潍坊山水水泥2500T/D水泥窑纯余热锅炉设计

　　一、系统设想

　　本工程为利用水泥窑的窑头、窑尾废气余热进行发电。为充分利用窑头冷却机排放的废气余热，设置独立的ASH窑头低温过热器，AQC窑头余热锅炉，SP窑尾余热锅炉。

　　水泥窑熟料冷却机废气经ASH低温余热过热器后再进窑头AQC锅炉。ASH的作用是将AQC炉、SP炉生产2.5Mpa饱和蒸汽过热为380℃过热蒸汽以供汽轮机发电用。由于布置与热效率要求，结构上采用卧式布置，过热器出口废气温度控制范围为300℃～340℃左右。设计时应考虑水泥窑熟料冷却机废气对余热过热器的严重磨损特性，同时注意漏风、防磨、防堵等措施。

　　水泥窑熟料冷却机废气经AQC低温余热锅炉后进窑头收尘。AQC锅炉的作用为生产2.5Mpa饱和蒸汽经过热器过热后供汽轮机发电用；生产0.25MPa饱和蒸汽用于锅炉给水除氧及汽机补汽；生产的热水进入除氧器除氧（同时作为0.25MPa蒸汽段的给水），除氧后的水由锅炉给水泵为SP炉、AQC炉2.5MPa蒸汽段供水。由于占地面积与锅炉热效率要求，结构上采用模块立式布置，锅炉出口废气温度控制范围为90℃～100℃左右。锅炉设计时应考虑水泥窑熟料冷却机废气对余热锅炉的严重磨损特性，同时注意漏风、防磨、防堵等措施。

　　水泥窑窑尾废气经SP低温余热锅炉后进窑尾收尘。SP锅炉的作用为生产2.5Mpa饱和蒸汽经窑头熟料冷却机低温余热过热器过热后供汽轮机发电用。由于占地面积与锅炉热效率要求，结构上采用立式布置，锅炉出口废气温度控制范围为195℃～210℃左右。锅炉设计时应考虑水泥窑余热锅炉的特性，注意漏风、防磨、防堵等措施。

