濰坊山水水泥2500T/D水泥窯純余熱鍋爐設計
一、系統設想
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，結構上采用臥式布置，過熱器出口廢氣溫度控制范圍為300℃～340℃左右。設計時應考慮水泥窯熟料冷卻機廢氣對余熱過熱器的嚴重磨損特性，同時注意漏風、防磨、防堵等措施。
水泥窯熟料冷卻機廢氣經AQC低溫余熱鍋爐后進窯頭收塵。AQC鍋爐的作用為生產2.5Mpa飽和蒸汽經過熱器過熱后供汽輪機發(fā)電用；生產0.25MPa飽和蒸汽用于鍋爐給水除氧及汽機補汽；生產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，結構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。鍋爐設計時應考慮水泥窯熟料冷卻機廢氣對余熱鍋爐的嚴重磨損特性，同時注意漏風、防磨、防堵等措施。
水泥窯窯尾廢氣經SP低溫余熱鍋爐后進窯尾收塵。SP鍋爐的作用為生產2.5Mpa飽和蒸汽經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，結構上采用立式布置，鍋爐出口廢氣溫度控制范圍為195℃～210℃左右。鍋爐設計時應考慮水泥窯余熱鍋爐的特性，注意漏風、防磨、防堵等措施。
二、窯頭鍋爐的設計
1．窯頭鍋爐的設計參數
鍋爐進口煙氣量：Vr=92512Nm3/h
鍋爐進口廢氣負壓：P=-800Pa
鍋爐進口設計煙氣溫度：t=327℃
粉塵含量：μg=50g/Nm3
鍋爐總漏風：≤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℃
鍋爐出口設計煙氣溫度：≤98℃
2．窯頭鍋爐設計要點
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可靠的密封結構，盡可能減少漏風，減少熱損失，減輕對水泥窯生產的影響；
2.5合適的煙氣側阻力，可接受的動力消耗。
3．窯頭鍋爐的結構特點
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鍋爐內護板密封結構減少漏風。
4．窯頭鍋爐的防磨設計
4.1鍋爐AQC鍋爐的防靡設計是關鍵。
4.2設計時，選取較低煙氣流速，低于5m/s。
4.3煙氣進口變徑煙道，設有煙氣均流裝置。
4.4采用小螺距高繞翅片管。
4.5管組內設有隔板、導流板，減少煙氣流動不均勻。
4.6管箱內集箱、管組彎頭處均設有防磨裝置。
5．窯頭鍋爐的密封設計
5.1水泥窯余熱鍋爐的運行工況對鍋爐的密封設計提出更高要求。
5.2負壓高，要采取可靠結構密封。
5.3漏風量大會造成水泥窯運行不穩(wěn)定。
5.4漏風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)良的制造質量保證。
5.6采用內護板密封，所有密封焊在廠內進行密封試驗檢查。
5.7集箱采用內置式。
5.8確保漏風率低于1%。
6．窯頭鍋爐的保溫設計
6.1水泥窯余熱鍋爐要充分利用余熱，對鍋爐的保溫設計提出更高要求；
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、窯尾鍋爐的設計
1．窯尾鍋爐的設計參數
鍋爐進口煙氣量：Vr=180000Nm3/h
鍋爐進口廢氣負壓：P=-6480Pa
鍋爐進口設計煙氣溫度：t=330℃
粉塵含量：μg=120g/Nm3
鍋爐出口設計煙氣溫度：t≤209℃
鍋爐總漏風：≤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負壓大，必須采用可靠的密封結構，盡可能減少漏風，減少熱損失，減輕對水泥窯生產的影響。
2.3合適的煙氣側阻力，可接受的動力消耗。
3．窯尾鍋爐的結構特點
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構。
3.3光管蛇形管組的結構解決了管束受熱膨脹。
3.4鍋爐內護板密封結構減少漏風。
3.5采用內置式集箱，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．窯尾鍋爐的密封設計
4.1水泥窯余熱鍋爐的運行工況對鍋爐的密封設計提出更高要求。
4.2負壓更高，要采取可靠結構密封。
4.3漏風量大會造成水泥窯運行不穩(wěn)定。
4.4漏風量大會造成余熱鍋爐效率降低。
4.5采用內置式集管，大大減少了穿墻管的漏風。
