彭武強 冉龍華 高喬 李松平 錢鐸可

基金項目：麗江市科技計劃項目（2022LJSHFZ005）

第一作者簡介：彭武強（1990-），男，碩士，助理工程師。研究方向為特種設備檢驗檢測及材料失效分析。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.037

摘? 要：隨著水泥工業(yè)的飛速發(fā)展，水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術被廣泛應用于水泥工業(yè)中。該技術利用窯頭（AQC）和窯尾（SP）排出的廢熱煙氣熱量加熱余熱鍋爐水，經(jīng)過一系列轉換后將鍋爐水轉變?yōu)檫^熱蒸汽，進而推動汽輪機組發(fā)電。該技術的應用顯著提高水泥制造企業(yè)的能源利用率，降低大氣污染，是企業(yè)降本增效、節(jié)能減排的重要舉措。該文主要介紹水泥窯純低溫余熱鍋爐的工作原理及其在運行過程中的常見問題，分析問題的形成原因，并提出相應的解決措施，以期為水泥窯純低溫余熱鍋爐的安全經(jīng)濟運行，維護保養(yǎng)、檢修及定期檢驗提供科學指導。

關鍵詞：水泥工業(yè)；余熱鍋爐；窯頭；窯尾；過熱蒸汽

中圖分類號：TK229.92? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）13-0152-05

Abstract： With the rapid development of cement industry， pure low temperature waste heat power generation technology of cement kiln is widely used in cement industry. This technology uses the waste heat flue gas heat from the air quenching cooler （AQC） and the suspend preheater （SP） to heat the waste heat boiler water; after a series of conversion， the boiler water is converted into superheated steam; then， the steam turbine unit is promoted to generate electricity. The application of this technology significantly improves the energy efficiency of cement manufacturing enterprises， reduces air pollution， and is an important measure for enterprises to reduce cost and efficiency， energy saving and emission reduction. This paper mainly introduces the working principle of the cement kiln pure low temperature waste heat boiler and the common problems in the operation process， analyzes the causes of the problems， and puts forward the corresponding solving measures. In order to provide scientific guidance for the safe and economic operation， maintenance， overhaul and regular inspection of cement kiln pure low temperature waste heat boiler.

Keywords： cement industry; waste heat boiler; air quenching cooler （AQC）; suspend preheater （SP）; superheated steam

鍋爐作為一種能量轉換設備，廣泛應用于石油、化工、電力、水泥建材和醫(yī)藥等行業(yè)中。鍋爐的分類方法有很多，按所用燃料或能源可分為固體燃料鍋爐、液體燃料鍋爐、氣體燃料鍋爐、余熱鍋爐、生物質鍋爐、原子能鍋爐、電熱鍋爐和垃圾焚燒鍋爐等。其中，余熱鍋爐是利用各種工業(yè)過程中的廢氣、廢料或廢液的顯熱或（和）其可燃物質燃燒后產(chǎn)生的熱量作為熱源的鍋爐。余熱鍋爐品種主要有燒結機余熱鍋爐、三廢混燃爐及吹風氣余熱鍋爐、水泥窯余熱鍋爐、鋼鐵余熱鍋爐、危廢余熱鍋爐、垃圾焚燒余熱鍋爐、焦化余熱鍋爐和有色金屬冶煉余熱鍋爐等。水泥行業(yè)作為高耗能、高耗電產(chǎn)業(yè)，其能耗在全國工業(yè)總能耗中的占比較高。當前，水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術已廣泛應用于水泥工業(yè)中。該技術可有效提高水泥生產(chǎn)企業(yè)的能源利用率，降低環(huán)境污染及溫室氣體的排放，助力水泥企業(yè)降本增效，從而不斷提高其市場競爭力，推動實現(xiàn)水泥工業(yè)的高質量發(fā)展[1-3]。

