水泥余熱發電超高溫煙氣蝶閥

                               上海申弘閥門有限公司

之前介紹HTDQ96P1W電動超高溫蝶閥技術參數，現在介紹水泥余熱發電超高溫煙氣蝶閥新建新型干法水泥生產線同時配套建設余熱發電。有關調查研究顯示，全國預計約有近700條生產線上配備了余熱發電項目，超過總新型干法水泥生產線數量的50%。水泥余熱發電技術的應用和推廣也已經成為水泥行業落實國家節能減排政策的重要著力。隨著運行時間的推進，水泥窯純低溫余熱發電技術也暴露出一些問題。經過幾年時間的運行，一部分余熱發電機組已經開始出現了運行故障、發電效率降低等問題，面臨大批量的項目維修、技術改進工作。

高溫煙氣閥門作為連接熟料線與余熱發電的紐帶，關系到熟料線與余熱發電的正常運行，同樣也出現了不少問題。下面小編將針對運行中高溫煙氣閥門出現的問題進行簡單的分析探討，相信有助于今后新建余熱發電在設計和設備采購中加以借鑒和注意。

水泥余熱發電超高溫煙氣蝶閥分析高溫煙氣閥門影響水泥余熱發電的四個因素

分析高溫煙氣閥門影響水泥余熱發電的四個因素

1、AQC鍋爐進口閥門閥板嚴重磨損

AQC鍋爐進口閥門閥板出現嚴重磨損后，往AQC鍋爐煙氣量增大，引起蒸發量增加，影響鍋爐的正常運行，篦輪機出風口搶風，影響水泥線二次風、三次風調節，嚴重影響了熟料線的正常生產。由于生產線出現不正常的情況，導致入沉降室溫度超過600℃以上，有時甚至超過800℃以上，且要把沉降室溫度降下來基本上要2個小時左右，嚴重會造成沉降室管道的耐火混凝土燒脫，鍋爐進口溫度過高，容易引起鍋爐燒壞隱患。

AQC鍋爐進口閥門一般設置在篦冷機中部靠前，此地方溫度不正常的時候都超過600℃，甚至超過800℃。水泥窯運行經常要根據三次風溫度或熟料產量，來調節燃煤、調整篦床的走料厚度，在操作過程中極易出現料層太薄、使料層阻力變小、冷卻風量增加、出現飛砂現象，由于飛砂都是熟料顆粒和粉塵，顆粒的具有溫度高、硬度高，煙氣直接沖刷在閥門閥板上，同時碳鋼閥板或不銹鋼閥板，在高溫情況下，其機械強度下降一半以上，(426℃是碳鋼閥板的機械強度和其它機械性能下降一半)，閥板出現變形磨損。

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥目前AQC鍋爐進口閥門一般均為電動百葉閥，各個設計單位所提的參數各有不同。zui通常設計其一取風口溫度600℃，閥體材質20G內部采用硅酸鈣板和澆注料做內保溫，閥板材質1Cr18Ni9Ti，當溫度高于650℃，閥板材質采用0Cr25Ni20，雙面采用焊2Cr13龜夾網加耐高溫耐磨澆注料;其二，取風口溫度450℃，短時zui高650℃，閥體材質,16Mn，閥板材質1Cr18Ni9Ti;其三，取風口溫度450℃，閥體材質,16Mn，閥板材質16Mn。*種做法我們在某條余熱發電上使用了三年多時間，到目前還沒有出現磨損，使用壽命比較長。為了保證澆注料與龜甲網結合，制作時在澆注時在龜甲網上經過處理，達到吸收兩種材料不同膨脹系數所產生的應力。第二種做法據了解某閥門廠配套在安徽某條線上使用不到半年閥板和閥軸就磨損完了。篦冷機到沉降室管道閥前有120mm到150mm的內保溫，閥后有25mm的龜甲網襯澆注料，此時閥體不襯澆注料，煙氣經過閥體凹面，會產生紊流，產生更大的磨損。第三種做法一般是在取氣口溫度比較低的情況下采用該材料配置，不會因為高溫閥板變形降低機械性能，但也因煙氣含有的熟料顆粒，不到一年也就出現較大的磨損。除了采用*種做法以外百分之八十的線都出現過閥板嚴重磨損的問題。純余熱發電系統*是利用水泥生產過程中產生的余熱發電，因此投資這種項目可帶來如下好處:

