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水泥窯協(xié)同處置窯尾余熱鍋爐改造
2023/10/30
一. 前言
在新型干法熟料生產(chǎn)工藝中，純低溫余熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用普遍且已趨于成熟。其工藝為分別在窯尾預(yù)熱器和熟料冷卻機(jī)旁各設(shè)置一臺余熱鍋爐，回收除去原料和煤粉烘干以外的剩余熱量，然后將產(chǎn)生的低溫低壓蒸汽送至汽輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電。余熱發(fā)電項目的實施，一方面可以綜合利用水泥生產(chǎn)線排放的廢熱資源，回收高溫?zé)煔獾臒崃孔儚U為寶，降低水泥生產(chǎn)成本和提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；另一方面可降低排煙溫度和排塵濃度，減輕熱污染和環(huán)境污染。
伴隨著經(jīng)濟(jì)增長和人民生活質(zhì)量的提高，垃圾圍城的問題日益突出。川潤動力充分研究水泥窯協(xié)同處理固體廢棄物在節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、影響熟料質(zhì)量和產(chǎn)量等方面的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，迅速調(diào)整戰(zhàn)略方向，從單一水泥制造向利用水泥窯來減量化、無害化以及資源化處置城市生活垃圾的方向發(fā)展。隨著協(xié)同處置生活垃圾的量越來越多，水泥廠的余熱發(fā)電工況發(fā)生了很大的變化。
二. 水泥窯協(xié)同處置生活垃圾后對余熱發(fā)電的影響
水泥窯在協(xié)同處置生活垃圾后，垃圾在分解爐內(nèi)燃燒可以貢獻(xiàn)熱量，替代一部分煤，即熟料燒成的煤耗會下降；同時由于垃圾水分大、灰分大和熱值低的特點，燃燒需要的空氣量和產(chǎn)生的煙氣量比燃煤要高很多，熟料燒成的總熱耗會上升。這樣導(dǎo)致的結(jié)果是，協(xié)同處置生活垃圾后要想熟料產(chǎn)量不降低或少量降低的話，高溫風(fēng)機(jī)需要增加抽風(fēng)量保證窯系統(tǒng)通風(fēng)。熟料冷卻機(jī)前段的高溫風(fēng)被更多的抽到窯尾以后，窯頭AQC余熱鍋爐可回收的風(fēng)量和風(fēng)溫都顯著下降，AQC爐的產(chǎn)汽量降低，甚至退爐；預(yù)熱器出口的煙氣溫度上升了20-60℃，煙氣體積也增加了10-30%，窯尾SP余熱鍋爐的產(chǎn)汽量上升，但SP爐排煙溫度也會上升，多出一部分熱量不能被完全回收利用。
以某水泥廠四爐一機(jī)配套9MW余熱發(fā)電機(jī)組為例。該機(jī)組2#爐（3700t/d規(guī)模）于2018年10月開始進(jìn)行垃圾協(xié)同處理。運行過程中由于煙氣條件變化，造成窯尾鍋爐余熱回收不充分，排煙溫度高等問題。川潤動力受水泥廠委托，赴現(xiàn)場調(diào)研并提出了針對性的解決方案。
三. 水泥窯原始設(shè)計工況和垃圾協(xié)同處理工況對比
由于SP爐進(jìn)口的風(fēng)量、風(fēng)溫和主蒸汽壓力都與設(shè)計值存在差異，因此需要利用熱工模型對SP爐做一個在新工況下的模擬計算，核算出SP爐排煙溫度應(yīng)該是219℃，而實際標(biāo)定出SP爐排煙溫度是254℃。
四. 改造的目的與需要考慮的問題
針對該項目進(jìn)行垃圾協(xié)同處理后的運行工況分析。本次改造主要需要考慮的問題如下：
(1) 改造目的：回收因燒垃圾額外產(chǎn)生的熱量，降低排煙溫度，提升水泥廠經(jīng)濟(jì)效益。
(2) 材料：煙氣溫度的升高需要考慮局部做材質(zhì)提升，高溫區(qū)域需要更換為耐熱鋼保證材料強(qiáng)度。
(3) 水循環(huán)：高溫工況蒸發(fā)器的水循環(huán)惡化，需要核算并重新布置汽水連接管，必要的情況下需要增加連接管數(shù)量或口徑。
