)壓高，要采取可靠結(jié)構(gòu)密封。

　　5.3漏風(fēng)量大會造成水泥窯運行不穩(wěn)定。

　　5.4漏風(fēng)量大會造成余熱鍋爐效率降低。

　　5.5采用管箱組裝出廠，優(yōu)良的制造質(zhì)量保證。

　　5.6采用內(nèi)護板密封，所有密封焊在廠內(nèi)進行密封試驗檢查。

　　5.7集箱采用內(nèi)置式。

　　5.8確保漏風(fēng)率低于1%。

　　6．窯頭鍋爐的保溫設(shè)計

　　6.1水泥窯余熱鍋爐要充分利用余熱，對鍋爐的保溫設(shè)計提出更高要求；

　　6.2采用輕型護板爐墻；

　　6.3材料采用硅酸鋁纖維板；

　　6.4保溫層厚度為160mm；

　　6.5在環(huán)境溫度為25℃時，護板外表面溫度低于40℃。

　　三、窯尾鍋爐的設(shè)計

　　1．窯尾鍋爐的設(shè)計參數(shù)

　　鍋爐進口煙氣量：Vr=180000Nm3/h

　　鍋爐進口廢氣負(fù)壓：P=-6480Pa

　　鍋爐進口設(shè)計煙氣溫度：t=330℃

　　粉塵含量：μg=120g/Nm3

　　鍋爐出口設(shè)計煙氣溫度：t≤209℃

　　鍋爐總漏風(fēng)：≤3%

　　鍋爐總廢氣阻力：≤800Pa

　　額定蒸汽壓力：2.5MPa（絕對壓力）

　　額定蒸汽溫度：飽和溫度

　　額定蒸發(fā)量：≥12.5t/h

　　給水溫度：100℃

　　2．窯尾鍋爐的設(shè)計要點

　　2.1窯尾煙氣中灰塵濃度大，必須采取可靠防積灰措施。

　　2.2負(fù)壓大，必須采用可靠的密封結(jié)構(gòu)，盡可能減少漏風(fēng)，減少熱損失，減輕對水泥窯生產(chǎn)的影響。

　　2.3合適的煙氣側(cè)阻力，可接受的動力消耗。

　　3．窯尾鍋爐的結(jié)構(gòu)特點

　　3.1立式自然循環(huán)，從上而下布置蒸發(fā)管、省煤器。

　　3.2蒸發(fā)管、省煤器均采用懸吊結(jié)構(gòu)。

　　3.3光管蛇形管組的結(jié)構(gòu)解決了管束受熱膨脹。

　　3.4鍋爐內(nèi)護板密封結(jié)構(gòu)減少漏風(fēng)。

　　3.5采用內(nèi)置式集箱，大大減少了穿墻管。

　　3.6采用機械振打，一種節(jié)能、連續(xù)清灰方式。

　　4．窯尾鍋爐的密封設(shè)計

　　4.1水泥窯余熱鍋爐的運行工況對鍋爐的密封設(shè)計提出更高要求。

　　4.2負(fù)壓更高，要采取可靠結(jié)構(gòu)密封。

　　4.3漏風(fēng)量大會造成水泥窯運行不穩(wěn)定。

　　4.4漏風(fēng)量大會造成余熱鍋爐效率降低。

　　4.5采用內(nèi)置式集管，大大減少了穿墻管的漏風(fēng)。

　　4.6通風(fēng)梁、管箱等采用金屬膨脹節(jié)密封。

　　4.7機械掁打穿墻處采用柔性密封。

　　4.8確保漏風(fēng)率低于2%。

　　5．窯尾鍋爐的水動力特性

　　5.1立式窯尾鍋爐采用自然循環(huán)水平蒸發(fā)受熱面的結(jié)構(gòu)形式。

　　5.2對所有參數(shù)均進行水動力計算，考慮鍋爐鋼耗、占用空間、鍋爐基礎(chǔ)投資等經(jīng)濟指標(biāo)，確保循環(huán)高度提供足夠的自然水循環(huán)動力。