  1)余熱發電系統運行費用少，僅消耗部分水和少量藥品，增加少量管理人員，成本約0.08元/kW•h左右，在不增加水泥燒成熱耗的情況下，每噸熟料可發電25～40kW•h，可節約大量電力費用，降低水泥產品成本，提高企業的經濟效益。
  2)對電力緊張的地區，可以緩解因供電不足影響生產的矛盾，發電自給率可達20%～30%。
  3)建設用地可利用廠區空地，不需另外征地。項目的實施不會影響正常的水泥生產。
  4)可為國家節約大量的能源，減少環境污染。 
 
  1.水泥廠中低溫純余熱發電的特點及工藝流程
  在水泥廠，中低溫純余熱發電與中空窯余熱發電不同，有其特殊性。1)中低溫純余熱發電技術僅用在帶預熱器的窯上且*利用其余熱發電；2)廢氣余熱的品位比較低，廢氣溫度一般在200～400℃之間；3)可利用的廢氣余熱源在一個以上；4)余熱發電配置的熱力系統相對較復雜；5)熱力系統的壓力等級相對較低；6)單位發電量的設備體積和重量相對較大。因此，在系統的選擇和配置、應用和投資分析上都是一個新的課題。中低溫純余熱發電的基本工藝流程圖見圖1。

  2.發電規模的確定
  首先對工藝系統的余熱量進行核算以便確定余熱發電的規模。一般來說余熱量取決于生產規模和生產工藝。對于同一種生產規模若采用不同的生產工藝和設備，那么余熱量也有較大的差別。一般中低溫純余熱發電系統的余熱回收分為兩部分:其一是窯尾預熱器出口的廢氣余熱；其二是窯頭冷卻機出口的廢氣余熱。
 
水泥廠中低溫純余熱發電解決方案

  圖1某2500t/d水泥廠余熱發電工藝流程 

  對于窯尾余熱一般生產工藝考慮出預熱器的廢氣余熱部分回收作為生料磨的烘干熱源，多余部分經增濕除塵后排放。若增加余熱回收裝置，不能只簡單地回收多余部分的廢氣余熱，而要與生料磨系統綜合起來考慮，盡可能將高溫廢氣提供給余熱鍋爐，而將余熱鍋爐的排氣送給生料磨，這樣余熱鍋爐可以利用較大的溫差生產蒸氣，回收的熱焓高，鍋爐的受熱面小，耗鋼量小，產氣的壓力等級相對較高，有利于提高整個系統的效率。我們曾對某廠窯尾的余熱回收作過比較，其結果見表1。
 
  序號內容出C1筒廢氣部分進生料磨，部分進鍋爐出C1筒廢氣*鍋爐，后進生料磨

  1、進生料磨的廢氣溫度t/℃420220
  2、進生料磨的廢氣量Q/(m3/h)71000150000
  3、進生料磨的廢氣熱焓H/(kJ/h)4.47×1074.56×107
  4、進余熱鍋爐的廢氣溫度t1/℃420420
  5、進余熱鍋爐的廢氣量(Q/m3/h)79000150000
  6、出余熱鍋爐的廢氣溫度t1/℃160260
  7、余熱鍋爐的漏風系數α1.051.05
  8、余熱鍋爐回收的熱焓H/(kJ/h)3.18×1073.69×107

  注:廢氣量為標準狀況下。

  鍋爐的排煙溫度受到給水溫度的限制，不可能很低，而生料磨的排氣溫度可到90℃左右。余熱鍋爐設在生料磨前，余熱鍋爐的排煙溫度就是入生料磨的廢氣溫度。這一溫度的確定受兩個條件的制約。1)入生料磨的原料綜合水分；2)生料磨的操作風量。對此可通過生料磨系統的熱平衡計算來初定。然后兼顧考慮余熱回收熱力系統的蒸氣參數，可確定余熱鍋爐的排煙溫度，即可確定窯尾鍋爐的余熱量。若窯尾有煤磨系統也需一并考慮。窯頭冷卻機的余熱量的大小除與生產規模有關外還與燒成熱耗和冷卻機的效率有關。一般是熱耗高，余熱量小；冷卻機熱效率高，余熱量少。篦冷機的余熱回收有下面三種形式:1)余風直接利用；2)中部抽氣；3)帶回熱循環。三種形式分別見圖2、圖3、圖4。水泥廠中低溫純余熱發電解決方案