1? 水泥窯純低溫余熱鍋爐的工作原理

我國水泥窯余熱發(fā)電技術可分為3個發(fā)展階段，第一階段為中空窯高溫余熱發(fā)電技術；第二階段為帶補燃鍋爐余熱發(fā)電技術；第三階段為純低溫余熱發(fā)電技術[4]。

水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術是利用窯頭和窯尾將水泥熟料煅燒過程中產(chǎn)生的廢熱煙氣（煙溫一般為300～400 °C）引入到余熱鍋爐爐膛中，通過鍋爐系統(tǒng)的受熱面換熱產(chǎn)生過熱蒸汽，進而推動汽輪機組做功發(fā)電，該技術可大幅提高能源利用率，有效降低水泥生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)營成本。水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術是通過朗肯循環(huán)來實現(xiàn)的，朗肯循環(huán)作為最簡單的蒸汽動力循環(huán)系統(tǒng)，其主要由給水泵、鍋爐、汽輪機組和冷凝器4個部分組成。圖1為朗肯循環(huán)示意圖，由圖可知朗肯循環(huán)是以水蒸氣作為工作介質，將熱能連續(xù)不斷地轉換為機械能，再將機械能轉換為電能。首先，從給水泵進入鍋爐內的壓縮水4在鍋爐中等壓吸熱轉換為高溫高壓的過熱蒸汽1，之后進入汽輪機組，推動汽輪機葉片旋轉做功發(fā)電，然后轉變?yōu)闈裾羝?從汽輪機出口進入到凝汽器，通過等壓冷凝成飽和水3，最后再經(jīng)給水泵升壓為壓縮水4進入到鍋爐內，這樣工質水就完成了一次封閉循環(huán)，即實現(xiàn)了1次朗肯循環(huán)。

圖1? 朗肯循環(huán)示意圖

水泥窯純低溫余熱鍋爐在正常運行過程中，其汽水系統(tǒng)及煙氣系統(tǒng)流程如圖2、圖3所示。鍋爐水系統(tǒng)的流通路徑一般為水箱→給水泵→省煤器→鍋筒（汽包）→蒸發(fā)器→鍋筒（汽包）。鍋爐汽系統(tǒng)的流通路徑一般為鍋筒（汽包，飽和蒸汽）→過熱器（過熱蒸汽）→集汽集箱→汽輪機[5]。由于水泥窯純低溫余熱鍋爐采用的熱源是水泥熟料生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的廢熱煙氣，該煙氣的含塵量較高，其在鍋爐系統(tǒng)中的流通路徑一般為沉降室→過熱器→蒸發(fā)器→省煤器→從鍋爐尾部煙道排出。

2? 水泥窯純低溫余熱鍋爐運行中常見問題、原因分析及應對措施

2.1? 積灰問題

水泥窯純低溫余熱鍋爐的熱源來自水泥熟料煅燒過程中所產(chǎn)生的高溫廢氣。由于廢氣中含塵量較高，在流經(jīng)過熱器，多級蒸發(fā)器及高低溫省煤器等受熱面的過程中，灰分會在其受熱面管壁上沉積形成積灰問題（如圖4所示）。當積灰問題嚴重時，會顯著降低受熱面的換熱效率，增加鍋爐的排煙溫度，從而造成能源的浪費?，F(xiàn)有研究成果表明，影響余熱鍋爐積灰程度的主要因素有：熱源廢氣的特性（含塵量、煙溫、灰分的粒徑大小及黏結性、廢氣的流速及走向）、余熱鍋爐的結構特點、受熱面的布置方式、廢氣進入余熱鍋爐之前的預除塵效果及清灰方式等[6]。