　　5.3根據(jù)合理的含汽率和質(zhì)量流速確定水平蒸發(fā)管的管徑和安全可靠的5.4循環(huán)倍率，高循環(huán)倍率可強化傳熱。

　　5.5同等的受熱面根據(jù)布置空間盡量增加管圈數(shù)，可減少沿程管子總長和質(zhì)量含汽率降低流阻。

　　5.6最低循環(huán)高度處蒸發(fā)管采用傾斜布置，防止蒸發(fā)面發(fā)生傳熱危機和汽水分層，強化傳熱提高熱效率。

　　5.7采用大口徑下降管、引出管，降低自身流阻，下降管總截面fxj、引出管總截面fyc與蒸發(fā)管總截面fs比值大于0.4。

　　5.8蒸發(fā)管循環(huán)流速滿足帶走管內(nèi)污垢的流速Wo>0.4m/s，確保鍋爐的安全可靠。

　　四、ASH過熱器的設(shè)計

　　1．ASH過熱器的設(shè)計參數(shù)

　　鍋爐進口煙氣量：Vr=36000Nm3/h

　　鍋爐進口廢氣負(fù)壓：P=-800Pa

　　鍋爐進口設(shè)計煙氣溫度：t=486℃

　　粉塵含量：μg=50g/Nm3

　　額定進口蒸汽壓力：2.45MPa（絕對壓力）

　　額定進口蒸汽溫度：飽和溫度

　　額定出口蒸汽壓力：2.4MPa（絕對壓力）

　　額定出口蒸汽溫度：380℃

　　額定蒸汽流量： 18t/h

　　2．ASH過熱器設(shè)計要點

　　2.1窯頭煙氣中灰顆粒硬，受熱面的防磨問題；

　　2.2鍋爐設(shè)計時要考慮窯頭煙氣變化大的問題；

　　2.3可以接受的積灰保證有效換熱；

　　2.4可靠的密封結(jié)構(gòu)，盡可能減少漏風(fēng)，減少熱損失，減輕對水泥窯生產(chǎn)的影響；

　　2.5合適的煙氣側(cè)阻力，可接受的動力消耗；

　　3．ASH過熱器的結(jié)構(gòu)特點

　　3.1ASH過熱器采用臥式布置。

　　3.2受熱面采用合金螺旋翅片管。

　　3.3管子彎頭、集箱布置在煙道外，不會磨損。

　　3.4整體組裝出廠。

　　五、鍋爐設(shè)計時應(yīng)注意的問題

　　1．鍋爐漏風(fēng)的影響

　　理論上漏風(fēng)率由2％增加到3％，鍋爐蒸發(fā)量下降0.8%左右。實際在鍋爐投運后，由于漏風(fēng)點位置、漏風(fēng)集中等原因，當(dāng)漏風(fēng)率由2％增加到3％，鍋爐蒸發(fā)量下降遠遠大于0.8%。

　　2．灰濃度對鍋爐蒸發(fā)量的影響

　　灰濃度高易使受熱面積灰，影響傳熱效果，鍋爐投運后，表現(xiàn)在蒸發(fā)量下降，排煙溫度上升?；覞舛雀?，灰所帶進的熱量也高。對于窯尾鍋爐，采用了機械振打清灰，減輕了高灰對傳熱的影響，灰濃度每增加20g/Nm3，鍋爐蒸發(fā)量增加0.9%~1%。

　　3．鍋爐運行時壓力參數(shù)變化的影響

　　對于額定蒸汽壓力2.45MPa的余熱鍋爐，如按2.0MPa壓力運行，產(chǎn)汽量將上升2%左右，過熱蒸汽溫度將下降約1~2％，同時過熱器和省煤器中介質(zhì)平均流速都有較大幅度提高。為適應(yīng)運行時壓力參數(shù)的變化，受熱面布置應(yīng)遵循“上多下少”的原則，即：①充足的過熱器；②適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)器；③較少的省煤器或不布置省煤器。