(4) 蒸汽流速：高溫工況產(chǎn)汽量大，如果不進(jìn)行改造過熱器內(nèi)蒸汽流速過高會造成管束震動，嚴(yán)重的情況下會造成系統(tǒng)壓力不穩(wěn)。
(5) 煙氣阻力：由于煙氣量的增大，各區(qū)域煙氣流速均有上升。需要在設(shè)計時合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，盡可能的控制煙氣阻力。
(6) 低溫腐蝕：由于垃圾協(xié)同處理后，會造成窯頭熱量減少，極端情況下可能有窯頭鍋爐退出運行的情況，需要考慮低溫冷凝水（~40℃）直接供給窯尾鍋爐時，末級省煤器低溫腐蝕的問題。
五. 水泥窯協(xié)同處置生活垃圾后SP爐改造方案
1. 改造基準(zhǔn)條件
為了進(jìn)一步充分回收SP爐出口的余熱資源，改善高溫風(fēng)機(jī)運行工況，在保證原料烘干的前提下，決定利用大修時間對該工廠SP爐進(jìn)行同步改造。
2. 改造方案主要內(nèi)容
為了減小改造工作量，盡可能利用SP爐現(xiàn)有框架，根據(jù)SP爐的受熱面布置情況，制定以下改造方案：
(1)過熱器：過熱器通風(fēng)梁提升材質(zhì)，使用耐熱材料12Cr1MoV，保證在高溫工況通風(fēng)梁有足夠的強(qiáng)度，不變形不碳化。
過熱器管束由原φ38×4兩繞管束改造更換為φ42×3.5三繞管束，增加蒸汽流通面積控制管內(nèi)蒸汽流速在合理范圍內(nèi)。
(2)蒸發(fā)器：蒸發(fā)器1通風(fēng)梁提升材質(zhì)，使用耐熱材料12Cr1MoV，保證在高溫工況通風(fēng)梁有足夠的強(qiáng)度，不變形不碳化。
蒸發(fā)器1管束由原φ38×4兩繞管束改造更換為φ42×3.5三繞管束，增加工質(zhì)流通面積，保證水循環(huán)安全可靠。
原省煤器利舊現(xiàn)有受熱面將功能改造為蒸發(fā)器增加蒸發(fā)器總體換熱面積。通過改造管道連接方式將其功能改造為蒸發(fā)器，節(jié)約改造投入。
(3)灰斗和出風(fēng)管：原灰斗和SP爐出風(fēng)管下沉，讓出加裝空間。同時，出風(fēng)管流通截面增大10%，盡可能降低煙道阻力。由于灰斗的下沉，拉連接需要相應(yīng)下移并重新制作支架。
(4) 省煤器：利用灰斗下沉讓出的空間，加裝一組省煤器，新增省煤器帶機(jī)械振打裝置。
(5) 汽水連接管：重新設(shè)計連接管，鍋筒新增開孔兩個。通過水循環(huán)計算，改造后總體循環(huán)倍率保持在15以上。
(6) 水-水換熱器：為了防止低溫腐蝕的發(fā)生，該項目增設(shè)一臺水水換熱器。如使用過程中因工況變化或除氧方式不同致給水溫度較時，該換熱器投入運行，給水流程變?yōu)榈蜏厮畵Q熱器T1→水水換熱器T2→省煤器→水水換熱器S1→水水換熱器S2→鍋筒。提高了省煤器的管壁溫度，從而避免低溫腐蝕的情況。
3. 改造前后參數(shù)對比
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個月交貨，因此需要水泥廠在停窯計劃前三個月敲定改造范圍并完成合同設(shè)備訂貨。
2. 改造費用
以該項目為例，設(shè)備投資+安裝費合計約300萬元。
3. 改造收益
通過增加SP爐受熱面，進(jìn)一步回收窯尾煙氣熱量，SP爐產(chǎn)汽量較改造前提升4.8t/h左右，理論提升發(fā)電功率約800kW，按年運行時間按7000h計，電費按0.5元/度計，改造工程年創(chuàng)收益為800×7000×0.5=280萬元，投資回報期1.1年。
七. 總結(jié)
水泥廠協(xié)同處置生活垃圾后，整個熟料燒成系統(tǒng)及配料都會發(fā)生相應(yīng)變化，余熱發(fā)電的運行工況也隨之發(fā)生了較大變化。本文結(jié)合該水泥有限公司協(xié)同處置生活垃圾的工程實例，提出對SP爐的改造升級，投資小，收益大，可供其他工廠參考借鑒。此外，隨著協(xié)同處置生活垃圾的處置量和余熱發(fā)電量的提高，水泥廠實現(xiàn)對外界天然礦物燃料和電能的零消耗未來可期！
