水泥余热发电超高温烟气蝶阀

                               上海申弘阀门有限公司

之前介绍HTDQ96P1W电动超高温蝶阀技术参数，现在介绍水泥余热发电超高温烟气蝶阀新建新型干法水泥生产线同时配套建设余热发电。有关调查研究显示，全国预计约有近700条生产线上配备了余热发电项目，超过总新型干法水泥生产线数量的50%。水泥余热发电技术的应用和推广也已经成为水泥行业落实国家节能减排政策的重要着力。随着运行时间的推进，水泥窑纯低温余热发电技术也暴露出一些问题。经过几年时间的运行，一部分余热发电机组已经开始出现了运行故障、发电效率降低等问题，面临大批量的项目维修、技术改进工作。

高温烟气阀门作为连接熟料线与余热发电的纽带，关系到熟料线与余热发电的正常运行，同样也出现了不少问题。下面小编将针对运行中高温烟气阀门出现的问题进行简单的分析探讨，相信有助于今后新建余热发电在设计和设备采购中加以借鉴和注意。

水泥余热发电超高温烟气蝶阀分析高温烟气阀门影响水泥余热发电的四个因素

分析高温烟气阀门影响水泥余热发电的四个因素

1、AQC锅炉进口阀门阀板严重磨损

AQC锅炉进口阀门阀板出现严重磨损后，往AQC锅炉烟气量增大，引起蒸发量增加，影响锅炉的正常运行，篦轮机出风口抢风，影响水泥线二次风、三次风调节，严重影响了熟料线的正常生产。由于生产线出现不正常的情况，导致入沉降室温度超过600℃以上，有时甚至超过800℃以上，且要把沉降室温度降下来基本上要2个小时左右，严重会造成沉降室管道的耐火混凝土烧脱，锅炉进口温度过高，容易引起锅炉烧坏隐患。

AQC锅炉进口阀门一般设置在篦冷机中部靠前，此地方温度不正常的时候都超过600℃，甚至超过800℃。水泥窑运行经常要根据三次风温度或熟料产量，来调节燃煤、调整篦床的走料厚度，在操作过程中极易出现料层太薄、使料层阻力变小、冷却风量增加、出现飞砂现象，由于飞砂都是熟料颗粒和粉尘，颗粒的具有温度高、硬度高，烟气直接冲刷在阀门阀板上，同时碳钢阀板或不锈钢阀板，在高温情况下，其机械强度下降一半以上，(426℃是碳钢阀板的机械强度和其它机械性能下降一半)，阀板出现变形磨损。

上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀,气动截止阀,电动蝶阀,气动蝶阀目前AQC锅炉进口阀门一般均为电动百叶阀，各个设计单位所提的参数各有不同。zui通常设计其一取风口温度600℃，阀体材质20G内部采用硅酸钙板和浇注料做内保温，阀板材质1Cr18Ni9Ti，当温度高于650℃，阀板材质采用0Cr25Ni20，双面采用焊2Cr13龟夹网加耐高温耐磨浇注料;其二，取风口温度450℃，短时zui高650℃，阀体材质,16Mn，阀板材质1Cr18Ni9Ti;其三，取风口温度450℃，阀体材质,16Mn，阀板材质16Mn。*种做法我们在某条余热发电上使用了三年多时间，到目前还没有出现磨损，使用寿命比较长。为了保证浇注料与龟甲网结合，制作时在浇注时在龟甲网上经过处理，达到吸收两种材料不同膨胀系数所产生的应力。第二种做法据了解某阀门厂配套在安徽某条线上使用不到半年阀板和阀轴就磨损完了。篦冷机到沉降室管道阀前有120mm到150mm的内保温，阀后有25mm的龟甲网衬浇注料，此时阀体不衬浇注料，烟气经过阀体凹面，会产生紊流，产生更大的磨损。第三种做法一般是在取气口温度比较低的情况下采用该材料配置，不会因为高温阀板变形降低机械性能，但也因烟气含有的熟料颗粒，不到一年也就出现较大的磨损。除了采用*种做法以外百分之八十的线都出现过阀板严重磨损的问题。纯余热发电系统*是利用水泥生产过程中产生的余热发电，因此投资这种项目可带来如下好处:

