技術(shù) | 水泥窯協(xié)同處置生活垃圾后SP余熱鍋爐的改造
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條件變化，通過對水泥窯熱工標定和余熱鍋爐熱工計算等方式，全面評估余熱鍋爐的運行工況，并詳細分析和計算了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，高溫風機需要增加抽風量保證窯系統(tǒng)通風。熟料冷卻機前段的高溫風被更多的抽到窯尾以后，窯頭AQC余熱鍋爐可回收的風量和風溫都顯著下降，AQC爐的產(chǎn)汽量降低，甚至退爐；預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入汽輪機。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)線進行熱工標定，工廠的相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)為：熟料產(chǎn)量3 600 t/d，SP爐的進口風量為210 000 Nm3/h，單位熟料煙氣量1.4 Nm3/kg，進口風溫358 ℃[4]。由于SP爐進口的風量、風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)已投運的協(xié)同處置工廠運行經(jīng)驗，年修后預熱器出口的煙氣流量和溫度將大幅上升。
如果年修只對SP爐進行常規(guī)的清灰和漏風處理，雖然SP爐的主蒸汽流量和溫度仍然會隨著進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251℃，而原料烘干只需要200℃。
（2）省煤器出口的熱水含汽率達到2.2%，煙風溫度波動后省煤器出口熱水管道可能會產(chǎn)生汽塞，情況嚴重時會導致給水管道振動。
（3）高溫風機進口工況風量和壓力都大幅上升，超負荷運行。
4 協(xié)同處置生活垃圾后SP爐改造方案
4.1 改造基準條件
為了進一步充分回收SP爐出口的余熱資源，改善高溫風機運行工況，在保證原料烘干的前提下，決定利用大修時間對該工廠SP爐進行同步改造，SP爐改造基準條件見表3。
表3 SP爐改造基準條件
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進汽超溫，過熱器管束不動。進口煙道和過熱器的內(nèi)護板進行升級為耐熱鋼，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，出口煙道和拉鏈機需要下移。下灰管通過混凝土平臺上開孔接出，拉鏈機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梁，并對原鋼結(jié)構(gòu)進行必要的加強；增設(shè)兩層平臺，扶梯改造。
鍋爐出口風管重新制作、連接，并且調(diào)整管道連接的角度，使通風流暢。
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付款后2個月交貨，因此需要在改造前3個月準備訂貨。
施工順序：施工技術(shù)交底→停窯前進場制作出口風管非標→停窯后拆除相應(yīng)護板和出口風管→灰斗和拉鏈機下移→安裝新增換熱管束→水壓試驗→回裝相應(yīng)護板和出口風管→交工驗收。停窯前半個月進場，停窯后安裝工程需要約1個月施工期。
5.2 改造費用
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?shù)靥貦z所部門進行報檢，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，拉鏈機移位，增加對應(yīng)的儀表等，預計總投資約298萬元。
5.3 改造效益
通過增加SP爐受熱面，進一步回收窯尾煙氣熱量，SP爐能夠多發(fā)電約800 kW，年運行時間按7 000 h計，電費按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。挥捎谠黾恿耸軣崦妫仩t的阻力會增加約200 Pa。根據(jù)理論計算并查看風機曲線，高溫風機的功率會略微下降，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，可視運行情況對主蒸汽管道進行擴徑改造。
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！
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