  圖2余風直接利用形式 
 
水泥廠中低溫純余熱發電解決方案
  圖3中部抽氣形式

水泥廠中低溫純余熱發電解決方案
  圖4帶回熱循環形式

  從三種情況看*種系統簡單，篦冷機無需改造，但廢氣溫度低，溫差小，余熱鍋爐體積大，耗鋼量大；第二種系統簡單，回收的廢氣溫度高，可減小鍋爐體積和耗鋼量，且生產的蒸氣溫度、壓力均可提高，但篦冷機需進行一定的改造。第三種系統較復雜，但余熱回收量可顯著提高。具體采用何種形式要根據各個廠的實際情況確定。窯頭篦冷機的形式及取氣方式決定了窯頭回收的余熱量。zui終根據窯頭窯尾的余熱量可確定發電的規模。

  3.系統的主要設備及系統配置
  3.1余熱鍋爐
  余熱鍋爐按布置形式可分為立式和臥式兩種，按循環方式又可分為強制循環和自然循環。在中低溫純余熱發電系統中，一般設置兩臺余熱鍋爐，一臺為窯尾鍋爐通常稱SP爐，一臺為窯頭鍋爐通常稱AQC爐。

  SP爐設置在zui后一級預熱器和窯尾主排風機之間。廢氣溫度一般在300～400℃之間，含塵量高，一般為標準狀況下50～80g/m3，廢氣的負壓較大。要求鍋爐的換熱原件不易積灰，受熱面布置便于清灰，且鍋爐的密封性能要好。采取的布置形式一般根據工廠的場地、粉塵的堆積特性等條件確定。臥式鍋爐的特點是煙氣在爐中水平流動，受熱面是蛇形光管，豎直布置上端固定在構架上，下端為自由端，并焊有振打裝置之連桿，特殊設計的振打裝置對受熱面定期振打，加之蛇形管為豎直懸吊在構架上，可使受熱面保持干凈無灰，從而保證了很高的傳熱效果。由于工作介質在蛇形管內上下流動，無法利用其重度差進行自然循環，所以采用強制循環。鍋爐下部用一內置式拉鏈機將灰輸送至鍋爐的一端經一鎖風喂料機輸出。立式鍋爐的特點是煙氣在爐中垂直流動，受熱面也采用蛇形光管，但水平布置，分組采用特殊的掛件懸掛在構架上，分組設置振打裝置，從上至下逐組振打，也能滿足清灰的要求，但這種布置方式比起豎管的清灰干凈程度略差，所以在受熱面的設置上要考慮上述因素，以確保鍋爐的率。但立式鍋爐占地面積小，布置方便。

  冷卻機的廢氣雖然含塵量不大，標準狀況下約10～20g/m3，但磨蝕性大。所以AQC爐的設置分前置式和后置式兩種。前置式即AQC爐設在冷卻機與電除塵器之間，這種設置一般還需加預除塵裝置以減輕粉塵對AQC爐內的換熱管磨蝕，因此系統阻力增加較多，但可以利用圖3、圖4流程。后置式即AQC爐設在電除塵和窯頭排風機之間，粉塵對換熱管磨耗小，且系統阻力增加不大，但電除塵器必須密封性能好，漏風量小，熱損失小。窯頭粉塵為熟料顆粒，粘附性不強，所以AQC爐的結灰不嚴重，一般均選為立式鍋爐。由于窯頭的廢氣溫度低，量大，且對鍋爐的排氣無特殊要求，應盡可能地回收余熱。為了增大換熱面積，強化換熱效果，AQC爐的換熱管應采用螺旋翅片管或蟹形針管等能顯著增加換熱面積而又耐磨蝕的管形。