  1)余热发电系统运行费用少，仅消耗部分水和少量药品，增加少量管理人员，成本约0.08元/kW•h左右，在不增加水泥烧成热耗的情况下，每吨熟料可发电25～40kW•h，可节约大量电力费用，降低水泥产品成本，提高企业的经济效益。
  2)对电力紧张的地区，可以缓解因供电不足影响生产的矛盾，发电自给率可达20%～30%。
  3)建设用地可利用厂区空地，不需另外征地。项目的实施不会影响正常的水泥生产。
  4)可为国家节约大量的能源，减少环境污染。 
 
  1.水泥厂中低温纯余热发电的特点及工艺流程
  在水泥厂，中低温纯余热发电与中空窑余热发电不同，有其特殊性。1)中低温纯余热发电技术仅用在带预热器的窑上且*利用其余热发电；2)废气余热的品位比较低，废气温度一般在200～400℃之间；3)可利用的废气余热源在一个以上；4)余热发电配置的热力系统相对较复杂；5)热力系统的压力等级相对较低；6)单位发电量的设备体积和重量相对较大。因此，在系统的选择和配置、应用和投资分析上都是一个新的课题。中低温纯余热发电的基本工艺流程图见图1。

  2.发电规模的确定
  首先对工艺系统的余热量进行核算以便确定余热发电的规模。一般来说余热量取决于生产规模和生产工艺。对于同一种生产规模若采用不同的生产工艺和设备，那么余热量也有较大的差别。一般中低温纯余热发电系统的余热回收分为两部分:其一是窑尾预热器出口的废气余热；其二是窑头冷却机出口的废气余热。
 
水泥厂中低温纯余热发电解决方案

  图1某2500t/d水泥厂余热发电工艺流程 

  对于窑尾余热一般生产工艺考虑出预热器的废气余热部分回收作为生料磨的烘干热源，多余部分经增湿除尘后排放。若增加余热回收装置，不能只简单地回收多余部分的废气余热，而要与生料磨系统综合起来考虑，尽可能将高温废气提供给余热锅炉，而将余热锅炉的排气送给生料磨，这样余热锅炉可以利用较大的温差生产蒸气，回收的热焓高，锅炉的受热面小，耗钢量小，产气的压力等级相对较高，有利于提高整个系统的效率。我们曾对某厂窑尾的余热回收作过比较，其结果见表1。
 
  序号内容出C1筒废气部分进生料磨，部分进锅炉出C1筒废气*锅炉，后进生料磨

  1、进生料磨的废气温度t/℃420220
  2、进生料磨的废气量Q/(m3/h)71000150000
  3、进生料磨的废气热焓H/(kJ/h)4.47×1074.56×107
  4、进余热锅炉的废气温度t1/℃420420
  5、进余热锅炉的废气量(Q/m3/h)79000150000
  6、出余热锅炉的废气温度t1/℃160260
  7、余热锅炉的漏风系数α1.051.05
  8、余热锅炉回收的热焓H/(kJ/h)3.18×1073.69×107

  注:废气量为标准状况下。

  锅炉的排烟温度受到给水温度的限制，不可能很低，而生料磨的排气温度可到90℃左右。余热锅炉设在生料磨前，余热锅炉的排烟温度就是入生料磨的废气温度。这一温度的确定受两个条件的制约。1)入生料磨的原料综合水分；2)生料磨的操作风量。对此可通过生料磨系统的热平衡计算来初定。然后兼顾考虑余热回收热力系统的蒸气参数，可确定余热锅炉的排烟温度，即可确定窑尾锅炉的余热量。若窑尾有煤磨系统也需一并考虑。窑头冷却机的余热量的大小除与生产规模有关外还与烧成热耗和冷却机的效率有关。一般是热耗高，余热量小；冷却机热效率高，余热量少。篦冷机的余热回收有下面三种形式:1)余风直接利用；2)中部抽气；3)带回热循环。三种形式分别见图2、图3、图4。水泥厂中低温纯余热发电解决方案

  图2余风直接利用形式 
 
水泥厂中低温纯余热发电解决方案
  图3中部抽气形式

水泥厂中低温纯余热发电解决方案
  图4带回热循环形式

  从三种情况看*种系统简单，篦冷机无需改造，但废气温度低，温差小，余热锅炉体积大，耗钢量大；第二种系统简单，回收的废气温度高，可减小锅炉体积和耗钢量，且生产的蒸气温度、压力均可提高，但篦冷机需进行一定的改造。第三种系统较复杂，但余热回收量可显著提高。具体采用何种形式要根据各个厂的实际情况确定。窑头篦冷机的形式及取气方式决定了窑头回收的余热量。zui终根据窑头窑尾的余热量可确定发电的规模。

