水泥廠余熱發電的風管設計及優化

宋 煒

（上海凱盛節能工程技術有限公司，上海 200060）

1 余熱鍋爐的布置

1.1 余熱鍋爐應布置在廢氣熱源附近

1）布置時應盡量避開水泥線的基礎承臺。按照設計經驗，改造項目在不知水泥線的基礎承臺大小時，為避免設計返工，工藝向土建專業提資，AQC鍋爐距離篦冷機外框架的適合距離為3.0m，SP鍋爐距離窯尾預熱器外框架的適合距離為5.5m。余熱鍋爐柱腳應盡可能布置在混凝土結構的立柱或主梁上。

2）余熱鍋爐所在的平臺高度應根據下灰是否通暢、風管接入的角度是否不積灰等因素來確定。按照設計經驗，對于立式余熱鍋爐：AQC鍋爐宜布置在0m層，SP鍋爐宜布置在12m層左右。

1.2 余熱鍋爐廠房的布置方式應根據當地的室外氣象條件確定

應符合下列規定：

1）非寒冷地區應采用露天布置。

2）一般寒冷地區可采用露天布置，應對導壓管、排污管等易凍損的部位采取伴熱措施。

3）嚴寒地區的余熱鍋爐不宜采用露天布置。

2 風管附件的選型及布置

2.1 煙風閥門的選型及布置

1）≤650℃的煙風閥門及篦冷機余風閥需采用龜甲網＋耐磨陶瓷涂料襯里，龜甲網材質采用0Cr13不銹鋼材質，閥板材質選用1Gr18。≤450℃的煙風閥門，閥板材質選用Q420。

2）對于運行中容易積灰的管道，應選用45度角傾斜式閥門，并設置觀察孔（見圖1）。

3）在容易積灰的管道最低點處設置放灰管道，并設置觀察孔（見圖2）。以上措施可以有效避免煙風管道內積灰。

2.2 膨脹節的選型及布置

風管膨脹節的選型應根據膨脹量來確定，膨脹量公式如下

式中，ΔL為膨脹量，mm；ξ為管材線性膨脹系數，mm/（mm·℃）；Δt為管道內介質和環境溫度差，℃；L為固定支座間的管道長度，mm。

在窯頭篦冷機取風口、窯尾預熱器下降管跨至鍋爐的風管宜設置選用金屬膨脹節（見圖1，金屬膨脹節9），主要是考慮這些部位檢修更換不方便，其他部位可選擇非金屬膨脹節以提高經濟性。

3 風管設計常見的問題與優化

國內絕大部分水泥余熱發電項目都是在已建成的水泥生產線的基礎上進行設計的。鑒于經濟性考慮，余熱發電系統設計時有一部分風管附加荷載要作用在水泥線的混凝土或鋼結構上面。由于某些原因水泥線的結構圖紙不全或者沒有，這給設計造成很大的困難，無法核算其承載力。鑒于這種情況，我們可以做如下優化：

例：某4 500t/d水泥生產線，當地海拔2 454.3m，預熱器下降管徑?3 600mm，窯尾預熱器框架為鋼筋混凝土結構，可以利用廢氣資源為280 000Nm3/h，溫度330℃，高溫風機布置在增濕塔之后，前期收集資料中無預熱器框架結構圖紙，現要為其配一臺余熱鍋爐及風管設計。解析：進風管段常規設計（見圖3（a），常規設計方案）是從增濕塔上部取風，需要在窯尾預熱器框架上生根做風管支架，接入窯尾余熱鍋爐進口。因無預熱器框架結構圖紙無法核算其是否能承載風管的附加荷載，可以將鍋爐風管靠近預熱器布置，將鍋爐鋼架加高，對風管進行優化布置（見圖3（b），優化后的設計方案），讓風管附加荷載作用在鍋爐鋼架上，從而避免不安全因素的風險。下面是計算過程。

3.1 進風管徑的計算

進風管徑的計算，公式如下

其中，D為管徑，mm；QLg為高海拔地區工況風量，m3/h；u為管道風速，m/s。

3.2 進風管道荷載計算

總均布荷載F＝（管道自重＋保溫重＋風載力）×地震系數×積灰系數。

其中：管道自重＝1.2×0.078 5×3.14×4.0×8＝9.47kN/m；

保溫重＝0.01×130×3.14×（（2＋0.001×180）2－22）＝3.07kN/m；

風載力＝75×4×1.1×0.01＝3.3kN/m。

則有，總均布荷載F＝（9.47＋3.07＋3.3）×1.3×1.5＝30.88kN/m。

對風管布置進行優化設計，在鍋爐頂部設置三層鋼平臺，每層高4.8m，鋼架立柱與鍋爐柱腳跨距一致，上下兩層可以設置固定支架，中間一層設置膨脹節（常規設計方案與優化后的設計方案對比，見圖3），根據管道長度可計算出：固定支架1垂直荷載＝－440kN，固定支架2垂直荷載＝－266kN。

3.3 進風管阻力計算

進風管阻力，計算公式如下

其中，λ為圓管摩擦阻力系數（對于金屬風煙管道取0.02，對于磚砌或混凝土風、煙管道取0.04）；L為風管長度，m；D為風管直徑，m；ξ為管件及變徑點阻力系數；u為風管中流速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3，0℃時ρ＝1.293；K0為阻力附加系數，K0＝1.15～1.20。

可得：優化前的進風管阻力ΔP1＝［0.02×25÷4＋（0.58×3）］×162×0.585÷2×1.2＝167.7Pa，優化后的進風管阻力ΔP2＝［0.02×25÷4＋0.58］×162×0.585÷2×1.2＝63.4Pa。

4 結 論

a.通過以上探討分析，我們知道合理、正確地布置鍋爐位置及選擇風管附件，可以避免返工及工程質量事故，有效地節省項目建設時間，提高工作效率。在設計過程中設計人員要嚴格遵守設計規程規范并結合工程實際情況，對一些經驗進行總結歸類。

b.通過上述計算可知進風管的附加荷載為－440kN－266kN＝－706kN，荷載相對比較大。若設計作用在窯尾預熱器框架上，無法知道其承載力，具有一定風險；優化設計后此荷載全部作用在鍋爐鋼架上，而鍋爐訂貨前其鋼架是可以進行核算加固的，此優化可避免風管的附加荷載作用在窯尾預熱器框架上引起的承載力不夠等不安全因素。其次，優化后的進風管因彎頭減少，局部阻力附加系數變小，總阻力比優化前減少167.7－63.4＝104.3Pa，從而減少了風機的負荷，節省了廠用電。所以，建議在不知窯尾預熱器框架結構設計承載力或者核算后承載力不夠的情況下，可采用此優化方案。

［1］ 中小型熱電聯產工程設計手冊［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［2］ 水泥工廠余熱發電設計規范［M］.北京：中國計劃出版社，2010.