水泥窑纯低温余热锅炉常见问题及应对措施

彭武强 冉龙华 高乔 李松平 钱铎可

基金项目：丽江市科技计划项目（2022LJSHFZ005）

第一作者简介：彭武强（1990-），男，硕士，助理工程师。研究方向为特种设备检验检测及材料失效分析。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.037

摘  要：随着水泥工业的飞速发展，水泥窑纯低温余热发电技术被广泛应用于水泥工业中。该技术利用窑头（AQC）和窑尾（SP）排出的废热烟气热量加热余热锅炉水，经过一系列转换后将锅炉水转变为过热蒸汽，进而推动汽轮机组发电。该技术的应用显著提高水泥制造企业的能源利用率，降低大气污染，是企业降本增效、节能减排的重要举措。该文主要介绍水泥窑纯低温余热锅炉的工作原理及其在运行过程中的常见问题，分析问题的形成原因，并提出相应的解决措施，以期为水泥窑纯低温余热锅炉的安全经济运行，维护保养、检修及定期检验提供科学指导。

关键词：水泥工业；余热锅炉；窑头；窑尾；过热蒸汽

中图分类号：TK229.92      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）13-0152-05

Abstract： With the rapid development of cement industry， pure low temperature waste heat power generation technology of cement kiln is widely used in cement industry. This technology uses the waste heat flue gas heat from the air quenching cooler （AQC） and the suspend preheater （SP） to heat the waste heat boiler water; after a series of conversion， the boiler water is converted into superheated steam; then， the steam turbine unit is promoted to generate electricity. The application of this technology significantly improves the energy efficiency of cement manufacturing enterprises， reduces air pollution， and is an important measure for enterprises to reduce cost and efficiency， energy saving and emission reduction. This paper mainly introduces the working principle of the cement kiln pure low temperature waste heat boiler and the common problems in the operation process， analyzes the causes of the problems， and puts forward the corresponding solving measures. In order to provide scientific guidance for the safe and economic operation， maintenance， overhaul and regular inspection of cement kiln pure low temperature waste heat boiler.

Keywords： cement industry; waste heat boiler; air quenching cooler （AQC）; suspend preheater （SP）; superheated steam

鍋炉作为一种能量转换设备，广泛应用于石油、化工、电力、水泥建材和医药等行业中。锅炉的分类方法有很多，按所用燃料或能源可分为固体燃料锅炉、液体燃料锅炉、气体燃料锅炉、余热锅炉、生物质锅炉、原子能锅炉、电热锅炉和垃圾焚烧锅炉等。其中，余热锅炉是利用各种工业过程中的废气、废料或废液的显热或（和）其可燃物质燃烧后产生的热量作为热源的锅炉。余热锅炉品种主要有烧结机余热锅炉、三废混燃炉及吹风气余热锅炉、水泥窑余热锅炉、钢铁余热锅炉、危废余热锅炉、垃圾焚烧余热锅炉、焦化余热锅炉和有色金属冶炼余热锅炉等。水泥行业作为高耗能、高耗电产业，其能耗在全国工业总能耗中的占比较高。当前，水泥窑纯低温余热发电技术已广泛应用于水泥工业中。该技术可有效提高水泥生产企业的能源利用率，降低环境污染及温室气体的排放，助力水泥企业降本增效，从而不断提高其市场竞争力，推动实现水泥工业的高质量发展[1-3]。