圖2? 水泥窯純低溫余熱鍋爐汽水流程簡圖

圖3? 水泥窯純低溫余熱鍋爐煙氣流通路徑

目前，余熱鍋爐積灰問題的主要應對措施有以下幾種。

1）煙氣預除塵。如設置重力沉降室，廢熱煙氣在進入鍋爐之前先在沉降室中進行預除塵，以減少煙氣中的大粒徑灰分含量。

2）合理配置鍋爐結構。為了降低積灰程度，SP鍋爐一般采用臥式結構，煙氣水平橫向通過鍋爐受熱面；AQC鍋爐煙氣則一般采用自下而上的流通方式。

3）合理安排受熱面管子的排列方式及間距。

4）選擇高效的清灰方式，如機械振打清灰，吹灰器清灰等。

5）控制好煙氣溫度及流速，以減少灰分黏結及受熱面管的沖刷磨損。

6）采用不易積灰的受熱面管子結構型式，如采用H型翅片管。

2.2? 泄漏問題

泄漏問題常常會造成鍋爐計劃外的停機檢修，尤其是鍋爐受熱面的泄漏會導致較為嚴重的后果。水泥窯純低溫余熱鍋爐的熱源灰分含量較大，常常會在受熱面上形成一定量的積灰，當發(fā)生泄漏時，積灰遇水會黏結形成硬塊并牢牢附著在受熱面的外表面，難以去除，嚴重時會在泄漏點大量堆積，從而在局部堵死煙氣的流通通道，此時往往需要進行換管處理，大大增加了水泥企業(yè)的生產(chǎn)及運維成本，因此研究鍋爐泄漏的原因并制定有針對性的應對措施意義重大[7-8]。

（a）? AQC鍋爐蒸發(fā)器翅片管積灰

（b）? AQC鍋爐過熱器集箱積灰

圖4? 余熱發(fā)電鍋爐常見積灰現(xiàn)象

造成鍋爐泄漏的原因是多方面的，其生產(chǎn)、使用和維護過程中所產(chǎn)生的缺陷均有可能引起泄漏。概括起來主要分為生產(chǎn)過程中的結構設計缺陷、材料及焊接缺陷；使用和維護過程中的飛灰磨損、汽水混合物的沖蝕、過熱、腐蝕及機械損傷等，以及多因素協(xié)同作用下所引起的泄漏。

針對以上問題，可采用如下解決措施。

1）優(yōu)化余熱鍋爐的結構設計，比如在某些部位采用蛇形管結構代替直管結構；在鍋爐受熱面處預留足夠的膨脹間隙；將集箱布置在煙道爐墻外；受熱面采用螺旋翅片管等。

2）嚴格控制余熱鍋爐制造、安裝過程中的焊接質量，從而減少焊接缺陷的產(chǎn)生。

3）控制好余熱鍋爐進口煙氣溫度，使其在設計溫度范圍內，從而避免超溫運行的產(chǎn)生。

4）采取措施減少高溫煙氣中的灰分含量（如進口煙氣預除塵），通過機械振打除灰（常用的機械振打裝置如圖5所示），壓縮空氣吹灰等方式減少煙氣流通過程中產(chǎn)生的積灰堵灰現(xiàn)象。

圖5? SP鍋爐機械振打除灰裝置

2.3? 磨損問題

磨損是水泥窯純低溫余熱鍋爐運行過程中所發(fā)生的突出問題之一。由于鍋爐采用的熱源是水泥窯熟料制備過程中所產(chǎn)生的廢熱煙氣，因此煙氣中灰分含量較高，加之灰分主要為水泥熟料顆粒，粒徑大，硬度較高，煙氣在流動過程中加劇了對受熱面管壁的磨損，當達到一定的運行時間后引起管壁磨損穿孔泄漏（圖6為受熱面管子磨損泄漏后采取的堵管措施，從而確保鍋爐能夠繼續(xù)正常運行）[9-10]。