　　二、窑头锅炉的设计

　　1．窑头锅炉的设计参数

　　锅炉进口烟气量：Vr=92512Nm3/h

　　锅炉进口废气负压：P=-800Pa

　　锅炉进口设计烟气温度：t=327℃

　　粉尘含量：μg=50g/Nm3

　　锅炉总漏风：≤2%

　　锅炉总废气阻力：≤480Pa

　　锅炉2.5MPa蒸汽段

　　额定蒸汽压力：2.5MPa（绝对压力）

　　额定蒸汽温度：饱和温度

　　额定蒸发量：≥5.5t/h

　　锅炉0.25MPa蒸汽段

　　额定蒸汽压力：0.25MPa（绝对压力）

　　额定蒸汽温度：160℃

　　额定蒸发量：3.0t/h

　　锅炉热水段

　　额定出水压力：0.5MPa（绝对压力）

　　额定出水温度：100℃

　　额定出水量：21t/h

　　最大出水量：≤28t/h

　　给水温度：30℃

　　锅炉出口设计烟气温度：≤98℃

　　2．窑头锅炉设计要点

　　2.1窑头烟气中灰颗粒硬，受热面的防磨问题；

　　2.2锅炉设计时要考虑窑头烟气变化大的问题；

　　2.3可以接受的积灰保证有效换热；

　　2.4可靠的密封结构，尽可能减少漏风，减少热损失，减轻对水泥窑生产的影响；

　　2.5合适的烟气侧阻力，可接受的动力消耗。

　　3．窑头锅炉的结构特点

　　3.1立式自然循环，从上而下布置2.5MPa段蒸发管、 2.5MPa段省煤器；0.25MPa段蒸发管；热水器。

　　3.2蒸发管、省煤器、热水器均与框架一起组成各自独立管箱，组装出厂。

　　3.3受热面管采用螺旋绕翅管。

　　3.4锅炉内护板密封结构减少漏风。

　　4．窑头锅炉的防磨设计

　　4.1锅炉AQC锅炉的防靡设计是关键。

　　4.2设计时，选取较低烟气流速，低于5m/s。

　　4.3烟气进口变径烟道，设有烟气均流装置。

　　4.4采用小螺距高绕翅片管。

　　4.5管组内设有隔板、导流板，减少烟气流动不均匀。

　　4.6管箱内集箱、管组弯头处均设有防磨装置。

　　5．窑头锅炉的密封设计

　　5.1水泥窑余热锅炉的运行工况对锅炉的密封设计提出更高要求。

　　5.2负压高，要采取可靠结构密封。

　　5.3漏风量大会造成水泥窑运行不稳定。

　　5.4漏风量大会造成余热锅炉效率降低。

　　5.5采用管箱组装出厂，优良的制造质量保证。

　　5.6采用内护板密封，所有密封焊在厂内进行密封试验检查。

　　5.7集箱采用内置式。

　　5.8确保漏风率低于1%。

　　6．窑头锅炉的保温设计

　　6.1水泥窑余热锅炉要充分利用余热，对锅炉的保温设计提出更高要求；

　　6.2采用轻型护板炉墙；

　　6.3材料采用硅酸铝纤维板；

　　6.4保温层厚度为160mm；

　　6.5在环境温度为25℃时，护板外表面温度低于40℃。

　　三、窑尾锅炉的设计

　　1．窑尾锅炉的设计参数

　　锅炉进口烟气量：Vr=180000Nm3/h

　　锅炉进口废气负压：P=-6480Pa

　　锅炉进口设计烟气温度：t=330℃

　　粉尘含量：μg=120g/Nm3

　　锅炉出口设计烟气温度：t≤209℃

　　锅炉总漏风：≤3%

　　锅炉总废气阻力：≤800Pa

　　额定蒸汽压力：2.5MPa（绝对压力）

　　额定蒸汽温度：饱和温度

　　额定蒸发量：≥12.5t/h

　　给水温度：100℃

　　2．窑尾锅炉的设计要点

　　2.1窑尾烟气中灰尘浓度大，必须采取可靠防积灰措施。

　　2.2负压大，必须采用可靠的密封结构，尽可能减少漏风，减少热损失，减轻对水泥窑生产的影响。

　　2.3合适的烟气侧阻力，可接受的动力消耗。

　　3．窑尾锅炉的结构特点

　　3.1立式自然循环，从上而下布置蒸发管、省煤器。

　　3.2蒸发管、省煤器均采用悬吊结构。

　　3.3光管蛇形管组的结构解决了管束受热膨胀。

　　3.4锅炉内护板密封结构减少漏风。

　　3.5采用内置式集箱，大大减少了穿墙管。

　　3.6采用机械振打，一种节能、连续清灰方式。

　　4．窑尾锅炉的密封设计

　　4.1水泥窑余热锅炉的运行工况对锅炉的密封设计提出更高要求。

　　4.2负压更高，要采取可靠结构密封。

　　4.3漏风量大会造成水泥窑运行不稳定。

　　4.4漏风量大会造成余热锅炉效率降低。

　　4.5采用内置式集管，大大减少了穿墙管的漏风。

　　4.6通风梁、管箱等采用金属膨胀节密封。

　　4.7机械掁打穿墙处采用柔性密封。

　　4.8确保漏风率低于2%。

　　5．窑尾锅炉的水动力特性

　　5.1立式窑尾锅炉采用自然循环水平蒸发受热面的结构形式。

　　5.2对所有参数均进行水动力计算，考虑锅炉钢耗、占用空间、锅炉基础投资等经济指标，确保循环高度提供足够的自然水循环动力。

　　5.3根据合理的含汽率和质量流速确定水平蒸发管的管径和安全可靠的5.4循环倍率，高循环倍率可强化传热。

　　5.5同等的受热面根据布置空间尽量增加管圈数，可减少沿程管子总长和质量含汽率降低流阻。

　　5.6最低循环高度处蒸发管采用倾斜布置，防止蒸发面发生传热危机和汽水分层，强化传热提高热效率。

　　5.7采用大口径下降管、引出管，降低自身流阻，下降管总截面fxj、引出管总截面fyc与蒸发管总截面fs比值大于0.4。

　　5.8蒸发管循环流速满足带走管内污垢的流速Wo>0.4m/s，确保锅炉的安全可靠。

　　四、ASH过热器的设计

　　1．ASH过热器的设计参数

　　锅炉进口烟气量：Vr=36000Nm3/h

　　锅炉进口废气负压：P=-800Pa

　　锅炉进口设计烟气温度：t=486℃

　　粉尘含量：μg=50g/Nm3

　　额定进口蒸汽压力：2.45MPa（绝对压力）

　　额定进口蒸汽温度：饱和温度

　　额定出口蒸汽压力：2.4MPa（绝对压力）

　　额定出口蒸汽温度：380℃

　　额定蒸汽流量： 18t/h

　　2．ASH过热器设计要点

　　2.1窑头烟气中灰颗粒硬，受热面的防磨问题；

　　2.2锅炉设计时要考虑窑头烟气变化大的问题；

　　2.3可以接受的积灰保证有效换热；

　　2.4可靠的密封结构，尽可能减少漏风，减少热损失，减轻对水泥窑生产的影响；

　　2.5合适的烟气侧阻力，可接受的动力消耗；

　　3．ASH过热器的结构特点

　　3.1ASH过热器采用卧式布置。

　　3.2受热面采用合金螺旋翅片管。

　　3.3管子弯头、集箱布置在烟道外，不会磨损。

　　3.4整体组装出厂。

　　五、锅炉设计时应注意的问题

　　1．锅炉漏风的影响

　　理论上漏风率由2％增加到3％，锅炉蒸发量下降0.8%左右。实际在锅炉投运后，由于漏风点位置、漏风集中等原因，当漏风率由2％增加到3％，锅炉蒸发量下降远远大于0.8%。