SP鍋爐改造總圖
在新型干法熟料生產(chǎn)工藝中，純低溫余熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用普遍且已趨于成熟。其工藝為分別在窯尾預(yù)熱器和熟料冷卻機(jī)旁各設(shè)置一臺余熱鍋爐，回收除去原料和煤粉烘干以外的剩余熱量，然后將產(chǎn)生的低溫低壓蒸汽送至汽輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電。余熱發(fā)電項目的實施，一方面可以綜合利用水泥生產(chǎn)線排放的廢熱資源，回收高溫?zé)煔獾臒崃孔儚U為寶，降低水泥生產(chǎn)成本和提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；另一方面可降低排煙溫度和排塵濃度，減輕熱污染和環(huán)境污染。
伴隨著經(jīng)濟(jì)增長和人民生活質(zhì)量的提高，垃圾圍城的問題日益突出。川潤動力充分研究水泥窯協(xié)同處理固體廢棄物在節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、影響熟料質(zhì)量和產(chǎn)量等方面的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，迅速調(diào)整戰(zhàn)略方向，從單一水泥制造向利用水泥窯來減量化、無害化以及資源化處置城市生活垃圾的方向發(fā)展。隨著協(xié)同處置生活垃圾的量越來越多，水泥廠的余熱發(fā)電工況發(fā)生了很大的變化。
二. 水泥窯協(xié)同處置生活垃圾后對余熱發(fā)電的影響
水泥窯在協(xié)同處置生活垃圾后，垃圾在分解爐內(nèi)燃燒可以貢獻(xiàn)熱量，替代一部分煤，即熟料燒成的煤耗會下降；同時由于垃圾水分大、灰分大和熱值低的特點，燃燒需要的空氣量和產(chǎn)生的煙氣量比燃煤要高很多，熟料燒成的總熱耗會上升。這樣導(dǎo)致的結(jié)果是，協(xié)同處置生活垃圾后要想熟料產(chǎn)量不降低或少量降低的話，高溫風(fēng)機(jī)需要增加抽風(fēng)量保證窯系統(tǒng)通風(fēng)。熟料冷卻機(jī)前段的高溫風(fēng)被更多的抽到窯尾以后，窯頭AQC余熱鍋爐可回收的風(fēng)量和風(fēng)溫都顯著下降，AQC爐的產(chǎn)汽量降低，甚至退爐；預(yù)熱器出口的煙氣溫度上升了20-60℃，煙氣體積也增加了10-30%，窯尾SP余熱鍋爐的產(chǎn)汽量上升，但SP爐排煙溫度也會上升，多出一部分熱量不能被完全回收利用。
以某水泥廠四爐一機(jī)配套9MW余熱發(fā)電機(jī)組為例。該機(jī)組2#爐（3700t/d規(guī)模）于2018年10月開始進(jìn)行垃圾協(xié)同處理。運行過程中由于煙氣條件變化，造成窯尾鍋爐余熱回收不充分，排煙溫度高等問題。川潤動力受水泥廠委托，赴現(xiàn)場調(diào)研并提出了針對性的解決方案。
三. 水泥窯原始設(shè)計工況和垃圾協(xié)同處理工況對比
由于SP爐進(jìn)口的風(fēng)量、風(fēng)溫和主蒸汽壓力都與設(shè)計值存在差異，因此需要利用熱工模型對SP爐做一個在新工況下的模擬計算，核算出SP爐排煙溫度應(yīng)該是219℃，而實際標(biāo)定出SP爐排煙溫度是254℃。
四. 改造的目的與需要考慮的問題
針對該項目進(jìn)行垃圾協(xié)同處理后的運行工況分析。本次改造主要需要考慮的問題如下：
(1) 改造目的：回收因燒垃圾額外產(chǎn)生的熱量，降低排煙溫度，提升水泥廠經(jīng)濟(jì)效益。
(2) 材料：煙氣溫度的升高需要考慮局部做材質(zhì)提升，高溫區(qū)域需要更換為耐熱鋼保證材料強(qiáng)度。
(3) 水循環(huán)：高溫工況蒸發(fā)器的水循環(huán)惡化，需要核算并重新布置汽水連接管，必要的情況下需要增加連接管數(shù)量或口徑。
(4) 蒸汽流速：高溫工況產(chǎn)汽量大，如果不進(jìn)行改造過熱器內(nèi)蒸汽流速過高會造成管束震動，嚴(yán)重的情況下會造成系統(tǒng)壓力不穩(wěn)。