造成磨損的影響因素主要有：煙氣特性（流動速度、含塵量），灰分特性（形狀、粒徑及硬度），受熱面管子的材料種類、排列方式及間距等。為了減輕磨損，可采取如下措施。

1）合理設計鍋爐煙氣流動速度，使其與受熱面管子平緩接觸，從而最大限度地降低流速過大造成的磨損加劇現(xiàn)象。

2）采取有效的除塵措施（如沉降室預除塵）降低進口煙氣含塵量及大顆?；曳直壤?，從而減輕煙氣流動過程中對管壁的接觸磨損。

3）合理設計管束節(jié)距（盡量均勻布置）及其與爐墻的間隙（間隙不宜過大），消煙氣走廊。

4）采用翅片管等耐磨管子，并在易磨損部位設置抗磨損裝置。

5）采用合理的煙氣流通方式，如窯頭鍋爐煙氣可采用由下而上的流動方式，從而減少灰分自重的加速作用及受熱面管上的積灰量。

6）采用有效的防護措施避免管子兩端及彎頭等薄弱部位受到煙氣的沖刷（如將其布置在煙道外或采用煙氣擋板遮擋）。

圖6? AQC鍋爐過熱器受熱面管子磨損泄漏后采取的堵管措施

2.4? 腐蝕問題

水泥窯純低溫余熱鍋爐的熱源溫度一般不會太高且硫化物等濃度較低，因此煙氣側基本不會發(fā)生高溫腐蝕及低溫硫化物腐蝕等，其腐蝕主要集中在汽水側。腐蝕類型主要有氧腐蝕，垢下腐蝕，酸、堿腐蝕等[11]， 水泥窯純低溫余熱鍋爐部分腐蝕現(xiàn)象如圖7所示。目前采用的腐蝕預防措施主要有以下幾種。

1）水泥生產(chǎn)企業(yè)應完善水質管理制度，加強水質監(jiān)測，對余熱鍋爐給水進行軟化除鹽，做好鍋爐水定期排污，及時清除鍋爐受熱面上的水垢。

2）在鍋爐停用期間應做好保養(yǎng)工作，采取合適的防潮措施，及時處理修復破損保溫層及產(chǎn)生泄漏的管路、閥門等部件。

2.5? 疲勞問題

疲勞問題是水泥窯純低溫余熱鍋爐運行過程中不可避免的問題之一。鍋爐在運行過程中由于承受周期性變化的載荷或溫度，隨著時間的推移構件內部會產(chǎn)生逐漸擴展的裂紋，最終產(chǎn)生斷裂失效。引起鍋爐疲勞的因素主要有：鍋爐本體在運行過程中的振動所引發(fā)的疲勞；機械振打裝置工作時周期性振動所引發(fā)的疲勞；煙溫變化所引發(fā)的熱疲勞等。周期性振動會使受熱面及焊縫等薄弱部位產(chǎn)生疲勞裂紋，從而降低構件的使用壽命，引發(fā)鍋爐泄漏、爐墻漏風等問題，最終降低了鍋爐的使用壽命。水泥窯純低溫余熱鍋爐振動的形成原因主要有：受熱面固定不穩(wěn)，焊接質量差；煙氣變化（劇烈波動、變換方向及卡門渦流影響）；鍋爐水位劇烈波動；鍋爐本體剛性不足等。當煙溫波動較大時，在螺旋翅片管的光管區(qū)與翅片區(qū)交界處易形成熱疲勞，而在角焊縫等應力集中部位，由于熱沖擊作用可能引發(fā)熱疲勞損壞[12-13]。

