水泥窑协同处置窑尾余热锅炉改造

中国危废产业网 46危废 2021-05-08

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一. 前言

在新型干法熟料生产工艺中，纯低温余热发电技术应用普遍且已趋于成熟。其工艺为分别在窑尾预热器和熟料冷却机旁各设置一台余热锅炉，回收除去原料和煤粉烘干以外的剩余热量，然后将产生的低温低压蒸汽送至汽轮发电机组做功发电。余热发电项目的实施，一方面可以综合利用水泥生产线排放的废热资源，回收高温烟气的热量变废为宝，降低水泥生产成本和提高企业的经济效益；另一方面可降低排烟温度和排尘浓度，减轻热污染和环境污染。

伴随着经济增长和人民生活质量的提高，垃圾围城的问题日益突出。川润动力充分研究水泥窑协同处理固体废弃物在节能减排、保护环境、影响熟料质量和产量等方面的优势和挑战，迅速调整战略方向，从单一水泥制造向利用水泥窑来减量化、无害化以及资源化处置城市生活垃圾的方向发展。随着协同处置生活垃圾的量越来越多，水泥厂的余热发电工况发生了很大的变化。

二. 水泥窑协同处置生活垃圾后对余热发电的影响

水泥窑在协同处置生活垃圾后，垃圾在分解炉内燃烧可以贡献热量，替代一部分煤，即熟料烧成的煤耗会下降；同时由于垃圾水分大、灰分大和热值低的特点，燃烧需要的空气量和产生的烟气量比燃煤要高很多，熟料烧成的总热耗会上升。这样导致的结果是，协同处置生活垃圾后要想熟料产量不降低或少量降低的话，高温风机需要增加抽风量保证窑系统通风。熟料冷却机前段的高温风被更多的抽到窑尾以后，窑头AQC余热锅炉可回收的风量和风温都显著下降，AQC炉的产汽量降低，甚至退炉；预热器出口的烟气温度上升了20-60℃，烟气体积也增加了10-30%，窑尾SP余热锅炉的产汽量上升，但SP炉排烟温度也会上升，多出一部分热量不能被完全回收利用。

以某水泥厂四炉一机配套9MW余热发电机组为例。该机组2#炉（3700t/d规模）于2018年10月开始进行垃圾协同处理。运行过程中由于烟气条件变化，造成窑尾锅炉余热回收不充分，排烟温度高等问题。川润动力受水泥厂委托，赴现场调研并提出了针对性的解决方案。

三. 水泥窑原始设计工况和垃圾协同处理工况对比

由于SP炉进口的风量、风温和主蒸汽压力都与设计值存在差异，因此需要利用热工模型对SP炉做一个在新工况下的模拟计算，核算出SP炉排烟温度应该是219℃，而实际标定出SP炉排烟温度是254℃。

四. 改造的目的与需要考虑的问题

针对该项目进行垃圾协同处理后的运行工况分析。本次改造主要需要考虑的问题如下：

(1) 改造目的：回收因烧垃圾额外产生的热量，降低排烟温度，提升水泥厂经济效益。

(2) 材料：烟气温度的升高需要考虑局部做材质提升，高温区域需要更换为耐热钢保证材料强度。

(3) 水循环：高温工况蒸发器的水循环恶化，需要核算并重新布置汽水连接管，必要的情况下需要增加连接管数量或口径。

(4) 蒸汽流速：高温工况产汽量大，如果不进行改造过热器内蒸汽流速过高会造成管束震动，严重的情况下会造成系统压力不稳。

(5) 烟气阻力：由于烟气量的增大，各区域烟气流速均有上升。需要在设计时合理进行结构改造，尽可能的控制烟气阻力。

(6) 低温腐蚀：由于垃圾协同处理后，会造成窑头热量减少，极端情况下可能有窑头锅炉退出运行的情况，需要考虑低温冷凝水（~40℃）直接供给窑尾锅炉时，末级省煤器低温腐蚀的问题。

五. 水泥窑协同处置生活垃圾后SP炉改造方案

1. 改造基准条件

为了进一步充分回收SP炉出口的余热资源，改善高温风机运行工况，在保证原料烘干的前提下，决定利用大修时间对该工厂SP炉进行同步改造。

2. 改造方案主要内容

为了减小改造工作量，尽可能利用SP炉现有框架，根据SP炉的受热面布置情况，制定以下改造方案：

(1)过热器：过热器通风梁提升材质，使用耐热材料12Cr1MoV，保证在高温工况通风梁有足够的强度，不变形不碳化。

过热器管束由原φ38×4两绕管束改造更换为φ42×3.5三绕管束，增加蒸汽流通面积控制管内蒸汽流速在合理范围内。

(2)蒸发器：蒸发器1通风梁提升材质，使用耐热材料12Cr1MoV，保证在高温工况通风梁有足够的强度，不变形不碳化。

蒸发器1管束由原φ38×4两绕管束改造更换为φ42×3.5三绕管束，增加工质流通面积，保证水循环安全可靠。

原省煤器利旧现有受热面将功能改造为蒸发器增加蒸发器总体换热面积。通过改造管道连接方式将其功能改造为蒸发器，节约改造投入。

(3)灰斗和出风管：原灰斗和SP炉出风管下沉，让出加装空间。同时，出风管流通截面增大10%，尽可能降低烟道阻力。由于灰斗的下沉，拉连接需要相应下移并重新制作支架。

(4) 省煤器：利用灰斗下沉让出的空间，加装一组省煤器，新增省煤器带机械振打装置。

(5) 汽水连接管：重新设计连接管，锅筒新增开孔两个。通过水循环计算，改造后总体循环倍率保持在15以上。

(6) 水-水换热器：为了防止低温腐蚀的发生，该项目增设一台水水换热器。如使用过程中因工况变化或除氧方式不同致给水温度较时，该换热器投入运行，给水流程变为低温水→水水换热器T1→水水换热器T2→省煤器→水水换热器S1→水水换热器S2→锅筒。提高了省煤器的管壁温度，从而避免低温腐蚀的情况。

3. 改造前后参数对比

六. 效益分析

1. 改造周期

按此改造方案，一般可在合同生效后2个月交货，因此需要水泥厂在停窑计划前三个月敲定改造范围并完成合同设备订货。

2. 改造费用

以该项目为例，设备投资+安装费合计约300万元。

3. 改造收益

通过增加SP炉受热面，进一步回收窑尾烟气热量，SP炉产汽量较改造前提升4.8t/h左右，理论提升发电功率约800kW，按年运行时间按7000h计，电费按0.5元/度计，改造工程年创收益为800×7000×0.5=280万元，投资回报期1.1年。

七. 总结

水泥厂协同处置生活垃圾后，整个熟料烧成系统及配料都会发生相应变化，余热发电的运行工况也随之发生了较大变化。本文结合该水泥有限公司协同处置生活垃圾的工程实例，提出对SP炉的改造升级，投资小，收益大，可供其他工厂参考借鉴。此外，随着协同处置生活垃圾的处置量和余热发电量的提高，水泥厂实现对外界天然矿物燃料和电能的零消耗未来可期！

SP锅炉改造总图

作者：赵坤魏海军

单位：四川川润动力设备有限公司

END

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