4.6通風梁、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)受熱面的結構形式。
5.2對所有參數均進行水動力計算，考慮鍋爐鋼耗、占用空間、鍋爐基礎投資等經濟指標，確保循環(huán)高度提供足夠的自然水循環(huán)動力。
5.3根據合理的含汽率和質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同等的受熱面根據布置空間盡量增加管圈數，可減少沿程管子總長和質量含汽率降低流阻。
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過熱器的設計
1．ASH過熱器的設計參數
鍋爐進口煙氣量：Vr=36000Nm3/h
鍋爐進口廢氣負壓：P=-800Pa
鍋爐進口設計煙氣溫度：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可靠的密封結構，盡可能減少漏風，減少熱損失，減輕對水泥窯生產的影響；
2.5合適的煙氣側阻力，可接受的動力消耗；
3．ASH過熱器的結構特點
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、鍋爐設計時應注意的問題
1．鍋爐漏風的影響
理論上漏風率由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，由于漏風點位置、漏風集中等原因，當漏風率由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平均流速都有較大幅度提高。為適應運行時壓力參數的變化，受熱面布置應遵循“上多下少”的原則，即：①充足的過熱器；②適當的蒸發(fā)器；③較少的省煤器或不布置省煤器。
4．溫度參數變化對鍋爐部件設計的影響
水泥窯頭煙氣溫度上下變化幅度很大，也很頻繁，當煙氣溫度升高時，余熱鍋爐產汽量隨之上升，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考慮比較低的介質平均流速（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，按可能的最大蒸發(fā)量確定鍋爐安全閥等。
5．系統設計壓力的比較
目前水泥窯純低溫余熱鍋爐代表性的設計壓力有2.45MPa、1.25MPa、0.8MPa三種，以1.25MPa最為普遍。不同設計壓力的余熱鍋爐，在結構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，配置不同的設計壓力，主蒸汽焓值相差不大。但壓力越高，從熱力學角度看，做功效率會有所提高，如果要確定合理的蒸汽壓力參數，還需考慮到系統配置、投資成本等方面。
六、不同余熱發(fā)電熱力系統的比較
常用的有單壓、閃蒸、雙壓余熱發(fā)電三種方式；單壓系統指窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐產生相近參數的主蒸汽，混合后進入汽輪機；窯頭余熱鍋爐生產的熱水供窯頭余熱鍋爐蒸汽段和窯尾余熱鍋爐；閃蒸系統指鍋爐產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，熱水經過閃蒸，生產低壓的飽和蒸汽，補入補汽式汽輪機的低壓進汽口。雙壓系統指余熱鍋爐生產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：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、鍋爐漏風量。
吸熱量：雙壓系統高于閃蒸系統，閃蒸系統高于單壓系統。
發(fā)電量：雙壓系統高于閃蒸系統，閃蒸系統高于單壓系統。
七、濰坊山水水泥余熱發(fā)電系統特點
采用最高發(fā)電量的雙壓發(fā)電系統；窯頭取風口開在較高溫度區(qū)域，系統采用2.45MPa壓力參數，鍋爐吸熱量大，發(fā)電效率高；采用雙壓系統對水泥窯余熱條件的變化的適用性好；采用獨立的過熱器，方便調整過熱汽溫。
八、鍋爐的設計計算
在多年的試驗和理論研究基礎上，并結合多年設計及鍋爐運行經驗，提出了自己的一套適合于水泥窯余熱鍋爐的設計計算方法，開發(fā)了單壓、雙壓系統的熱力計算程序，在多臺鍋爐上的實際應用表明，鍋爐的運行參數和設計參數符合很好。（中國水泥網 轉載請注明出處）
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