為了避免或減輕鍋爐振動，可采取以下措施。

1）進一步提高安裝質量，尤其是鍋爐受熱面應固定牢靠。

2）保證焊接質量，減少焊接缺陷，采取圓滑過渡等措施降低焊縫處的應力集中。

3）在調試過程中采取有效措施消除鍋爐本體的振動問題。

4）可在煙道中設置隔板，從而防止共振的產(chǎn)生。

5）在鍋爐運行過程中應加強工況的調節(jié)，防止煙氣及水位的劇烈波動。

為了避免鍋爐產(chǎn)生熱疲勞，可采取如下措施。

1）合理設置水泥窯熟料煅燒的運行條件，避免煙溫產(chǎn)生劇烈波動。

2）在螺旋翅片管的兩端設置煙氣擋板，可阻斷煙溫變化對翅片管的影響，從而避免熱疲勞的產(chǎn)生。

（a）? 鍋筒內部氧腐蝕

（b）? SP鍋爐過熱器外表面腐蝕

圖7? 水泥窯純低溫余熱鍋爐部分腐蝕現(xiàn)象

2.6? 安全保護裝置問題

隨著科學技術的飛速發(fā)展，水泥窯純低溫余熱鍋爐的控制系統(tǒng)越來越智能化、集成化和信息化。按照TSG 11—2020《鍋爐安全技術規(guī)程》的要求，余熱鍋爐應裝設高低水位報警、超壓報警及其連鎖保護裝置，常用的超壓保護裝置有安全閥、爆破片等；水位監(jiān)控裝置有直讀式液位計、電接點液位計等。由于水泥窯純低溫余熱鍋爐的進口煙氣量及煙溫控制難度較大，廢熱煙氣品質隨水泥熟料生產(chǎn)條件變化波動較大，導致鍋筒水位不穩(wěn)定，易形成虛假水位，因此水位的精準控制是鍋爐控制系統(tǒng)亟需解決的重要環(huán)節(jié)之一[14]。當前的研究表明，要保證安全保護裝置的正常運行，可從以下幾個方面入手。

1）做好鍋爐使用單位相關人員的培訓工作，使其充分認識和理解安全保護裝置的原理及其作用，明確安全保護裝置在鍋爐安全運行中的地位。

2）根據(jù)安全保護裝置的工作位置分析可能出現(xiàn)的故障類型，并加強日常的巡檢及檢測工作。

3）做好日常檢修及維護，以確保安全保護裝置功能有效。

4）不斷完善鍋爐控制系統(tǒng)設計，實現(xiàn)安全保護裝置的自動化控制（如控制系統(tǒng)裝設自動水位調節(jié)和極低水位停爐功能等）。

3? 結束語

由于水泥工業(yè)是高能耗產(chǎn)業(yè)，因此如何降低水泥生產(chǎn)成本一直是水泥生產(chǎn)企業(yè)關注的焦點問題。近年來，水泥生產(chǎn)企業(yè)致力于新材料、新工藝和新技術的研究與開發(fā)，不斷進行技術革新和管理革新，以期降低水泥生產(chǎn)成本，做到節(jié)能減排，提質增效，從而不斷提高企業(yè)自身的市場競爭力。水泥窯純低溫余熱發(fā)電作為新時代水泥工業(yè)發(fā)展的一個主流方向，已廣泛應用于我國水泥企業(yè)的日常生產(chǎn)過程中。該技術是直接對水泥窯在熟料煅燒過程中窯頭、窯尾排放的余熱廢氣進行回收，通過余熱鍋爐產(chǎn)生過熱蒸汽帶動汽輪發(fā)電機發(fā)電，其應用大幅提高了水泥生產(chǎn)企業(yè)的能源利用率，節(jié)約了企業(yè)的生產(chǎn)成本。同時減少了企業(yè)溫室氣體的排放，降低了大氣污染，有效保護了自然環(huán)境，是積極貫徹落實我國“能源雙控”“雙碳”政策的具體表現(xiàn)。盡管水泥窯純低溫余熱鍋爐的實際應用價值較高，但由于其發(fā)展時間較短，還有許多現(xiàn)實問題需要在實踐中攻克和解決。因此，本文分析總結了水泥窯純低溫余熱發(fā)電鍋爐在日常運行過程中可能出現(xiàn)的問題，并提出了有針對性的解決措施，以期為水泥窯純低溫余熱發(fā)電鍋爐的日常維護保養(yǎng)、檢修及未來的改進發(fā)展提供一定的參考依據(jù)，從而為自然環(huán)境保護及水泥工業(yè)的高質量發(fā)展貢獻自己的一份力量。

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