技术 | 水泥窑协同处置生活垃圾后SP余热锅炉的改造
摘要：探讨了水泥窑协同处置生活垃圾后余热锅炉的热风条件变化，通过对水泥窑热工标定和余热锅炉热工计算等方式，全面评估余热锅炉的运行工况，并详细分析和计算了SP余热锅炉改造的可行性和收益，为水泥企业节能降耗提供依据，对实际生产具有指导意义。
随着垃圾围城的问题日益突出，华新水泥股份有限公司充分研究水泥窑协同处理固体废弃物在节能减排、保护环境、影响熟料质量和产量等方面的优势和挑战，迅速调整战略方向，从单一水泥制造向利用水泥窑来减量化、无害化以及资源化处置城市生活垃圾的方向发展。随着协同处置生活垃圾的量越来越多，水泥厂的余热发电工况发生了很大的变化。
1 协同处置生活垃圾后对余热发电的影响
以一条4 000 t/d水泥生产线为例，配套建设装机容量7.5 MW的纯低温余热发电系统。在不影响水泥生产线正常生产的前提下，平均发电功率可以达到6 000 kW，扣除自用电后净发电量约33.5 kWh/t熟料，可满足水泥厂30%的用电量。
水泥窑在协同处置生活垃圾后，垃圾在分解炉内燃烧可以贡献热量，替代一部分煤，即熟料烧成的煤耗会下降；同时由于垃圾水分高、灰分大和热值低的特点，燃烧需要的空气量和产生的烟气量比燃煤要高很多，熟料烧成的总热耗会上升。这样导致的结果是，协同处置生活垃圾后要想熟料产量不降低或少量降低的话，高温风机需要增加抽风量保证窑系统通风。熟料冷却机前段的高温风被更多的抽到窑尾以后，窑头AQC余热锅炉可回收的风量和风温都显著下降，AQC炉的产汽量降低，甚至退炉；预热器出口的烟气温度上升了20~60 ℃，烟气体积也增加了10%~30%，窑尾SP余热锅炉的产汽量上升，但SP炉排烟温度也会上升，多出一部分热量不能被完全回收利用。本文只研究通过对SP炉改造来回收窑尾未完全利用的热量，供大家交流。
2 协同处置生活垃圾前SP炉运行情况
我公司早期建设的一条新型干法熟料生产线额定产量4 000 t/d，配套余热发电的SP炉为立式布置的自然循环单压锅炉，产生的过热蒸汽与AQC炉的过热蒸汽在分汽缸混合后进入汽轮机。SP炉的出厂设计参数见表1。
表1 SP炉出厂设计参数
经过对水泥生产线进行热工标定，工厂的相关生产参数为：熟料产量3 600 t/d，SP炉的进口风量为210 000 Nm3/h，单位熟料烟气量1.4 Nm3/kg，进口风温358 ℃[4]。由于SP炉进口的风量、风温和主蒸汽压力都与设计值存在差异，因此需要利用热工模型对SP炉做一个在新工况下的模拟计算，核算出SP炉排烟温度应该是219 ℃，而实际标定出SP炉排烟温度是238 ℃，SP炉改造前各工况参数对比见表2。
表2 SP炉改造前各工况参数对比
SP炉实际运行的排烟温度比核算出来的理论值高19 ℃，主蒸汽流量减少，说明SP炉热交换效率低，是锅炉受热面积灰后所致。
3 协同处置生活垃圾后SP炉运行情况分析
为了节能降耗，该工厂计划利用大修时间对预热器及相关设备技改，并同时开始处置生活垃圾。根据已投运的协同处置工厂运行经验，年修后预热器出口的烟气流量和温度将大幅上升。
如果年修只对SP炉进行常规的清灰和漏风处理，虽然SP炉的主蒸汽流量和温度仍然会随着进口烟气流量和温度的提高而大幅度增加，从而提高发电量，但同时会产生如下问题：
（1）SP炉产汽量会增加至24.9t/h，出口温度高达251℃，而原料烘干只需要200℃。
（2）省煤器出口的热水含汽率达到2.2%，烟风温度波动后省煤器出口热水管道可能会产生汽塞，情况严重时会导致给水管道振动。