　　4．溫度參數(shù)變化對鍋爐部件設(shè)計的影響

　　水泥窯頭煙氣溫度上下變化幅度很大，也很頻繁，當(dāng)煙氣溫度升高時，余熱鍋爐產(chǎn)汽量隨之上升，為控制汽水阻力在一個合理的水平，在布置過熱器和省煤器時應(yīng)考慮比較低的介質(zhì)平均流速（這樣考慮對鍋爐降壓運行也有好處）。采用大直徑汽包，增加水容量，減輕水位的波動。按可能的最高進口煙氣溫度選用合適的材質(zhì)，按可能的最大蒸發(fā)量確定鍋爐安全閥等。

　　5．系統(tǒng)設(shè)計壓力的比較

　　目前水泥窯純低溫余熱鍋爐代表性的設(shè)計壓力有2.45MPa、1.25MPa、0.8MPa三種，以1.25MPa最為普遍。不同設(shè)計壓力的余熱鍋爐，在結(jié)構(gòu)上并沒有顯著的差異，但由于窄點高低不一，在蒸汽段省煤器的布置上有所不同：2.45MPa鍋爐布置較多省煤器；1.25MPa鍋爐布置較少或不布置省煤器；0.8MPa鍋爐基本不布置省煤器。不同設(shè)計壓力的余熱鍋爐每蒸噸鋼耗率有差別，壓力高則鋼耗也略高。對于進出口煙氣條件相同余熱鍋爐，配置不同的設(shè)計壓力，主蒸汽焓值相差不大。但壓力越高，從熱力學(xué)角度看，做功效率會有所提高，如果要確定合理的蒸汽壓力參數(shù)，還需考慮到系統(tǒng)配置、投資成本等方面。

　　六、不同余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)的比較

　　常用的有單壓、閃蒸、雙壓余熱發(fā)電三種方式；單壓系統(tǒng)指窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐產(chǎn)生相近參數(shù)的主蒸汽，混合后進入汽輪機；窯頭余熱鍋爐生產(chǎn)的熱水供窯頭余熱鍋爐蒸汽段和窯尾余熱鍋爐；閃蒸系統(tǒng)指鍋爐產(chǎn)生一定壓力的主蒸汽和熱水，主蒸汽進入汽輪機高壓進汽口，熱水經(jīng)過閃蒸，生產(chǎn)低壓的飽和蒸汽，補入補汽式汽輪機的低壓進汽口。雙壓系統(tǒng)指余熱鍋爐生產(chǎn)較高壓力和較低壓力的蒸汽，分別進入汽輪機的高、低壓進汽口。

　　選擇的依據(jù)：水泥窯自身特點決定的煙氣量和煙氣溫度，以及煙氣用于物料烘干溫度的高低。

　　鍋爐吸熱量的高低，取決于鍋爐排煙溫度的高低、鍋爐散熱量、鍋爐漏風(fēng)量。

　　吸熱量：雙壓系統(tǒng)高于閃蒸系統(tǒng)，閃蒸系統(tǒng)高于單壓系統(tǒng)。

　　發(fā)電量：雙壓系統(tǒng)高于閃蒸系統(tǒng)，閃蒸系統(tǒng)高于單壓系統(tǒng)。

　　七、濰坊山水水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)特點

　　采用最高發(fā)電量的雙壓發(fā)電系統(tǒng)；窯頭取風(fēng)口開在較高溫度區(qū)域，系統(tǒng)采用2.45MPa壓力參數(shù)，鍋爐吸熱量大，發(fā)電效率高；采用雙壓系統(tǒng)對水泥窯余熱條件的變化的適用性好；采用獨立的過熱器，方便調(diào)整過熱汽溫。

　　八、鍋爐的設(shè)計計算

　　在多年的試驗和理論研究基礎(chǔ)上，并結(jié)合多年設(shè)計及鍋爐運行經(jīng)驗，提出了自己的一套適合于水泥窯余熱鍋爐的設(shè)計計算方法，開發(fā)了單壓、雙壓系統(tǒng)的熱力計算程序，在多臺鍋爐上的實際應(yīng)用表明，鍋爐的運行參數(shù)和設(shè)計參數(shù)符合很好。