水泥窯余熱發電技術改進

張建重

（四川川潤動力設備有限公司，四川成都 611730）

0 引言

目前，純低溫余熱發電技術已在水泥、玻璃和鋼鐵行業迅速普及，并已成為新的經濟增長點，為企業提供了節能減排手段和一定的經濟效益。水泥窯余熱發電中常用的熱循環系統的基本形式是單壓技術、閃蒸技術和雙壓技術。無論采用哪種熱循環方式，都希望將發電過程中產生的廢熱用于“內部生產/利用”并減少電力的生產/外包。但在一些余熱發電廠，每噸熟料的發電能力不符合設計參數，其中一些問題是由于生產設備的維護不當和熟料生產線中央控制方式造成的，需要改進調整。某4500 t/d 干法熟料生產線余熱發電項目于2019 年正式上線，該系統采用“2 爐1機”的形式，安裝在熟料生產線的窯頭和窯尾。1×9 MW 蒸汽補充冷凝式蒸汽輪機和1 臺SP 余熱鍋爐支持1 個9 MW 發電機組。

1 余熱鍋爐存在的主要問題及改進措施

1.1 鍋爐機體漏氣

如果鍋爐運行過程中密封不充分，大量的冷空氣將被吸入爐內，窯頭或鍋爐排氣口的溫度將降低，鍋爐的蒸汽產生和熱水溫度將降低，從而影響鍋爐的輸出，增加窯頭感應引風機或窯邊熱風機的功耗。廢熱鍋爐的例行檢查應包括對鍋爐體內漏氣的檢查。窯尾鍋爐在通風梁周圍采取的是開放式焊接，在鍋爐外部隔熱層脫落且主體裸露的空氣中，熱量會迅速散失，尤其是在冬季，受環境溫度的影響很大，從而降低了鍋爐的輸出。對此，應及時檢查泄漏情況，采取處理措施，及時解決廢熱鍋爐漏氣問題。

1.2 窯尾鍋爐結垢

從窯尾預熱器C1 出口排出的廢氣中的主要粉塵為原粉，濃度一般為70～110 g/m3，如果濃度過大鍋爐煙道氣的阻力會增大，將影響水泥窯系統的負壓，減少加熱管束的熱吸收，并影響鍋爐的蒸汽輸出和發電。因此，窯尾鍋爐包裹設備的日常維護是重中之重，必須確保每組包裹物都被敲打，以減少爐膛管道上的灰塵堆積。檢修時，進入爐子的每一層，查看喇叭口式包裝錘是否打開，否則，即使研磨裝置正常工作，撞擊棒也無法擊中爐中的研磨錘。在故障案例中，物料堆積在窯尾鍋爐沉淀池中，灰燼不光滑，并且堆積時間很長，沉淀池倒塌多次，高溫風扇跳閘，窯系統被迫停止物料，進而對窯爐系統產生正壓力，嚴重威脅檢查人員人身安全和設備的安全運行。為此進行了技術改革，在鍋爐平臺上安裝了由單個電磁閥控制的空氣炮，壓縮空氣管道連接到鍋爐排氣口的頂部，相應設計4 個高壓進氣口，PLC 將空氣炮控制在鍋爐中灰燼的位置，每15 min 將其吹回一次，以加快鍋爐反向排灰的速度。

1.3 窯頭鍋爐磨損

爐排冷卻器冷卻熟料后，窯頭AQC 鍋爐的廢氣中包含高硬度的熟料粉塵，通常配備AQC 爐管，以減少鍋爐過熱器層中加熱管束的磨損。帶有螺旋狀鰭片的管是耐磨的無縫鋼管，可以用微風直接洗滌。鍋爐入口設計有沉淀池，該沉淀池從爐排冷卻器的前部抽出，以提取約400 ℃的廢氣，并將其輸送到沉淀池中，在過濾掉大的灰塵顆粒之后，將管道引入AQC 爐中。熟料粉塵通過拉鏈機排放到輸送機的漏斗中。

兩條熟料生產線的兩個AQC 沉淀室：第一線窯頭是一個慣性沉降室，其煙氣處理能力為130 000 Nm3/h。慣性力沉降室是一種除塵器，當煙道氣高速流動時，借助重力和慣性力，使含塵流中的定律顆粒沉降。第二線窯頭是具有相同空氣流量的多層重力沉降室，其水平的多層隔板沿煙道氣流的方向布置在內部，塵土飛揚的空氣流在其自身重量下沉降。為了減少AQC 爐中管束的磨損，提高沉降室的收集效率，采取的具體措施是：①降低室內空氣速度；②減小沉降室的高度；③增大沉降室的長度。在實際使用中，安裝在第二排的多層重力沉降室具有較大的面積和較長的長度，因此具有極好的集塵效果。安裝在主窯頭內的慣性沉降室占地小、裝置尺寸小、集塵效率較低。如果施工單位的面積允許，建議選擇具有較大空間的多層重力沉降室。

