水泥窯余熱鍋爐的使用分析

鄒小娟，許建國，楊小平

（1.浙江新安化工集團(tuán)股份有限公司，浙江 建德 311600；2.杭州市特種設(shè)備檢測(cè)院，浙江 杭州 310003）

水泥窯余熱鍋爐的使用分析

鄒小娟1，許建國2，楊小平1

（1.浙江新安化工集團(tuán)股份有限公司，浙江 建德 311600；2.杭州市特種設(shè)備檢測(cè)院，浙江 杭州 310003）

論述了水泥窯余熱鍋爐的節(jié)能效果及其現(xiàn)狀，分析了其實(shí)際運(yùn)行條件與設(shè)計(jì)工況的偏離，介紹了幾方面有針對(duì)性的檢驗(yàn)和檢查，對(duì)于水泥窯余熱鍋爐的使用有一定的參考價(jià)值。

水泥窯；鍋爐；余熱；節(jié)能；檢驗(yàn)

1 水泥窯余熱鍋爐的現(xiàn)狀與節(jié)能效果

隨著水泥熟料煅燒技術(shù)的發(fā)展，水泥工業(yè)節(jié)能技術(shù)有了長足的進(jìn)步，高溫余熱已在水泥生產(chǎn)過程中被利用，水泥熟料能耗已由以往的4600～6700 kJ／kg下降至 3000 ～ 3300 kJ／kg。 但由于水泥熟料煅燒技術(shù)及目前國內(nèi)節(jié)能水平的限制，大量的中、低溫余熱仍不能被充分利用，由其造成的能源浪費(fèi)仍很大。由窯頭熟料冷卻機(jī)和窯尾預(yù)熱器排掉的中低溫廢氣 （水泥窯的廢氣溫度大致在300℃～400℃之間），其熱量約占水泥熟料燒成系統(tǒng)總熱耗量的35%以上。所以，水泥生產(chǎn)企業(yè)投入窯頭AQC、窯尾SP余熱鍋爐，以回收能源是必然的趨勢(shì)，這將大大降低能耗，進(jìn)而大幅度提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

水泥的生產(chǎn)過程中要消耗大量的電能，每生產(chǎn)一噸水泥需消耗100～140 kWh電能。而對(duì)其生產(chǎn)過程影響最大的是供電突然跳停，其中以燒成系統(tǒng)為最。跳電不僅影響生產(chǎn)，增加排塵污染，最嚴(yán)重的是突然跳電可能引發(fā)的后續(xù)故障，其損失無法估算。而當(dāng)裝設(shè)余熱發(fā)電后，這一切都將可以避免。

據(jù)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示，一套5000 t水泥窯生產(chǎn)線安裝余熱鍋爐后配套的發(fā)電機(jī)功率約為9000 kW，按年運(yùn)行 300 d、電價(jià)按 0.54元／度計(jì)算（實(shí)際上原來企業(yè)買電價(jià)格約為0.9元／度），節(jié)約用電折合人民幣約3500萬元，而企業(yè)上一套5000 t水泥窯余熱發(fā)電生產(chǎn)線也僅為5000萬元左右（各地情況不同，鍋爐、發(fā)電機(jī)不同，價(jià)格會(huì)有差別），運(yùn)行成本極少，一般兩年內(nèi)能回收投資。

2 鍋爐實(shí)際運(yùn)行條件與設(shè)計(jì)工況的偏離

水泥窯余熱鍋爐在實(shí)際運(yùn)行中，由于種種原因，運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)有一定的偏離，表現(xiàn)如下。

2.1 水質(zhì)

因?yàn)殄仩t蒸汽用來發(fā)電，用水的品質(zhì)應(yīng)高于GB1576－2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》規(guī)定。因此鍋爐制造廠往往建議水質(zhì)參照GB12145－2008《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》規(guī)定執(zhí)行。但在為用戶設(shè)計(jì)整套設(shè)備時(shí)，設(shè)計(jì)院給他們?cè)O(shè)計(jì)的水處理設(shè)備往往僅為陽離子交換器，水質(zhì)控制按工業(yè)鍋爐水質(zhì)來進(jìn)行。

GB／T 1576中對(duì)供汽輪機(jī)用汽的鍋爐蒸汽質(zhì)量規(guī)定應(yīng)執(zhí)行GB／T12145規(guī)定的“額定蒸汽壓力為3.8～5.8 MPa的汽包爐標(biāo)準(zhǔn)”，給水及爐水的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)沒有“對(duì)供汽輪機(jī)用汽的鍋爐給水（或爐水）質(zhì)量規(guī)定應(yīng)執(zhí)行GB／T12145規(guī)定”等字樣，即給水及爐水標(biāo)準(zhǔn)參照各自標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)摘錄這兩標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定（見表1）。