  3.2汽輪發電機
  用于余熱利用的汽輪發電機的特點是以汽定電，所以要求帶負荷的能力可在較大范圍內波動，尤其是發電機的選型要考慮能超過設計發電量的15%左右。目前市場上可用于中低溫純余熱發電系統的汽輪發電機有兩種:一種為單壓系統的低參數凝汽式汽輪機。特點是系統簡單，適合3000kW左右的小機組。另一種為混壓系統，除主蒸氣進口外還有一至兩個補氣口，并輔助采用了熱水閃蒸技術，用閃蒸的飽和蒸氣混入汽輪機做功。特點是系統較復雜，但系統熱效率較高，適合6000kW以上機組。

  3.3熱力系統
  在熱力系統的設計上一般是根據廢氣溫度及廢氣量經過合理配置來確定蒸氣參數和蒸氣量，一般選用的汽輪機的參數比較低。在余熱鍋爐設置上，對SP爐來說因出爐的廢氣還要用于原料的烘干，所以一般SP爐帶汽包僅設置過熱器和蒸發器。AQC爐的排煙無特殊要求，主要設置省煤器，也可帶汽包設置蒸發器，有可能的情況下也可適當的設置過熱器(如窯頭采用圖3、圖4流程)。余熱鍋爐的受熱面的配置，zui終是根據余熱資源及zui大產氣量配置的。所以各水泥廠之間不盡相同，一般余熱鍋爐采用非標設計。由于系統用于水泥廠的余熱發電，所以汽輪機必須帶有前壓調節裝置，當機組在正常運行時，以汽輪機的進口壓力作為主要控制參數，來調節機組輸出功率以保證壓力基本穩定，這種方式可適應廢氣余熱參數的變化，使整個系統有較高的適應性和可靠性。

  4.注意事項
  1)工藝系統的操作參數要提供準確，這些參數是余熱回收系統的設計依據。

  2)對工藝系統中部分設備要進行核算。①窯頭、窯尾風機因系統阻力增加，介質溫度變化，運行工況點要進行變化，所以要對運行工況下的風機能力和裝機功率進行核算，能力不夠的要采取相應的措施。②生料磨系統。在未考慮余熱發電系統以前，一般窯尾的廢氣作為生料磨的烘干熱源熱量都有富余，所以對生料磨系統密封要求不是很嚴格；增加了余熱發電系統后，余熱要做到zui大限度的回收，這就需要對生料磨系統加強密封，盡可能減少漏風。漏風量大會產生兩方面的不利影響:①提高入磨的熱風溫度即提高鍋爐的排煙溫度，鍋爐可回收的熱量減少；②入磨的熱風溫度越低，生料磨的烘干效率越低，而磨尾的排風量隨之增大，耗電量增加。

  3)系統的總體設計上汽輪機房盡可能與窯尾鍋爐靠近。而循環冷卻水池的位置靠近汽輪機房，以減少熱損失和自耗電。

  4)增加余熱發電系統后，會對水泥生產工藝的一些操作參數產生影響，要作適當調整。如窯頭篦冷機的操作，生料磨系統的操作，窯頭、窯尾風機、電除塵器的操作等。因此，要做好這一工作必須要有專業的水泥工藝技術人員負責協調生產系統和余熱發電系統的關系，參與系統的設計和管理工作。調整好各自的操作，才能真正做到不影響水泥工藝的生產，并使余熱發電系統率運行。

2、沉降室摻冷風閥開啟時間和泄漏

電站運行時，由于水泥窯出熟料量有一定的波動量，導致窯頭AQC爐進口廢氣溫度波動很大，產生的蒸汽壓力、溫度變化也很大，造成汽輪機汽缸膨脹不均勻，會引起汽機振動，特別在三次風管塌料時冷卻機風溫急升時，采用窯頭冷風閥進行摻冷風，降低廢氣溫度，能起到明顯降低AQC蒸汽溫度的效果，從而穩定了汽機汽缸膨脹量在允許范圍內，不會引起汽機振動。在調節AQC入口閥門開度的同時，摻冷風閥也是降低進AQC鍋爐煙氣溫度的一個有效途徑，因此該閥的開啟時間長短就顯得特別重要，可選型時往往忽視了閥門的全行程的時間，如果沉降室溫度超過設計范圍時閥板開啟時間長，不能迅速的往沉降室加冷風降低煙氣溫度，給鍋爐造成隱患。同時閥門的嚴密性也會影響煙氣的溫度。如果閥板的間隙大，沉降室壓力與外界常溫空氣壓力不一致,就必然存在漏風。一種是熱煙氣漏出系統，一種是常溫空氣順著間隙進入。這兩種漏風都會降低余熱回收效率,由于沉降室煙溫度遠高于常溫空氣溫度,所以常溫空氣通過閥板間隙進入，降低煙氣溫度。因此設計時應該著重考慮電動執行器的功率和轉速，縮短閥門的全行程時間，以及閥門密封性能。

