摘要：探討了水泥窯協(xié)同處置生活垃圾后余熱鍋爐的熱風(fēng)條件變化，通過對水泥窯熱工標(biāo)定和余熱鍋爐熱工計算等方式，全面評估余熱鍋爐的運(yùn)行工況，并詳細(xì)分析和計算了SP余熱鍋爐改造的可行性和收益，為水泥企業(yè)節(jié)能降耗提供依據(jù)，對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

隨著垃圾圍城的問題日益突出，華新水泥股份有限公司充分研究水泥窯協(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。

1 協(xié)同處置生活垃圾后對余熱發(fā)電的影響

以一條4 000 t/d水泥生產(chǎn)線為例，配套建設(shè)裝機(jī)容量7.5 MW的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)。在不影響水泥生產(chǎn)線正常生產(chǎn)的前提下，平均發(fā)電功率可以達(dá)到6 000 kW，扣除自用電后凈發(fā)電量約33.5 kWh/t熟料，可滿足水泥廠30%的用電量。

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；同時由于垃圾水分高、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。本文只研究通過對SP爐改造來回收窯尾未完全利用的熱量，供大家交流。

2 協(xié)同處置生活垃圾前SP爐運(yùn)行情況

我公司早期建設(shè)的一條新型干法熟料生產(chǎn)線額定產(chǎn)量4 000 t/d，配套余熱發(fā)電的SP爐為立式布置的自然循環(huán)單壓鍋爐，產(chǎn)生的過熱蒸汽與AQC爐的過熱蒸汽在分汽缸混合后進(jìn)入汽輪機(jī)。SP爐的出廠設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 SP爐出廠設(shè)計參數(shù)

經(jīng)過對水泥生產(chǎn)線進(jìn)行熱工標(biāo)定，工廠的相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)為：熟料產(chǎn)量3 600 t/d，SP爐的進(jìn)口風(fēng)量為210 000 Nm3/h，單位熟料煙氣量1.4 Nm3/kg，進(jìn)口風(fēng)溫358 ℃[4]。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238 ℃，SP爐改造前各工況參數(shù)對比見表2。

表2 SP爐改造前各工況參數(shù)對比

SP爐實際運(yùn)行的排煙溫度比核算出來的理論值高19 ℃，主蒸汽流量減少，說明SP爐熱交換效率低，是鍋爐受熱面積灰后所致。

3 協(xié)同處置生活垃圾后SP爐運(yùn)行情況分析

為了節(jié)能降耗，該工廠計劃利用大修時間對預(yù)熱器及相關(guān)設(shè)備技改，并同時開始處置生活垃圾。根據(jù)已投運(yùn)的協(xié)同處置工廠運(yùn)行經(jīng)驗，年修后預(yù)熱器出口的煙氣流量和溫度將大幅上升。

如果年修只對SP爐進(jìn)行常規(guī)的清灰和漏風(fēng)處理，雖然SP爐的主蒸汽流量和溫度仍然會隨著進(jìn)口煙氣流量和溫度的提高而大幅度增加，從而提高發(fā)電量，但同時會產(chǎn)生如下問題：

（1）SP爐產(chǎn)汽量會增加至24.9t/h，出口溫度高達(dá)251℃，而原料烘干只需要200℃。

（2）省煤器出口的熱水含汽率達(dá)到2.2%，煙風(fēng)溫度波動后省煤器出口熱水管道可能會產(chǎn)生汽塞，情況嚴(yán)重時會導(dǎo)致給水管道振動。

（3）高溫風(fēng)機(jī)進(jìn)口工況風(fēng)量和壓力都大幅上升，超負(fù)荷運(yùn)行。

4 協(xié)同處置生活垃圾后SP爐改造方案

4.1 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(yùn)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，SP爐改造基準(zhǔn)條件見表3。

