回转窑余热锅炉改造设计原则探讨及改造经验

工源、本溪两水泥厂共有6台普通干法回转窑，窑尾都有余热发电锅炉，相应配套2台12MW，3台6MW中温中压汽轮发电机组。长期以来窑、炉处于低水平运行，一直未达到设计能力，窑产量偏低，同时发电自供率低，外购电量大，购电成本居高不下，直接影响企业的经济效益。为此，1999年4月对问题较大的工源厂4号炉进行了改造，运行一年来，效果显著。  

1　余热锅炉存在的问题 

回转窑余热锅炉工艺布置如图1。  
　　 

图1　回转窑余热锅炉工艺布置 

1)各受热面布置分配及结构不合理，当烟气温度不稳定时，过热器时有超温烧坏，同时，过热器、对流管簇、省煤器受热面都有挂灰、积灰、堵灰，致使局部烟气流速过高，各受热面磨损快，泄漏、爆管事故频繁，严重影响锅炉安全运行。 
　　
2)由于上述问题造成整炉烟气阻力增大，窑负压偏低，窑尾烟气不能顺畅排出，影响了窑的产量，不能达产达标。 
　　
3)排烟温度原设计偏高，加上上述因素的影响，热交换工况恶化，产汽量达不到设计要求，锅炉热效率大为降低，导致排烟温度更高，也使后级烟气静电除尘器工况恶化，烟气排放超标。 
　　
4)原设计轻型炉墙与钢制拉灰槽漏风严重，各级烟气流速偏高，炉内沉降回收粉尘少，使引风机工况恶化，磨损加剧，出力减少，并形成恶性循环。 
　　
多年来，维修、更换设备频繁，窑炉开开停停，1998年7月，在没有办法的情况下，把高温对流管簇下部的级间隔烟墙拆掉1m左右，让烟气短路，减少部分烟气阻力，以勉强维持窑的运转。 

2　问题分析 

　　1)烟气中粉尘特性的影响。这类窑的排烟粉尘浓度高达120～150g/m3(标况)，温度一般在810～890℃，悬浮的粉尘微粒处于熔融状态，粘附性极强，据测定，当烟温降至650℃以下时，才能逐渐固态化。原锅炉水冷屏(防焦管簇)布置数量偏少，流速偏高，烟气流经的时间短，烟气经过水冷屏后，温降不大(原设计由870℃降为700℃)，当烟气流量波动、烟温高于870℃时，该级出口烟温比设计值要高许多，烟气中的粉尘微粒来不及整体固化就进入过热器，而过热器管内介质为高温蒸汽，管壁温度相对较高，烟气中浓度较高的未经整体固化呈熔融态的粉尘微粒很快就粘附在过热器管壁上，使传热恶化，造成烟温降不下来，过热蒸汽温度上不去，管壁温度高的不良工况，同时使得挂灰越来越厚，造成结焦、堵塞烟气通道，阻力增大，加剧过热器管道磨损与过热，致使泄漏、爆管。这种不良工况又影响下一级高温对流管簇，如此下推，使整炉最后的排烟温度偏高，热效率大为下降，产汽量从未达到原设计要求。 
　　
2)粉尘热函即焓值的影响。在水泥回转窑运行中，烟气窑灰飞灰远远大于燃煤中不可燃的固形物，飞灰焓值在排出窑尾时高达113～125kJ/m3(标况)，尽管在冷烟室和余热锅炉各受热面有所沉降，其热能不能全部被余热锅炉受热面所吸收，但可利用的热能仍很可观，经计算，可提高热效率5%～7%，原锅炉设计没有考虑飞灰焓值的热影响，热力计算结果与实际工况相差较大，直接影响到锅炉的运行，也导致排烟温度不正常的偏高。 
　　
3)锅炉结构的影响。原设计因为没有充分考虑水泥窑烟气中粉尘特性和粉尘焓值的影响，为追求较高的传热系数和较少的金属耗量，选取了较高的各级烟气流速，使各级受热面管距小，通道狭窄，烟气阻力较大。在结构上，各级受热面吸热量分配不合理，排烟温度原设计较高，而实际上更高，致使热效率低下。 
　　
4)热效率分析。我们将不同工况下4号余热锅炉理论计算热效率列于表1，折合发电能力见图2。  

表1 不同进、排烟温度下的余热锅炉热效率%    
  

图2　不同工况下折合发电能力 

注：α为省煤器后过剩空气系数。 
　　
从图表中可以看出:不同工况下的热效率相差较大，图中B点为原设计欲达到的工作点，C点为1998年7月未打掉隔烟墙时典型工作点，D点为打掉部分隔烟墙后的典型工作点，A点为改造设计欲达到的典型工作点，该点预期发电能力为4713kW，预期净增1400kW左右。要想达到目的，主要取决于两点，其一是尽量降低排烟温度和合理布置受热面使其不挂灰堵焦。由于是干法生产，烟气中水蒸气含量低，同时我们现用的是低硫煤，硫在窑内与CaCO3发生反应，消除了烟气中大部分SO2、SO3，所以露点与酸雾点低，加上锅炉给水是除氧水、水温较高，不易产生尾部受热面烟气侧酸性腐蚀，这是与普通燃煤锅炉所不同的，所以设计中可以选取规范中(150～200℃)的低限值，以获得较高的热效率，并有利于改善后级静电除尘器的工况；其二是尽量降低过剩空气系数，因为同温度，不同过剩空气系数的烟气，其排烟焓值是大不相同的，余热锅炉内不存在燃烧过程，因此采取一切必要措施，尽量减少冷空气的漏入量，对于提高热效率来说，可收到事半功倍的效果。 

