一. 前言

在新型干法熟料生產(chǎn)工藝中，純低溫余熱發(fā)電技術應用普遍且已趨于成熟。其工藝為分別在窯尾預熱器和熟料冷卻機旁各設置一臺余熱鍋爐，回收除去原料和煤粉烘干以外的剩余熱量，然后將產(chǎn)生的低溫低壓蒸汽送至汽輪發(fā)電機組做功發(fā)電。余熱發(fā)電項目的實施，一方面可以綜合利用水泥生產(chǎn)線排放的廢熱資源，回收高溫煙氣的熱量變廢為寶，降低水泥生產(chǎn)成本和提高企業(yè)的經(jīng)濟效益；另一方面可降低排煙溫度和排塵濃度，減輕熱污染和環(huán)境污染。
伴隨著經(jīng)濟增長和人民生活質(zhì)量的提高，垃圾圍城的問題日益突出。川潤動力充分研究水泥窯協(xié)同處理固體廢棄物在節(jié)能減排、保護環(huán)境、影響熟料質(zhì)量和產(chǎn)量等方面的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，迅速調(diào)整戰(zhàn)略方向，從單一水泥制造向利用水泥窯來減量化、無害化以及資源化處置城市生活垃圾的方向發(fā)展。隨著協(xié)同處置生活垃圾的量越來越多，水泥廠的余熱發(fā)電工況發(fā)生了很大的變化。
二. 水泥窯協(xié)同處置生活垃圾后對余熱發(fā)電的影響
水泥窯在協(xié)同處置生活垃圾后，垃圾在分解爐內(nèi)燃燒可以貢獻熱量，替代一部分煤，即熟料燒成的煤耗會下降；同時由于垃圾水分大、灰分大和熱值低的特點，燃燒需要的空氣量和產(chǎn)生的煙氣量比燃煤要高很多，熟料燒成的總熱耗會上升。這樣導致的結(jié)果是，協(xié)同處置生活垃圾后要想熟料產(chǎn)量不降低或少量降低的話，高溫風機需要增加抽風量保證窯系統(tǒng)通風。熟料冷卻機前段的高溫風被更多的抽到窯尾以后，窯頭AQC余熱鍋爐可回收的風量和風溫都顯著下降，AQC爐的產(chǎn)汽量降低，甚至退爐；預熱器出口的煙氣溫度上升了20-60℃，煙氣體積也增加了10-30%，窯尾SP余熱鍋爐的產(chǎn)汽量上升，但SP爐排煙溫度也會上升，多出一部分熱量不能被完全回收利用。
以某水泥廠四爐一機配套9MW余熱發(fā)電機組為例。該機組2#爐（3700t/d規(guī)模）于2018年10月開始進行垃圾協(xié)同處理。運行過程中由于煙氣條件變化，造成窯尾鍋爐余熱回收不充分，排煙溫度高等問題。川潤動力受水泥廠委托，赴現(xiàn)場調(diào)研并提出了針對性的解決方案。
三. 水泥窯原始設計工況和垃圾協(xié)同處理工況對比


由于SP爐進口的風量、風溫和主蒸汽壓力都與設計值存在差異，因此需要利用熱工模型對SP爐做一個在新工況下的模擬計算，核算出SP爐排煙溫度應該是219℃，而實際標定出SP爐排煙溫度是254℃。

四. 改造的目的與需要考慮的問題

針對該項目進行垃圾協(xié)同處理后的運行工況分析。本次改造主要需要考慮的問題如下：
(1) 改造目的：回收因燒垃圾額外產(chǎn)生的熱量，降低排煙溫度，提升水泥廠經(jīng)濟效益。
(2) 材料：煙氣溫度的升高需要考慮局部做材質(zhì)提升，高溫區(qū)域需要更換為耐熱鋼保證材料強度。
(3) 水循環(huán)：高溫工況蒸發(fā)器的水循環(huán)惡化，需要核算并重新布置汽水連接管，必要的情況下需要增加連接管數(shù)量或口徑。
(4) 蒸汽流速：高溫工況產(chǎn)汽量大，如果不進行改造過熱器內(nèi)蒸汽流速過高會造成管束震動，嚴重的情況下會造成系統(tǒng)壓力不穩(wěn)。
(5) 煙氣阻力：由于煙氣量的增大，各區(qū)域煙氣流速均有上升。需要在設計時合理進行結(jié)構改造，盡可能的控制煙氣阻力。
(6) 低溫腐蝕：由于垃圾協(xié)同處理后，會造成窯頭熱量減少，極端情況下可能有窯頭鍋爐退出運行的情況，需要考慮低溫冷凝水（~40℃）直接供給窯尾鍋爐時，末級省煤器低溫腐蝕的問題。
五. 水泥窯協(xié)同處置生活垃圾后SP爐改造方案
1. 改造基準條件
為了進一步充分回收SP爐出口的余熱資源，改善高溫風機運行工況，在保證原料烘干的前提下，決定利用大修時間對該工廠SP爐進行同步改造。