1.4 噴水對窯頭爐排冷卻器的影響

由于國家環境保護政策的嚴格要求，許多企業最初使用靜電除塵器排放不符合標準的顆粒，然后將其轉換為袋式除塵器。用于袋式集塵的濾袋對工作溫度有嚴格的要求，當無法達到入口空氣溫度200 ℃的要求且入口溫度超過160 ℃時，由PLC 程序控制的爐排冷卻器灑水系統噴水冷卻，通過該項操作，含有水和煙道氣的熟料粉塵直接流入AQC 爐中，并且過熱劑層和第一級高壓蒸發器層的螺旋翅片被熟料顆粒阻塞，對熱量產生嚴重影響，影響吸收效率，AQC 鍋爐的輸出將減少，從而影響發電。

采取以下措施在不點燃集塵袋的情況下減少飛濺：①窯頭袋在煙道的集塵進口處安裝一個冷氣閥，對其進行控制。由熟料中央窯操作員控制，如果出現異常工作情況或緊急情況，當入口溫度達到200 ℃或更高時，中央控制室應及時使頂排風扇跳閘，關閉風扇的入口擋板，并準備一個用于緊急冷卻的冷氣閥，將噴水系統打開并最小化；②在入口煙氣測量點安裝2個熱電偶A 和B，以防止由于袋式除塵器入口溫度信號錯誤產生高溫導致爐排冷卻器灑水系統運行錯誤，安裝擋風玻璃保護，熱電偶應定期檢查和更換。實時比較2 個熱電偶測得的溫度，如果差值超過20 ℃，爐排冷卻器噴水系統將延遲1 min發出警報。

2 SNCR 脫硝工藝

2.1 選擇尿素作為反硝化還原劑工藝

主要設備是干式尿素儲存罐、量瓶、輸送機、液體混合罐和尿素。解決方案：隨著煙氣溫度的波動，調整尿素溶液的噴射位置，使其在最佳反應溫度范圍內噴射到窯上；在每個噴霧點控制流經流量控制閥的噴霧溶液的流量。

2.2 選擇氨水作為脫硝還原劑工藝

此過程主要涉及氨氣卸載單元、氨氣儲罐單元、傳輸單元、稀釋稱量單元、分配單元、注入單元和控制調整單元。氨是氨氣的水溶液，其物理性質為無色、透明，具有刺激性和揮發性。由于氨有毒和易燃易爆的特性，氨存儲系統特別注意安全防護。

（1）氨氣注入位置和噴槍位置。正確選擇溫度窗口非常重要，因為NH3還原NOx的反應對溫度條件非常敏感。現場測試爐內溫度、溫度分布，要根據具體情況確定注射位置（最佳溫度范圍為850～1050 ℃）。

對于噴槍布局，建議使用兩層、多點均勻分布。該布局具有以下優點：所有2 層噴槍都是可伸縮的。通常，如果煙道氣中的NOx濃度較低（600～800 mg），僅打開噴槍的一層，僅在煙道氣的NOx濃度超過一定范圍（≥800 mg）后打開噴槍的第二層，從而減少還原劑的消耗以降低成本。這些動作通過自動控制實現。

（2）在最佳溫度區域的停留時間。將氨噴入窯后，必須在停留時間內將氨和煙道氣充分混合，以便在短時間內完成氨和NOx之間的反應。隨著停留時間的增加，脫硝效率增加。在低溫下，如果要達到相同的脫硝率，則增加混合物在最佳區域中的停留時間，停留時間的設計值可為0.001～10 s。

（3）在爐內混合注入的反應物和煙氣。反應物和燃燒煙氣的混合物取決于反應物的噴射效果。為此，選擇合適的噴嘴并調整噴嘴的噴射方向、噴射角度、噴射速率等，以完全噴射反應物，從而獲得反應物和煙氣的最佳噴霧效果。實現更高的反硝化效率的關鍵還與正確選擇注入點位置和注入點數量有關，如果兩者的混合不合適，可優化噴嘴調節噴霧方向。

3 結束語

針對水泥窯生產純低溫余熱發電中存在的問題，采取技術創新等有針對性的措施，以達到正常生產、節能減排的目標，以優化余熱發電，使每噸熟料的用電量和經濟指標達到設計要求。