水泥窯堿旁路余熱鍋爐的開發

鐘永輝

（四川川潤動力設備有限公司，四川成都 611730）

0 引言

旁路通風技術（在窯尾和預熱器之間增加旁路通風設備，以減少再循環和揮發性成分的濃度）是解決水泥生產原料和燃料中鉀、鈉、氯和硫等揮發性物質排放問題的有效措施。旁路通風技術在國外被廣泛使用，尤其是在美國，該技術通常用于生產低堿性水泥，但目前國內對該技術的研究相對較少。

1 水泥窯堿旁路余熱鍋爐項目

1.1 項目背景

隨著水泥工業的快速發展，水泥生產所需的原材料和燃料資源越來越稀缺，在水泥生產過程中，原料和燃料中鉀，鈉，氯和硫的含量高，嚴重影響了水泥生產線系統的穩定運行。

（1）造成窯尾煙室、切邊坡度、頸縮和底部旋風分離器結垢和堵塞，在嚴重的情況下，會影響燃燒系統的穩定性和正常運行。

（2）影響水泥質量。如果熟料的堿含量高，則堿骨料反應會在混凝土中膨脹。美國ASTM 標準通常允許低堿水泥熟料的鈉含量不超過0.6%，并且目前不要求常規水泥的最大堿含量。但是，根據我國的生產經驗，如果熟料的堿含量超過13%，將會對熟料的質量產生不利影響。

（3）如果水泥熟料中的氯含量高，混凝土鋼筋會腐蝕并影響其結構強度。

因此，通過減少原料和燃料中的鉀、鈉、氯和硫等揮發性物質，可以確保水泥生產線系統的穩定運行和水泥熟料的質量。

鑒于目前國內和國際形勢，一種解決水泥生產中鉀、鈉、氯和硫揮發物問題的有效措施是旁通空氣釋放技術（即旁通空氣釋放）。

1.2 項目意義

水泥窯生產線旁路放風工藝中放掉的部分煙氣因溫度高、灰塵含量大、有粘結性，一直處于零回收狀態。如果該部分煙氣被新型余熱鍋爐有效利用，不但能減少溫室氣體排放，還能進一步降低水泥生產能耗，同時也為鍋爐廠提供了新的機遇。

因此，通過對堿旁路余熱鍋爐的設計、制造、安裝、調試、運行的全方位、全周期的深入研發，不僅是順應市場對提高鍋爐性能、實施技術創新的迫切需求，也是節約能源、合理利用資源、保護環境、緩解能源需求壓力、實現可持續發展的需要。在行業內開展資源節約和合理利用行動，是樹立和落實科學發展觀的具體體現，對于緩解資源瓶頸制約、保護環境、保障經濟平穩發展具有十分重要的意義。

1.3 國內外術水平分析

目前，旁路放風技術在國外已得到較為廣泛的應用，國內應用的水泥窯系統不多。

2 項目完成情況

2.1 項目概述

（1）項目名稱：印度SIL 10000T/D 余熱發電項目。

（2）項目配置：1 臺窯頭余熱鍋爐+1 臺窯尾余熱鍋爐+1 臺堿旁路余熱鍋爐+1 臺汽輪發電機組及其輔助系統，凝汽方式為空冷，總裝機容量為15 MW。

（3）項目地址：印度古吉拉特邦普杰市。

2.2 項目難點

（1）項目為國外項目，設計需滿足標準IBR 和ASME 相關要求。

（2）首臺帶旁路放風鍋爐項目，公司無相關設計經驗，國內沒有類似成功項目可以借鑒，其煙氣特性（灰塵含量特別大，含K、Na 離子有較強粘結性）導致項目存在一定風險。

2.3 項目進度狀況

該項目從投標到施工設計完成，歷時22 個月，期間因其他原因擱置約1 年半。期間，公司設計部就堿旁路鍋爐的特點進行了資料收集、專家咨詢、實地考察等技術儲備工作，對新爐型的設計應用做充足的準備，力求將風險降到最低。主要工作概述如下：

（1）公司組織到貴州興義實地考察7500 t/d 水泥余熱鍋爐運行情況，此項目與印度10000 t/d 項目有所不同，并沒有設置旁路放風鍋爐，配置2 臺SP 爐+1 臺AQC 爐，考察的主要目的是學習大容量水泥線余熱鍋爐配置的結構特點，該項目鍋爐由杭州鍋爐廠提供。現場對其結構統計后與我公司鍋爐進行了對標、總結。