3　改造设计的原则和方案探讨 

1)受现场厂房条件、改造时间和经济条件的限制，我们将炉基础、钢架、汽包及其位置均保持不动，即炉膛宽度不变，纵向深度不变，只是将受热面管簇向上增加0.7m同时也向下增加0.4m，增加了烟气通道的高度，使炉膛截面变大，这样就可以依照热力计算方便地调整各受热面积大小，拉开横向管距，调整结构参数，也可以使自然循环倍率提高。 
　　
2)必须较大幅度地增加水冷屏受热面积，在热力计算时要考虑窑尾烟气工况的变化，对进入余热锅炉水冷屏的烟气流量、温度适当取较高值，目的是确保经过水冷屏后，烟气温度能降到650℃左右，使烟气中的粉尘微粒不再处于熔融状，不易粘附在下级(过热器)的管壁上。但烟气温度也不能降得过多，因为还必须与过热蒸汽(450℃)有相当的温差，以保证能产生合格温度的过热蒸汽。为防止磨损，水冷屏管簇必须采用顺排，管子横向节距不得小于280mm，同时为了防止挂灰、积灰，此处设计烟气流速不宜过高与过低，以5～5.5m/s为宜，由于此处蒸发量提高，相应的水循环下降管及上升导汽管截面要适当加大。 
　　
3)过热器的设计要求是在保证出口蒸汽温度的前提下尽量减少烟气阻力，拉开横向管间距，兼顾防磨与防积灰，炉膛升高后，过热器蛇形管直线段拉长，是采用多分段还是少分段换热制式，视计算蒸汽在管内的允许流速及压降要求而定。 
　　
4)对流管簇与省煤器的布置要综合考虑，由于烟气温度沿程逐步降低，烟气与工质间的平均温压前者与后者不同，为取得较好的效果，这两级分配的吸热量要优选，设计原则是兼顾防磨，防积灰，减少阻力，尽量降低排烟温度，获取高的效益，不要追求高传热系数，将对流管簇由错列改为顺列，在余下的纵向空间内多布置一些受热面。究竟对流受热面和省煤器受热面谁多一些，要根据温压及换热系数综合平衡而定。前级烟气流速以5～6m/s、后级4～5m/s为宜。 
　　
5)改原轻型炉墙为重型保温炉墙，采用较好的保温及密封材料，在砌筑、烘炉保养及运行时严格遵守规程。尽量减少漏风是改造成败的关键之一，为此对炉门、观察孔、测量孔、打焦孔、吹灰孔及炉墙与钢架结合部、各种伸缩缝、拉灰链条的进出口要采取一些必要的密封措施(如外框加套钢板、高温凹凸密封条、结合部二次浇筑等)，同时将原钢制拉灰槽改为整体浇筑的混凝土拉灰槽。 
　　
6)各级受热面之间的纵向间隔以580～620mm为宜，烟气在此间隔内流速降低很多，便于窑灰粉尘沉降回收，此外左右均设便于检查、清扫、维修的人孔门。各级管簇底部的前后均需设置隔烟墙，该墙上部与管簇底部间的间隙不要留得过大，只需考虑管道的伸缩即可，以防止烟气短路。省煤器蛇形管簇系水平布置，其左右180°弯头部位与侧墙的缝隙比水平管间的缝隙要大，烟气要走捷径，加快了弯头部位的磨损，为此在筑炉时，在第一排管簇前和中间分段部及最后一排管簇后的左右炉墙内侧沿高度方向多挑出一列立砖，或者在上述部位预先嵌入垂直带钩钢板，以阻挡该处烟气局部走捷径。 
　　
根据以上的分析论证和设计指导原则，我们委托鞍山锅炉集团、锅炉研究所进行研究并开发设计了工源厂4号余热锅炉改造施工方案。 
　　
改造前后各设计参数性能对照见表2。  

4　改造结果及经验 

　　1)利用1999年春季大修时机对工源厂4号余热锅炉进行了改造，历时45d，总投资374万元，金属主材消耗180余t，运行一年多来，达到和超过了设计预想的各项指标，取得了显著的经济效益。 
　　
窑头负压由改造前的30～50Pa提高到100Pa，满足了工艺要求，窑运行工况稳定，产量达标，而且提高了1.1t/h，质量更稳定，整窑运转率提高，尽管停产改造耽误了一些时间，但仍然超额完成了全年熟料生产计划。 
　　
蒸汽产量，由改造前17t/h提高到28～29t/h，净增相应发电能力大于1400kW，比原设计净增800kW。截止到1999年底，8个月内增加发电量0.12亿kWh，全厂发电自给率从1998年的65.83%提高到77%，在全厂水泥产量比1998同期略有增加的情况下，少外购电783.6万kWh，少支付电费392.8万元，全厂每吨水泥外购电成本下降了5.74元(仅此一项，当年收回全部改造投资)，经核算4号窑每吨熟料的综合能耗接近较先进的窑外分解窑的水平。 
　　排烟温度的降低，大大改善了引风机和后级静电除尘器的工况。 
　　
2)存在的问题。由于各级受热面中烟气流速的降低，吸热量分配合理了，受热面管簇的挂灰、结焦虽然很少，但各级下部及级间间隔内窑灰的沉降量比以前增大，特别是水冷屏和过热器下部，当窑头负压偏高拉灰链出口小而漏风，出灰不畅时，下部窑灰堆积堵塞发生过3次，经调整窑通风及负压分配，另在这两个部位增设了扫灰门，加强运行中的检查及清扫后，此问题已经解决。另一个问题是省煤器前几排水平蛇形管靠近左右侧弯头的直线段处磨损较大，经分析是此处烟气通道间隙大，由于烟气走捷径冲刷而致，待以后结合大修，调整解决。