2. 改造方案主要內(nèi)容
為了減小改造工作量，盡可能利用SP爐現(xiàn)有框架，根據(jù)SP爐的受熱面布置情況，制定以下改造方案：
(1)過熱器：過熱器通風梁提升材質(zhì)，使用耐熱材料12Cr1MoV，保證在高溫工況通風梁有足夠的強度，不變形不碳化。
過熱器管束由原φ38×4兩繞管束改造更換為φ42×3.5三繞管束，增加蒸汽流通面積控制管內(nèi)蒸汽流速在合理范圍內(nèi)。
(2)蒸發(fā)器：蒸發(fā)器1通風梁提升材質(zhì)，使用耐熱材料12Cr1MoV，保證在高溫工況通風梁有足夠的強度，不變形不碳化。
蒸發(fā)器1管束由原φ38×4兩繞管束改造更換為φ42×3.5三繞管束，增加工質(zhì)流通面積，保證水循環(huán)安全可靠。
原省煤器利舊現(xiàn)有受熱面將功能改造為蒸發(fā)器增加蒸發(fā)器總體換熱面積。通過改造管道連接方式將其功能改造為蒸發(fā)器，節(jié)約改造投入。
(3)灰斗和出風管：原灰斗和SP爐出風管下沉，讓出加裝空間。同時，出風管流通截面增大10%，盡可能降低煙道阻力。由于灰斗的下沉，拉連接需要相應下移并重新制作支架。

(4) 省煤器：利用灰斗下沉讓出的空間，加裝一組省煤器，新增省煤器帶機械振打裝置。

(5) 汽水連接管：重新設計連接管，鍋筒新增開孔兩個。通過水循環(huán)計算，改造后總體循環(huán)倍率保持在15以上。

(6) 水-水換熱器：為了防止低溫腐蝕的發(fā)生，該項目增設一臺水水換熱器。如使用過程中因工況變化或除氧方式不同致給水溫度較時，該換熱器投入運行，給水流程變?yōu)榈蜏厮畵Q熱器T1→水水換熱器T2→省煤器→水水換熱器S1→水水換熱器S2→鍋筒。提高了省煤器的管壁溫度，從而避免低溫腐蝕的情況。
3. 改造前后參數(shù)對比

六. 效益分析

1. 改造周期

按此改造方案，一般可在合同生效后2個月交貨，因此需要水泥廠在停窯計劃前三個月敲定改造范圍并完成合同設備訂貨。

2. 改造費用

以該項目為例，設備投資+安裝費合計約300萬元。

3. 改造收益

通過增加SP爐受熱面，進一步回收窯尾煙氣熱量，SP爐產(chǎn)汽量較改造前提升4.8t/h左右，理論提升發(fā)電功率約800kW，按年運行時間按7000h計，電費按0.5元/度計，改造工程年創(chuàng)收益為800×7000×0.5=280萬元，投資回報期1.1年。

七. 總結(jié)

水泥廠協(xié)同處置生活垃圾后，整個熟料燒成系統(tǒng)及配料都會發(fā)生相應變化，余熱發(fā)電的運行工況也隨之發(fā)生了較大變化。本文結(jié)合該水泥有限公司協(xié)同處置生活垃圾的工程實例，提出對SP爐的改造升級，投資小，收益大，可供其他工廠參考借鑒。此外，隨著協(xié)同處置生活垃圾的處置量和余熱發(fā)電量的提高，水泥廠實現(xiàn)對外界天然礦物燃料和電能的零消耗未來可期！

                             
                                              SP鍋爐改造總圖