1  水泥窑纯低温余热锅炉的工作原理

我国水泥窑余热发电技术可分为3个发展阶段，第一阶段为中空窑高温余热发电技术；第二阶段为带补燃锅炉余热发电技术；第三阶段为纯低温余热发电技术[4]。

水泥窑纯低温余热发电技术是利用窑头和窑尾将水泥熟料煅烧过程中产生的废热烟气（烟温一般为300～400 °C）引入到余热锅炉炉膛中，通过锅炉系统的受热面换热产生过热蒸汽，进而推动汽轮机组做功发电，该技术可大幅提高能源利用率，有效降低水泥生产企业的经营成本。水泥窑纯低温余热发电技术是通过朗肯循环来实现的，朗肯循环作为最简单的蒸汽动力循环系统，其主要由给水泵、锅炉、汽轮机组和冷凝器4个部分组成。图1为朗肯循环示意图，由图可知朗肯循环是以水蒸气作为工作介质，将热能连续不断地转换为机械能，再将机械能转换为电能。首先，从给水泵进入锅炉内的压缩水4在锅炉中等压吸热转换为高温高压的过热蒸汽1，之后进入汽轮机组，推动汽轮机叶片旋转做功发电，然后转变为湿蒸汽2从汽轮机出口进入到凝汽器，通过等压冷凝成饱和水3，最后再经给水泵升压为压缩水4进入到锅炉内，这样工质水就完成了一次封闭循环，即实现了1次朗肯循环。

图1  朗肯循环示意图

水泥窑纯低温余热锅炉在正常运行过程中，其汽水系统及烟气系统流程如图2、图3所示。锅炉水系统的流通路径一般为水箱→给水泵→省煤器→锅筒（汽包）→蒸发器→锅筒（汽包）。锅炉汽系统的流通路径一般为锅筒（汽包，饱和蒸汽）→过热器（过热蒸汽）→集汽集箱→汽轮机[5]。由于水泥窑纯低温余热锅炉采用的热源是水泥熟料生产过程中所产生的废热烟气，该烟气的含尘量较高，其在锅炉系统中的流通路径一般为沉降室→过热器→蒸发器→省煤器→从锅炉尾部烟道排出。

2  水泥窑纯低温余热锅炉运行中常见问题、原因分析及应对措施

2.1  积灰问题

水泥窑纯低温余热锅炉的热源来自水泥熟料煅烧过程中所产生的高温废气。由于废气中含尘量较高，在流经过热器，多级蒸发器及高低温省煤器等受热面的过程中，灰分会在其受热面管壁上沉积形成积灰问题（如图4所示）。当积灰问题严重时，会显著降低受热面的换热效率，增加锅炉的排烟温度，从而造成能源的浪费。现有研究成果表明，影响余热锅炉积灰程度的主要因素有：热源废气的特性（含尘量、烟温、灰分的粒径大小及黏结性、废气的流速及走向）、余热锅炉的结构特点、受热面的布置方式、废气进入余热锅炉之前的预除尘效果及清灰方式等[6]。

图2  水泥窑纯低温余热锅炉汽水流程简图

图3  水泥窑纯低温余热锅炉烟气流通路径

目前，余热锅炉积灰问题的主要应对措施有以下几种。

1）烟气预除尘。如设置重力沉降室，废热烟气在进入锅炉之前先在沉降室中进行预除尘，以减少烟气中的大粒径灰分含量。

2）合理配置锅炉结构。为了降低积灰程度，SP锅炉一般采用卧式结构，烟气水平横向通过锅炉受热面；AQC锅炉烟气则一般采用自下而上的流通方式。

3）合理安排受热面管子的排列方式及间距。

4）选择高效的清灰方式，如机械振打清灰，吹灰器清灰等。

5）控制好烟气温度及流速，以减少灰分黏结及受热面管的冲刷磨损。

6）采用不易积灰的受热面管子结构型式，如采用H型翅片管。

2.2  泄漏问题

泄漏问题常常会造成锅炉计划外的停机检修，尤其是锅炉受热面的泄漏会导致较为严重的后果。水泥窑纯低温余热锅炉的热源灰分含量较大，常常会在受热面上形成一定量的积灰，当发生泄漏时，积灰遇水会黏结形成硬块并牢牢附着在受热面的外表面，难以去除，严重时会在泄漏点大量堆积，从而在局部堵死烟气的流通通道，此时往往需要进行换管处理，大大增加了水泥企业的生产及运维成本，因此研究锅炉泄漏的原因并制定有针对性的应对措施意义重大[7-8]。

（a）  AQC锅炉蒸发器翅片管积灰

（b）  AQC锅炉过热器集箱积灰

图4  余热发电锅炉常见积灰现象

造成锅炉泄漏的原因是多方面的，其生产、使用和维护过程中所产生的缺陷均有可能引起泄漏。概括起来主要分为生产过程中的结构设计缺陷、材料及焊接缺陷；使用和维护过程中的飞灰磨损、汽水混合物的冲蚀、过热、腐蚀及机械损伤等，以及多因素协同作用下所引起的泄漏。