　　2．灰浓度对锅炉蒸发量的影响

　　灰浓度高易使受热面积灰，影响传热效果，锅炉投运后，表现在蒸发量下降，排烟温度上升。灰浓度高，灰所带进的热量也高。对于窑尾锅炉，采用了机械振打清灰，减轻了高灰对传热的影响，灰浓度每增加20g/Nm3，锅炉蒸发量增加0.9%~1%。

　　3．锅炉运行时压力参数变化的影响

　　对于额定蒸汽压力2.45MPa的余热锅炉，如按2.0MPa压力运行，产汽量将上升2%左右，过热蒸汽温度将下降约1~2％，同时过热器和省煤器中介质平均流速都有较大幅度提高。为适应运行时压力参数的变化，受热面布置应遵循“上多下少”的原则，即：①充足的过热器；②适当的蒸发器；③较少的省煤器或不布置省煤器。

　　4．温度参数变化对锅炉部件设计的影响

　　水泥窑头烟气温度上下变化幅度很大，也很频繁，当烟气温度升高时，余热锅炉产汽量随之上升，为控制汽水阻力在一个合理的水平，在布置过热器和省煤器时应考虑比较低的介质平均流速（这样考虑对锅炉降压运行也有好处）。采用大直径汽包，增加水容量，减轻水位的波动。按可能的最高进口烟气温度选用合适的材质，按可能的最大蒸发量确定锅炉安全阀等。

　　5．系统设计压力的比较

　　目前水泥窑纯低温余热锅炉代表性的设计压力有2.45MPa、1.25MPa、0.8MPa三种，以1.25MPa最为普遍。不同设计压力的余热锅炉，在结构上并没有显着的差异，但由于窄点高低不一，在蒸汽段省煤器的布置上有所不同：2.45MPa锅炉布置较多省煤器；1.25MPa锅炉布置较少或不布置省煤器；0.8MPa锅炉基本不布置省煤器。不同设计压力的余热锅炉每蒸吨钢耗率有差别，压力高则钢耗也略高。对于进出口烟气条件相同余热锅炉，配置不同的设计压力，主蒸汽焓值相差不大。但压力越高，从热力学角度看，做功效率会有所提高，如果要确定合理的蒸汽压力参数，还需考虑到系统配置、投资成本等方面。

　　六、不同余热发电热力系统的比较

　　常用的有单压、闪蒸、双压余热发电三种方式；单压系统指窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉产生相近参数的主蒸汽，混合后进入汽轮机；窑头余热锅炉生产的热水供窑头余热锅炉蒸汽段和窑尾余热锅炉；闪蒸系统指锅炉产生一定压力的主蒸汽和热水，主蒸汽进入汽轮机高压进汽口，热水经过闪蒸，生产低压的饱和蒸汽，补入补汽式汽轮机的低压进汽口。双压系统指余热锅炉生产较高压力和较低压力的蒸汽，分别进入汽轮机的高、低压进汽口。

　　选择的依据：水泥窑自身特点决定的烟气量和烟气温度，以及烟气用于物料烘干温度的高低。

　　锅炉吸热量的高低，取决于锅炉排烟温度的高低、锅炉散热量、锅炉漏风量。

　　吸热量：双压系统高于闪蒸系统，闪蒸系统高于单压系统。

　　发电量：双压系统高于闪蒸系统，闪蒸系统高于单压系统。

　　七、潍坊山水水泥余热发电系统特点

　　采用最高发电量的双压发电系统；窑头取风口开在较高温度区域，系统采用2.45MPa压力参数，锅炉吸热量大，发电效率高；采用双压系统对水泥窑余热条件的变化的适用性好；采用独立的过热器，方便调整过热汽温。

　　八、锅炉的设计计算

　　在多年的试验和理论研究基础上，并结合多年设计及锅炉运行经验，提出了自己的一套适合于水泥窑余热锅炉的设计计算方法，开发了单压、双压系统的热力计算程序，在多台锅炉上的实际应用表明，锅炉的运行参数和设计参数符合很好。