（3）高温风机进口工况风量和压力都大幅上升，超负荷运行。
4 协同处置生活垃圾后SP炉改造方案
4.1 改造基准条件
为了进一步充分回收SP炉出口的余热资源，改善高温风机运行工况，在保证原料烘干的前提下，决定利用大修时间对该工厂SP炉进行同步改造，SP炉改造基准条件见表3。
表3 SP炉改造基准条件
4.2 改造方案主要内容
为了减小改造工作量，尽可能利用SP炉现有框架，根据SP炉的受热面布置情况，制定以下改造方案，见图1。
（1）过热器部分
为防止主蒸汽温度过高后汽轮机进汽超温，过热器管束不动。进口烟道和过热器的内护板进行升级为耐热钢，使其具备＜550 ℃烟温的使用条件。
（2）蒸发器部分
在原四组蒸发器的基础上增加两组：将原省煤器改为蒸发器，再新增一组蒸发器。
（3）省煤器部分
新增一组省煤器。
（4）其他
调整相应的汽水管路、锅炉内护板、保温层及彩钢瓦，上下两组受热面间布置膨胀节。
为了给新增管束腾出布置空间，出口烟道和拉链机需要下移。下灰管通过混凝土平台上开孔接出，拉链机平台重新做成钢平台，通过钢横梁固定在锅炉混凝土柱子上。
在原锅炉钢结构的基础上，增加两圈钢横梁及通风梁，并对原钢结构进行必要的加强；增设两层平台，扶梯改造。
锅炉出口风管重新制作、连接，并且调整管道连接的角度，使通风流畅。
改造后SP炉总图见图1，热力计算结果见表4。
图1 改造后SP炉总图
表4 改造后SP炉热力计算结果
5 改造投资及收益
5.1 改造周期
正规锅炉厂管道备件的供货周期是收到预付款后2个月交货，因此需要在改造前3个月准备订货。
施工顺序：施工技术交底→停窑前进场制作出口风管非标→停窑后拆除相应护板和出口风管→灰斗和拉链机下移→安装新增换热管束→水压试验→回装相应护板和出口风管→交工验收。停窑前半个月进场，停窑后安装工程需要约1个月施工期。
5.2 改造费用
改造工程需要正规锅炉厂做热力和结构设计并供货，安装公司需要拥有特种设备（锅炉）维修、改造的资质。改造工程要向当地特检所部门进行报检，并由其验收水压试验。
SP炉改造工作范围为：增加受热面，更换和增加部分墙板、钢结构、汽水管道，增加平台扶梯，拉链机移位，增加对应的仪表等，预计总投资约298万元。
5.3 改造效益
通过增加SP炉受热面，进一步回收窑尾烟气热量，SP炉能够多发电约800 kW，年运行时间按7 000 h计，电费按0.5元/kWh计，改造工程年创收益为800×7 000×0.5=280万元，投资回报期1.1年。协同处置后SP炉是否改造热力计算对比见表5。
表5 协同处置后SP炉是否改造热力计算对比
SP炉改造后出口烟气温度降低，烟气的工况流量变小；由于增加了受热面，锅炉的阻力会增加约200 Pa。根据理论计算并查看风机曲线，高温风机的功率会略微下降，收益不计。
SP炉改造后蒸发量上升，但由于主蒸汽管道直径不变，主蒸汽沿程阻力会增加。锅炉本体改造成功后，可视运行情况对主蒸汽管道进行扩径改造。
6 总结
水泥厂协同处置生活垃圾后，整个熟料烧成系统及配料都会发生相应变化，余热发电的运行工况也随之发生了较大变化。本文结合华新水泥协同处置生活垃圾的工程实例，提出对SP炉的改造升级，投资小，收益大，可供其他工厂参考借鉴。此外，随着协同处置生活垃圾的处置量和余热发电量的提高，水泥厂实现对天然矿物燃料和电能的零消耗未来可期！
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