(5) 煙氣阻力：由于煙氣量的增大，各區(qū)域煙氣流速均有上升。需要在設(shè)計時合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，盡可能的控制煙氣阻力。
(6) 低溫腐蝕：由于垃圾協(xié)同處理后，會造成窯頭熱量減少，極端情況下可能有窯頭鍋爐退出運行的情況，需要考慮低溫冷凝水（~40℃）直接供給窯尾鍋爐時，末級省煤器低溫腐蝕的問題。
五. 水泥窯協(xié)同處置生活垃圾后SP爐改造方案
1. 改造基準(zhǔn)條件
為了進(jìn)一步充分回收SP爐出口的余熱資源，改善高溫風(fēng)機(jī)運行工況，在保證原料烘干的前提下，決定利用大修時間對該工廠SP爐進(jìn)行同步改造。
2. 改造方案主要內(nèi)容
為了減小改造工作量，盡可能利用SP爐現(xiàn)有框架，根據(jù)SP爐的受熱面布置情況，制定以下改造方案：
(1)過熱器：過熱器通風(fēng)梁提升材質(zhì)，使用耐熱材料12Cr1MoV，保證在高溫工況通風(fēng)梁有足夠的強(qiáng)度，不變形不碳化。
過熱器管束由原φ38×4兩繞管束改造更換為φ42×3.5三繞管束，增加蒸汽流通面積控制管內(nèi)蒸汽流速在合理范圍內(nèi)。
(2)蒸發(fā)器：蒸發(fā)器1通風(fēng)梁提升材質(zhì)，使用耐熱材料12Cr1MoV，保證在高溫工況通風(fēng)梁有足夠的強(qiáng)度，不變形不碳化。
蒸發(fā)器1管束由原φ38×4兩繞管束改造更換為φ42×3.5三繞管束，增加工質(zhì)流通面積，保證水循環(huán)安全可靠。
原省煤器利舊現(xiàn)有受熱面將功能改造為蒸發(fā)器增加蒸發(fā)器總體換熱面積。通過改造管道連接方式將其功能改造為蒸發(fā)器，節(jié)約改造投入。
(3)灰斗和出風(fēng)管：原灰斗和SP爐出風(fēng)管下沉，讓出加裝空間。同時，出風(fēng)管流通截面增大10%，盡可能降低煙道阻力。由于灰斗的下沉，拉連接需要相應(yīng)下移并重新制作支架。
(4) 省煤器：利用灰斗下沉讓出的空間，加裝一組省煤器，新增省煤器帶機(jī)械振打裝置。
(5) 汽水連接管：重新設(shè)計連接管，鍋筒新增開孔兩個。通過水循環(huán)計算，改造后總體循環(huán)倍率保持在15以上。
(6) 水-水換熱器：為了防止低溫腐蝕的發(fā)生，該項目增設(shè)一臺水水換熱器。如使用過程中因工況變化或除氧方式不同致給水溫度較時，該換熱器投入運行，給水流程變?yōu)榈蜏厮畵Q熱器T1→水水換熱器T2→省煤器→水水換熱器S1→水水換熱器S2→鍋筒。提高了省煤器的管壁溫度，從而避免低溫腐蝕的情況。
3. 改造前后參數(shù)對比
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個月交貨，因此需要水泥廠在停窯計劃前三個月敲定改造范圍并完成合同設(shè)備訂貨。
2. 改造費用
以該項目為例，設(shè)備投資+安裝費合計約300萬元。
3. 改造收益
通過增加SP爐受熱面，進(jìn)一步回收窯尾煙氣熱量，SP爐產(chǎn)汽量較改造前提升4.8t/h左右，理論提升發(fā)電功率約800kW，按年運行時間按7000h計，電費按0.5元/度計，改造工程年創(chuàng)收益為800×7000×0.5=280萬元，投資回報期1.1年。
七. 總結(jié)
水泥廠協(xié)同處置生活垃圾后，整個熟料燒成系統(tǒng)及配料都會發(fā)生相應(yīng)變化，余熱發(fā)電的運行工況也隨之發(fā)生了較大變化。本文結(jié)合該水泥有限公司協(xié)同處置生活垃圾的工程實例，提出對SP爐的改造升級，投資小，收益大，可供其他工廠參考借鑒。此外，隨著協(xié)同處置生活垃圾的處置量和余熱發(fā)電量的提高，水泥廠實現(xiàn)對外界天然礦物燃料和電能的零消耗未來可期！
SP鍋爐改造總圖
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