3、窯頭旁路閥門磨損泄漏

窯頭旁路閥往往沒有受到足夠重視，它是造成窯頭鍋爐出力不足的一個重要因素。運行中旁路風門開度太小，造成鍋爐煙氣溫度降低;同樣蓖冷機旁路風門開度大，會造成窯頭鍋爐的風量小，可見此閥的重要性。

篦冷機余風風量變化大，篦冷機的余風量隨進入篦冷機內熟料量的增加而增大，尤其是當窯內出現結圈、窯中生料大量堆積的惡劣工況時，一旦窯圈崩塌使窯內黃料在極短時間內進人篦冷機，導致余風量增大到正常佘風量的1.5倍;溫度變化大，正常情況下，出篦冷機余風溫度約為200～250℃左右，隨著篦冷機內熟料量的增加余風溫度相應增高，一旦窯內出現上述惡劣工況，余風溫度就可能會高達400℃以上;含塵濃度變化大。正常情況下，出篦冷機佘風含塵濃度為2～30g/Nm。左右，含塵濃度隨篦冷機內細粉料的多少作相應的波動，一旦窯內出現上述惡劣工況，余風含塵濃度可能會增加到50g/Nm。以上。

由于篦冷機余風的特點決定窯頭旁路閥要做頻繁的調節，因此必須保證該閥門調節的可靠性。由于篦冷機余風具有溫度變化大含塵濃度高，閥板容易出現嚴重磨損。閥門處于不是全開與全關狀態，對閥板磨損比較厲害，而且具有一定的腐蝕性，閥板受到沖刷產生嚴重磨損，泄漏率增大，發現幾條線出現閥板脫落，造成系統漏風嚴重。因此我們建議把閥板做防磨處理，閥板雙面焊龜甲網襯耐磨澆注料，確保閥門的正常運行。

4、SP旁路閥漏風

鍋爐旁路閥設置在高溫風機與預熱器之間，一般使用溫度為330℃~450℃，該煙氣使用溫度波動較小，煙氣含塵濃度在60~120g/Nm3左右，含塵量大，粒徑小，平均粉塵粒徑1～30μm，容易積灰，造成閥門打不開或關不上的問題，因此把該閥設計為傾斜式的結構。要求閥軸能長期使用不能生銹，閥體閥板在該使用溫度情況下有足夠的機械性能。該閥一般情況下該閥是在關閉狀態，當SP鍋爐檢修時，才把閥門開啟，因此它的主要性能是切斷性能，關閉時的密封性能好，漏風對發電量影響很大，據有關專家測算每多漏風1%，發電量下降0.6%，因此必須嚴格控制，設計要求該閥漏風率越小越好。

SP爐閥門雖然磨損小和溫度比較穩定，但SP爐的啟停和入爐煙氣量的調節涉及到窯系統工況的波動和窯尾高溫風機電流的波動。SP爐啟停操作和風量調節時，原則上只要保持C1出口負壓和溫度不變，就不會影響窯系統的穩定。實現這一原則的重要手段是SP爐進出口擋板、旁路擋板及窯尾高溫風機液力偶合器三者的協調操作。因此，SP爐閥門要確保閥體閥板在該使用溫度情況下有足夠的機械性能，加大閥體和閥板的厚度，葉片之間采用密封條搭接，以降低閥門的泄漏率。

水泥生產和余熱利用發電是一個統一的生產整體，每個設備只是這一整體的一個細節，做到各個設備相互之間*配合，保證煙氣閥門的良好質量，保證水泥生產線、余熱利用系統全面、可靠、合理的運行，使水泥生產系統與余熱發電系統達到工藝上相互配合設備投資，節約能源，發揮zui大的經濟效益。與本文相關的產品有：D941W-1C電動通風蝶閥在新余礦業應用