表3 SP爐改造基準(zhǔn)條件

4.2 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，見圖1。

（1）過熱器部分

為防止主蒸汽溫度過高后汽輪機(jī)進(jìn)汽超溫，過熱器管束不動。進(jìn)口煙道和過熱器的內(nèi)護(hù)板進(jìn)行升級為耐熱鋼，使其具備<550 ℃煙溫的使用條件。

（2）蒸發(fā)器部分

在原四組蒸發(fā)器的基礎(chǔ)上增加兩組：將原省煤器改為蒸發(fā)器，再新增一組蒸發(fā)器。

（3）省煤器部分

新增一組省煤器。

（4）其他

調(diào)整相應(yīng)的汽水管路、鍋爐內(nèi)護(hù)板、保溫層及彩鋼瓦，上下兩組受熱面間布置膨脹節(jié)。

為了給新增管束騰出布置空間，出口煙道和拉鏈機(jī)需要下移。下灰管通過混凝土平臺上開孔接出，拉鏈機(jī)平臺重新做成鋼平臺，通過鋼橫梁固定在鍋爐混凝土柱子上。

在原鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加兩圈鋼橫梁及通風(fēng)梁，并對原鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的加強(qiáng)；增設(shè)兩層平臺，扶梯改造。

鍋爐出口風(fēng)管重新制作、連接，并且調(diào)整管道連接的角度，使通風(fēng)流暢。

改造后SP爐總圖見圖1，熱力計算結(jié)果見表4。

圖1 改造后SP爐總圖

表4 改造后SP爐熱力計算結(jié)果

5 改造投資及收益

5.1 改造周期

正規(guī)鍋爐廠管道備件的供貨周期是收到預(yù)付款后2個月交貨，因此需要在改造前3個月準(zhǔn)備訂貨。

施工順序：施工技術(shù)交底→停窯前進(jìn)場制作出口風(fēng)管非標(biāo)→停窯后拆除相應(yīng)護(hù)板和出口風(fēng)管→灰斗和拉鏈機(jī)下移→安裝新增換熱管束→水壓試驗→回裝相應(yīng)護(hù)板和出口風(fēng)管→交工驗收。停窯前半個月進(jìn)場，停窯后安裝工程需要約1個月施工期。

5.2 改造費(fèi)用

改造工程需要正規(guī)鍋爐廠做熱力和結(jié)構(gòu)設(shè)計并供貨，安裝公司需要擁有特種設(shè)備（鍋爐）維修、改造的資質(zhì)。改造工程要向當(dāng)?shù)靥貦z所部門進(jìn)行報檢，并由其驗收水壓試驗。

SP爐改造工作范圍為：增加受熱面，更換和增加部分墻板、鋼結(jié)構(gòu)、汽水管道，增加平臺扶梯，拉鏈機(jī)移位，增加對應(yīng)的儀表等，預(yù)計總投資約298萬元。

5.3 改造效益

通過增加SP爐受熱面，進(jìn)一步回收窯尾煙氣熱量，SP爐能夠多發(fā)電約800 kW，年運(yùn)行時間按7 000 h計，電費(fèi)按0.5元/kWh計，改造工程年創(chuàng)收益為800×7 000×0.5=280萬元，投資回報期1.1年。協(xié)同處置后SP爐是否改造熱力計算對比見表5。

表5 協(xié)同處置后SP爐是否改造熱力計算對比

SP爐改造后出口煙氣溫度降低，煙氣的工況流量變??；由于增加了受熱面，鍋爐的阻力會增加約200 Pa。根據(jù)理論計算并查看風(fēng)機(jī)曲線，高溫風(fēng)機(jī)的功率會略微下降，收益不計。

SP爐改造后蒸發(fā)量上升，但由于主蒸汽管道直徑不變，主蒸汽沿程阻力會增加。鍋爐本體改造成功后，可視運(yùn)行情況對主蒸汽管道進(jìn)行擴(kuò)徑改造。

6 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(yùn)行工況也隨之發(fā)生了較大變化。本文結(jié)合華新水泥協(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)對天然礦物燃料和電能的零消耗未來可期！