针对以上问题，可采用如下解决措施。

1）优化余热锅炉的结构设计，比如在某些部位采用蛇形管结构代替直管结构；在锅炉受热面处预留足够的膨胀间隙；将集箱布置在烟道炉墙外；受热面采用螺旋翅片管等。

2）严格控制余热锅炉制造、安装过程中的焊接质量，从而减少焊接缺陷的产生。

3）控制好余热锅炉进口烟气温度，使其在设计温度范围内，从而避免超温运行的产生。

4）采取措施减少高温烟气中的灰分含量（如进口烟气预除尘），通过机械振打除灰（常用的机械振打装置如图5所示），压缩空气吹灰等方式减少烟气流通过程中产生的积灰堵灰现象。

图5  SP锅炉机械振打除灰装置

2.3  磨损问题

磨损是水泥窑纯低温余热锅炉运行过程中所发生的突出问题之一。由于锅炉采用的热源是水泥窑熟料制备过程中所产生的废热烟气，因此烟气中灰分含量较高，加之灰分主要为水泥熟料颗粒，粒径大，硬度较高，烟气在流动过程中加剧了对受热面管壁的磨损，当达到一定的运行时间后引起管壁磨损穿孔泄漏（图6为受热面管子磨损泄漏后采取的堵管措施，从而确保锅炉能够继续正常运行）[9-10]。

造成磨损的影响因素主要有：烟气特性（流动速度、含尘量），灰分特性（形状、粒径及硬度），受热面管子的材料种类、排列方式及间距等。为了减轻磨损，可采取如下措施。

1）合理设计锅炉烟气流动速度，使其与受热面管子平缓接触，从而最大限度地降低流速过大造成的磨损加剧现象。

2）采取有效的除尘措施（如沉降室预除尘）降低进口烟气含尘量及大颗粒灰分比例，从而减轻烟气流动过程中对管壁的接触磨损。

3）合理设计管束节距（尽量均匀布置）及其与炉墙的间隙（间隙不宜过大），消烟气走廊。

4）采用翅片管等耐磨管子，并在易磨损部位设置抗磨损装置。

5）采用合理的烟气流通方式，如窑头锅炉烟气可采用由下而上的流动方式，从而减少灰分自重的加速作用及受热面管上的积灰量。

6）采用有效的防护措施避免管子两端及弯头等薄弱部位受到烟气的冲刷（如将其布置在烟道外或采用烟气挡板遮挡）。

图6  AQC锅炉过热器受热面管子磨损泄漏后采取的堵管措施

2.4  腐蚀问题

水泥窯纯低温余热锅炉的热源温度一般不会太高且硫化物等浓度较低，因此烟气侧基本不会发生高温腐蚀及低温硫化物腐蚀等，其腐蚀主要集中在汽水侧。腐蚀类型主要有氧腐蚀，垢下腐蚀，酸、碱腐蚀等[11]， 水泥窑纯低温余热锅炉部分腐蚀现象如图7所示。目前采用的腐蚀预防措施主要有以下几种。

1）水泥生产企业应完善水质管理制度，加强水质监测，对余热锅炉给水进行软化除盐，做好锅炉水定期排污，及时清除锅炉受热面上的水垢。

2）在锅炉停用期间应做好保养工作，采取合适的防潮措施，及时处理修复破损保温层及产生泄漏的管路、阀门等部件。

2.5  疲劳问题

疲劳问题是水泥窑纯低温余热锅炉运行过程中不可避免的问题之一。锅炉在运行过程中由于承受周期性变化的载荷或温度，随着时间的推移构件内部会产生逐渐扩展的裂纹，最终产生断裂失效。引起锅炉疲劳的因素主要有：锅炉本体在运行过程中的振动所引发的疲劳；机械振打装置工作时周期性振动所引发的疲劳；烟温变化所引发的热疲劳等。周期性振动会使受热面及焊缝等薄弱部位产生疲劳裂纹，从而降低构件的使用寿命，引发锅炉泄漏、炉墙漏风等问题，最终降低了锅炉的使用寿命。水泥窑纯低温余热锅炉振动的形成原因主要有：受热面固定不稳，焊接质量差；烟气变化（剧烈波动、变换方向及卡门涡流影响）；锅炉水位剧烈波动；锅炉本体刚性不足等。当烟温波动较大时，在螺旋翅片管的光管区与翅片区交界处易形成热疲劳，而在角焊缝等应力集中部位，由于热冲击作用可能引发热疲劳损坏[12-13]。