表1 GB／T 1576和 GB／T 12145有關(guān)規(guī)定

由此可見，GB／T 12145（表 1）：標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比（摘錄部分）在各項(xiàng)水質(zhì)控制指標(biāo)上均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GB／T 1576，用戶按GB／T 1576來控制水質(zhì)，最大的可能是鹽分遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)，蒸汽質(zhì)量很難達(dá)到GB／T 12145中的要求，結(jié)果就會(huì)影響鍋爐傳熱效果，導(dǎo)致管壁過熱，影響汽輪機(jī)做功，嚴(yán)重時(shí)甚至影響到汽輪機(jī)的運(yùn)行安全。

2.2 煙氣量與煙氣溫度

水泥窯余熱鍋爐的熱源是由窯頭熟料冷卻機(jī)和窯尾預(yù)熱器排掉的中低溫廢氣，這就決定了鍋爐只是附屬的生產(chǎn)線，鍋爐的熱源也完全不能由自己控制，因此進(jìn)鍋爐的煙氣量與煙氣溫度隨時(shí)會(huì)隨著窯況的改變而改變，導(dǎo)致的后果就是鍋爐的爐況極不穩(wěn)定。表現(xiàn)在蒸汽壓力經(jīng)常超高，安全閥動(dòng)作頻繁，影響到設(shè)備的使用壽命及汽輪機(jī)的安全運(yùn)行；蒸汽溫度波動(dòng)劇烈，過熱器容易疲勞；鍋爐水位波動(dòng)劇烈，容易出現(xiàn)水位事故。

在實(shí)際運(yùn)行中，如某鍋爐廠設(shè)計(jì)的QC232／380－23－1.25／350 型鍋爐，實(shí)際運(yùn)行參數(shù)為：入口煙氣量經(jīng)常到30萬Nm3／h（有廢氣分流措施，但司爐工經(jīng)常不采用），入口煙氣溫度更是到500℃，導(dǎo)致蒸汽溫度經(jīng)常到450℃，有時(shí)甚至到480℃，汽輪機(jī)是滿負(fù)荷發(fā)電了，但鍋爐過熱器設(shè)計(jì)材料為 20（GB3087），最高允許壁溫僅為480℃，雖然我們?cè)谑状蝺?nèi)檢中未發(fā)現(xiàn)材料有過熱現(xiàn)象，但熱源溫度確實(shí)已超過它的允許使用溫度了，不利于鍋爐的長期運(yùn)行 （現(xiàn)已有用戶在設(shè)計(jì)時(shí)就要求過熱器管采用合金鋼管制造）。而且由于鍋爐水位波動(dòng)劇烈，為防止蒸汽帶水，鍋爐運(yùn)行時(shí)水位控制在－200～－300 mm，因此在制造時(shí)必須考慮該影響。為此，鍋爐廠往往將下降管口設(shè)在鍋筒底部，同時(shí)，鍋筒直徑設(shè)計(jì)較一般鍋筒直徑為大，以防止鍋爐缺水。

2.3 磨損與積灰

水泥窯余熱鍋爐爐型布置大都類似：窯頭AQC余熱鍋爐為立式布置，窯尾PH余熱鍋爐為臥式布置。由于煙氣成分不同、工藝走向不同，導(dǎo)致兩臺(tái)鍋爐的損壞模式完全不同。

窯頭AQC余熱鍋爐的煙氣主要為熱空氣，空氣含塵量較小，但由于粉塵主要是熟料粉塵，粉塵顆粒比較硬，對(duì)受熱面的磨損比較嚴(yán)重，解決窯頭余熱鍋爐的磨損問題成為余熱利用的主要難點(diǎn)。首先采用合理的受熱面的結(jié)構(gòu)和合適的煙氣流速，其次受熱面的彎頭及其他易磨損的結(jié)構(gòu)應(yīng)采取特殊結(jié)構(gòu)，如果窯頭AQC鍋爐防磨措施不當(dāng)，受熱面管子將會(huì)很快報(bào)廢，嚴(yán)重影響鍋爐使用壽命和窯系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

窯尾余熱鍋爐的煙氣含塵量大（進(jìn)入窯尾PH鍋爐廢氣含塵濃度一般為70～120 g／Nm3），粉塵細(xì)，容易在鍋爐受熱面上積灰，影響鍋爐受熱面的傳熱效果，致使鍋爐出力降低。鍋爐積灰是不可避免的，清灰方式的選擇非常重要。目前PH鍋爐的清灰方式主要有：聲波吹灰、可燃?xì)怏w爆燃吹灰和振打吹灰。相對(duì)而言，因水泥窯窯尾煙氣中的粉塵細(xì)而粘的特性，聲波吹灰、可燃?xì)怏w爆燃吹灰效果不顯著。振打吹灰是采用機(jī)械振打的方式連續(xù)擊打鍋爐受熱面，國外絕大部分機(jī)組采用此種清灰方式，效果比較好。其連續(xù)的清灰方式避免了瞬間清灰量過大，對(duì)窯尾高溫引風(fēng)機(jī)的影響，但機(jī)械裝置故障較多，主要表現(xiàn)為振打裝置容易出現(xiàn)偏心，以及焊在受熱面上的振打盤容易脫焊，這些均易影響振打效果。