  3.系统的主要设备及系统配置
  3.1余热锅炉
  余热锅炉按布置形式可分为立式和卧式两种，按循环方式又可分为强制循环和自然循环。在中低温纯余热发电系统中，一般设置两台余热锅炉，一台为窑尾锅炉通常称SP炉，一台为窑头锅炉通常称AQC炉。

  SP炉设置在zui后一级预热器和窑尾主排风机之间。废气温度一般在300～400℃之间，含尘量高，一般为标准状况下50～80g/m3，废气的负压较大。要求锅炉的换热原件不易积灰，受热面布置便于清灰，且锅炉的密封性能要好。采取的布置形式一般根据工厂的场地、粉尘的堆积特性等条件确定。卧式锅炉的特点是烟气在炉中水平流动，受热面是蛇形光管，竖直布置上端固定在构架上，下端为自由端，并焊有振打装置之连杆，特殊设计的振打装置对受热面定期振打，加之蛇形管为竖直悬吊在构架上，可使受热面保持干净无灰，从而保证了很高的传热效果。由于工作介质在蛇形管内上下流动，无法利用其重度差进行自然循环，所以采用强制循环。锅炉下部用一内置式拉链机将灰输送至锅炉的一端经一锁风喂料机输出。立式锅炉的特点是烟气在炉中垂直流动，受热面也采用蛇形光管，但水平布置，分组采用特殊的挂件悬挂在构架上，分组设置振打装置，从上至下逐组振打，也能满足清灰的要求，但这种布置方式比起竖管的清灰干净程度略差，所以在受热面的设置上要考虑上述因素，以确保锅炉的率。但立式锅炉占地面积小，布置方便。

  冷却机的废气虽然含尘量不大，标准状况下约10～20g/m3，但磨蚀性大。所以AQC炉的设置分前置式和后置式两种。前置式即AQC炉设在冷却机与电除尘器之间，这种设置一般还需加预除尘装置以减轻粉尘对AQC炉内的换热管磨蚀，因此系统阻力增加较多，但可以利用图3、图4流程。后置式即AQC炉设在电除尘和窑头排风机之间，粉尘对换热管磨耗小，且系统阻力增加不大，但电除尘器必须密封性能好，漏风量小，热损失小。窑头粉尘为熟料颗粒，粘附性不强，所以AQC炉的结灰不严重，一般均选为立式锅炉。由于窑头的废气温度低，量大，且对锅炉的排气无特殊要求，应尽可能地回收余热。为了增大换热面积，强化换热效果，AQC炉的换热管应采用螺旋翅片管或蟹形针管等能显著增加换热面积而又耐磨蚀的管形。

  3.2汽轮发电机
  用于余热利用的汽轮发电机的特点是以汽定电，所以要求带负荷的能力可在较大范围内波动，尤其是发电机的选型要考虑能超过设计发电量的15%左右。目前市场上可用于中低温纯余热发电系统的汽轮发电机有两种:一种为单压系统的低参数凝汽式汽轮机。特点是系统简单，适合3000kW左右的小机组。另一种为混压系统，除主蒸气进口外还有一至两个补气口，并辅助采用了热水闪蒸技术，用闪蒸的饱和蒸气混入汽轮机做功。特点是系统较复杂，但系统热效率较高，适合6000kW以上机组。

  3.3热力系统
  在热力系统的设计上一般是根据废气温度及废气量经过合理配置来确定蒸气参数和蒸气量，一般选用的汽轮机的参数比较低。在余热锅炉设置上，对SP炉来说因出炉的废气还要用于原料的烘干，所以一般SP炉带汽包仅设置过热器和蒸发器。AQC炉的排烟无特殊要求，主要设置省煤器，也可带汽包设置蒸发器，有可能的情况下也可适当的设置过热器(如窑头采用图3、图4流程)。余热锅炉的受热面的配置，zui终是根据余热资源及zui大产气量配置的。所以各水泥厂之间不尽相同，一般余热锅炉采用非标设计。由于系统用于水泥厂的余热发电，所以汽轮机必须带有前压调节装置，当机组在正常运行时，以汽轮机的进口压力作为主要控制参数，来调节机组输出功率以保证压力基本稳定，这种方式可适应废气余热参数的变化，使整个系统有较高的适应性和可靠性。