为了避免或减轻锅炉振动，可采取以下措施。

1）进一步提高安装质量，尤其是锅炉受热面应固定牢靠。

2）保证焊接质量，减少焊接缺陷，采取圆滑过渡等措施降低焊缝处的应力集中。

3）在调试过程中采取有效措施消除锅炉本体的振动问题。

4）可在烟道中设置隔板，从而防止共振的产生。

5）在锅炉运行过程中应加强工况的调节，防止烟气及水位的剧烈波动。

为了避免锅炉产生热疲劳，可采取如下措施。

1）合理设置水泥窑熟料煅烧的运行条件，避免烟温产生剧烈波动。

2）在螺旋翅片管的两端设置烟气挡板，可阻断烟温变化对翅片管的影响，从而避免热疲劳的产生。

（a）  锅筒内部氧腐蚀

（b）  SP锅炉过热器外表面腐蚀

图7  水泥窑纯低温余热锅炉部分腐蚀现象

2.6  安全保护装置问题

随着科学技术的飞速发展，水泥窑纯低温余热锅炉的控制系统越来越智能化、集成化和信息化。按照TSG 11—2020《锅炉安全技术规程》的要求，余热锅炉应装设高低水位报警、超压报警及其连锁保护装置，常用的超压保护装置有安全阀、爆破片等；水位监控装置有直读式液位计、电接点液位计等。由于水泥窑纯低溫余热锅炉的进口烟气量及烟温控制难度较大，废热烟气品质随水泥熟料生产条件变化波动较大，导致锅筒水位不稳定，易形成虚假水位，因此水位的精准控制是锅炉控制系统亟需解决的重要环节之一[14]。当前的研究表明，要保证安全保护装置的正常运行，可从以下几个方面入手。

1）做好锅炉使用单位相关人员的培训工作，使其充分认识和理解安全保护装置的原理及其作用，明确安全保护装置在锅炉安全运行中的地位。

2）根据安全保护装置的工作位置分析可能出现的故障类型，并加强日常的巡检及检测工作。

3）做好日常检修及维护，以确保安全保护装置功能有效。

4）不断完善锅炉控制系统设计，实现安全保护装置的自动化控制（如控制系统装设自动水位调节和极低水位停炉功能等）。

3  结束语

由于水泥工业是高能耗产业，因此如何降低水泥生产成本一直是水泥生产企业关注的焦点问题。近年来，水泥生产企业致力于新材料、新工艺和新技术的研究与开发，不断进行技术革新和管理革新，以期降低水泥生产成本，做到节能减排，提质增效，从而不断提高企业自身的市场竞争力。水泥窑纯低温余热发电作为新时代水泥工业发展的一个主流方向，已广泛应用于我国水泥企业的日常生产过程中。该技术是直接对水泥窑在熟料煅烧过程中窑头、窑尾排放的余热废气进行回收，通过余热锅炉产生过热蒸汽带动汽轮发电机发电，其应用大幅提高了水泥生产企业的能源利用率，节约了企业的生产成本。同时减少了企业温室气体的排放，降低了大气污染，有效保护了自然环境，是积极贯彻落实我国“能源双控”“双碳”政策的具体表现。尽管水泥窑纯低温余热锅炉的实际应用价值较高，但由于其发展时间较短，还有许多现实问题需要在实践中攻克和解决。因此，本文分析总结了水泥窑纯低温余热发电锅炉在日常运行过程中可能出现的问题，并提出了有针对性的解决措施，以期为水泥窑纯低温余热发电锅炉的日常维护保养、检修及未来的改进发展提供一定的参考依据，从而为自然环境保护及水泥工业的高质量发展贡献自己的一份力量。

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