2.4 水循環(huán)

在日本，水泥窯低溫余熱回收已應(yīng)用得相當(dāng)廣泛，在國內(nèi)則起步較晚，但發(fā)展迅速。其中SP爐的布置有立式與臥式之分，由于受到場(chǎng)地的限制，現(xiàn)在一般更多地采用占地較小的立式布置。SP爐按循環(huán)方式可分強(qiáng)制循環(huán)和自然循環(huán)兩種。在日本，SP爐水循環(huán)一般是強(qiáng)制循環(huán)，強(qiáng)制循環(huán)鍋爐初投資費(fèi)用大，運(yùn)營成本較高，且循環(huán)泵易發(fā)生故障，但水循環(huán)安全可靠；在中國，自然循環(huán)方式由于水循環(huán)系統(tǒng)簡單而更被廣泛接受。在臥式布置的SP爐中，由于循環(huán)回路的高度差較小，水循環(huán)則必須采用強(qiáng)制循環(huán)。

不管是自然循環(huán)還是強(qiáng)制循環(huán)，制造廠在鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)都做過水循環(huán)計(jì)算 （未形成文件提供給用戶）?，F(xiàn)在的水泥窯余熱鍋爐，不管是窯頭的AQC鍋爐，還是窯尾的SP爐，其中的蒸發(fā)器都成臥式布置 （窯頭AQC鍋爐蒸發(fā)器設(shè)計(jì)成模塊形式，窯尾SP爐蒸發(fā)器安裝完畢后也成類似模塊形式）。在水平布置的蒸發(fā)器管中，極易產(chǎn)生汽水分層，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮水循環(huán)的安全。除了設(shè)計(jì)考慮之外，運(yùn)行當(dāng)中也必須經(jīng)常檢查，檢查蒸發(fā)器管有無過熱、脹粗、變形等缺陷。

3 開展有針對(duì)性的檢查和檢驗(yàn)

由于水泥窯余熱鍋爐的以上特點(diǎn)，我們應(yīng)該開展以下幾方面有針對(duì)性的檢查和檢驗(yàn)：

（1）加強(qiáng)水質(zhì)管理工作，檢查過熱器處有無因?yàn)榉e垢導(dǎo)致的過熱、變形等。

（2）考慮到煙氣量與煙氣溫度的經(jīng)常性波動(dòng)，要求有廢氣分流措施的在必要的時(shí)候需投入，同時(shí)檢查受熱面有無過熱、變形。特別對(duì)材料全是采用碳鋼，而蒸汽溫度卻顯示經(jīng)常超出材料允許使用溫度的，要考慮過熱器材料有無劣化可能，除目測(cè)外，可以采用硬度檢測(cè)等，必要時(shí)甚至要進(jìn)行金相檢測(cè)。

（3）對(duì)于窯頭AQC余熱鍋爐，在煙氣流速高的部位（如有煙氣走廊處、彎頭處等），重點(diǎn)檢查有無磨損；對(duì)窯尾SP余熱鍋爐，重點(diǎn)檢查振打裝置是否能完好工作。

（4）不管是窯頭AQC余熱鍋爐，還是窯尾SP余熱鍋爐，對(duì)于接近水平布置的蒸發(fā)器管需仔細(xì)檢查，檢查有無過熱、脹粗、變形等缺陷。

除了這些檢查之外，其他《定檢規(guī)》上列的檢驗(yàn)重點(diǎn)都必須認(rèn)真執(zhí)行。

4 結(jié)束語

水泥窯余熱鍋爐的使用順應(yīng)國家的節(jié)能政策，近幾年得到廣泛推廣，但由于設(shè)計(jì)工況與實(shí)際工況的偏離，實(shí)際使用中出現(xiàn)了這樣那樣的問題，對(duì)此，我們需要具體問題具體分析，才能做到合理使用、優(yōu)化使用、精確檢驗(yàn)。

［1］孫慶斌，姜丘陵.低溫水泥窯余熱鍋爐實(shí)踐中幾個(gè)問題［J］.電站系統(tǒng)工程，2006，（4）：17－18.

［2］ GB1576－2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》［S］.

［3］GB12145－2008《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》［S］.

［4］ GB1576－2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》［S］.

［5］ GB／T12145－2008《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》［S］.

［6］ GB3087－－2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》［S］.

［7］ 《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（96 版）［S］.

［8］ 《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》（99 版）［S］.

10.3969／j.issn.1007－2217.2012.02.011

2012－02-08