（2）公司組織到北京同對堿旁路鍋爐有相關經驗的專家進行交流、學習，主要內容總結：①由于堿旁路煙氣成分特殊，含有有害物質氧化鉀、氧化鎂等，在高溫時煙塵具有較強的粘附力，長期運行會對受熱面造成堵塞，因此專家建議查清這些物質的凝結點溫度，采取措施使其在進入鍋爐受熱面前凝固，保證鍋爐正常運行；②為將凝固后的顆粒分離出來，將冷凝段受熱面設計成臥式結構，管排錯列布置，并適當將節距拉大，以防止煙塵搭橋。灰斗設計在臥式受熱面下面，以便將凝結后的煙塵顆粒及時排出；③當煙氣溫度降到380 ℃左右時，煙氣特性類似于窯尾SP 鍋爐，此時受熱面的布置形式和清灰方式可參照窯尾SP 鍋爐結構；④堿旁路鍋爐的蒸汽出口溫度440 ℃建議調整為與窯尾SP、窯頭AQC 一致的蒸汽參數350 ℃，補入冷風快速降低煙氣入口溫度，煙氣中有害物質能較快達到冷凝溫度，避免粉塵高溫粘結搭橋。

3 項目總結

該項目為公司首臺帶堿旁路余熱鍋爐，且10 000 t/d 生產線項目也是首臺，國內幾乎沒有成功經驗可以借鑒，大連易世達前期項目成功應用案例較少，目前僅雙鴨山項目較為成功，因此設計時也將雙鴨山項目作為參考藍本。

堿旁路鍋爐主要風險是煙塵中含K、Na 具有強粘附性，容易造成風道、鍋爐堵塞，導致鍋爐無法正常運行。通過之前大量的考察、學習總結工作，目前堿旁路的結構布置借鑒大連易世達雙鴨山成功運行項目，采用倒U 形布置，且受熱面前同樣布置凝渣管擋灰。因該項目入口煙溫已冷卻至470 ℃（雙鴨山項目700 ℃），含塵粘結性已大幅降低，故后續受熱面清灰采用與窯尾相同的清灰方式——機械振打清灰。堿旁路余熱鍋爐布置如圖1 所示。

圖1 堿旁路余熱鍋爐布置

盡管通過多方努力力求將堿旁路余熱鍋爐方案做到最優，但鑒于沒有實際工程應用經驗，該項目仍存在一定的風險。

（1）鍋爐入口煙溫470 ℃的保證：旁路放風的出風溫度一般在900 ℃左右，本項目是通過摻冷風來保證470 ℃的鍋爐入口煙溫，需要設計院保證廢氣進入鍋爐時，冷熱風的充分混合，避免混合不均進入鍋爐造成受熱面高溫積灰粘結。

（2）鍋爐入口設置了凝渣管，由于結構設計的限制，再結合入口煙氣溫度較高，機械振打裝置的效果有限，因此未配置機械振打裝置，后期運行時可能會存在凝渣管受熱面積灰粘結現象。

（3）由于鍋爐入口設置了凝渣管，在鍋爐剛運行時，可能會出現過熱器汽溫偏低現象，運行一段時間后，凝渣管積灰粘結，過熱蒸汽溫度能回升，但后續可能存在由于凝渣管吸熱量降低，造成過熱器受熱面出現高溫灰粘結現象，需要積累實際運行經驗。補救措施是在前幾組受熱面增加激波吹灰輔助。

（4）鑒于首次設計堿旁路放風余熱鍋爐，雖然結合了專家的性能設計審查意見，并在受熱面設計布置時預留了較多余量，但仍然可能存在鍋爐運行一段時間后，性能不達標的情況。

（5）由于布置了較多的受熱面余量，可能在后續項目競爭時，在鍋爐重量上處于劣勢，需要積累本臺余熱鍋爐的實際運行經驗進行優化。

（6）鑒于旁路放風廢氣中含有的鉀、鈉等堿金屬粒子，其粘結性很強，本鍋爐未設計機械振打清灰的效果有待實際運行的驗證。

4 結束語

印度SIL10000T/D 水泥窯余熱發電項目是公司首臺帶堿旁路的水泥窯余熱鍋爐項目，堿旁路鍋爐的成功運行，將對公司今后的業務拓展具有重要意義。