  4.注意事项
  1)工艺系统的操作参数要提供准确，这些参数是余热回收系统的设计依据。

  2)对工艺系统中部分设备要进行核算。①窑头、窑尾风机因系统阻力增加，介质温度变化，运行工况点要进行变化，所以要对运行工况下的风机能力和装机功率进行核算，能力不够的要采取相应的措施。②生料磨系统。在未考虑余热发电系统以前，一般窑尾的废气作为生料磨的烘干热源热量都有富余，所以对生料磨系统密封要求不是很严格；增加了余热发电系统后，余热要做到zui大限度的回收，这就需要对生料磨系统加强密封，尽可能减少漏风。漏风量大会产生两方面的不利影响:①提高入磨的热风温度即提高锅炉的排烟温度，锅炉可回收的热量减少；②入磨的热风温度越低，生料磨的烘干效率越低，而磨尾的排风量随之增大，耗电量增加。

  3)系统的总体设计上汽轮机房尽可能与窑尾锅炉靠近。而循环冷却水池的位置靠近汽轮机房，以减少热损失和自耗电。

  4)增加余热发电系统后，会对水泥生产工艺的一些操作参数产生影响，要作适当调整。如窑头篦冷机的操作，生料磨系统的操作，窑头、窑尾风机、电除尘器的操作等。因此，要做好这一工作必须要有专业的水泥工艺技术人员负责协调生产系统和余热发电系统的关系，参与系统的设计和管理工作。调整好各自的操作，才能真正做到不影响水泥工艺的生产，并使余热发电系统率运行。

2、沉降室掺冷风阀开启时间和泄漏

电站运行时，由于水泥窑出熟料量有一定的波动量，导致窑头AQC炉进口废气温度波动很大，产生的蒸汽压力、温度变化也很大，造成汽轮机汽缸膨胀不均匀，会引起汽机振动，特别在三次风管塌料时冷却机风温急升时，采用窑头冷风阀进行掺冷风，降低废气温度，能起到明显降低AQC蒸汽温度的效果，从而稳定了汽机汽缸膨胀量在允许范围内，不会引起汽机振动。在调节AQC入口阀门开度的同时，掺冷风阀也是降低进AQC锅炉烟气温度的一个有效途径，因此该阀的开启时间长短就显得特别重要，可选型时往往忽视了阀门的全行程的时间，如果沉降室温度超过设计范围时阀板开启时间长，不能迅速的往沉降室加冷风降低烟气温度，给锅炉造成隐患。同时阀门的严密性也会影响烟气的温度。如果阀板的间隙大，沉降室压力与外界常温空气压力不一致,就必然存在漏风。一种是热烟气漏出系统，一种是常温空气顺着间隙进入。这两种漏风都会降低余热回收效率,由于沉降室烟温度远高于常温空气温度,所以常温空气通过阀板间隙进入，降低烟气温度。因此设计时应该着重考虑电动执行器的功率和转速，缩短阀门的全行程时间，以及阀门密封性能。

3、窑头旁路阀门磨损泄漏

窑头旁路阀往往没有受到足够重视，它是造成窑头锅炉出力不足的一个重要因素。运行中旁路风门开度太小，造成锅炉烟气温度降低;同样蓖冷机旁路风门开度大，会造成窑头锅炉的风量小，可见此阀的重要性。

篦冷机余风风量变化大，篦冷机的余风量随进入篦冷机内熟料量的增加而增大，尤其是当窑内出现结圈、窑中生料大量堆积的恶劣工况时，一旦窑圈崩塌使窑内黄料在极短时间内进人篦冷机，导致余风量增大到正常佘风量的1.5倍;温度变化大，正常情况下，出篦冷机余风温度约为200～250℃左右，随着篦冷机内熟料量的增加余风温度相应增高，一旦窑内出现上述恶劣工况，余风温度就可能会高达400℃以上;含尘浓度变化大。正常情况下，出篦冷机佘风含尘浓度为2～30g/Nm。左右，含尘浓度随篦冷机内细粉料的多少作相应的波动，一旦窑内出现上述恶劣工况，余风含尘浓度可能会增加到50g/Nm。以上。

由于篦冷机余风的特点决定窑头旁路阀要做频繁的调节，因此必须保证该阀门调节的可靠性。由于篦冷机余风具有温度变化大含尘浓度高，阀板容易出现严重磨损。阀门处于不是全开与全关状态，对阀板磨损比较厉害，而且具有一定的腐蚀性，阀板受到冲刷产生严重磨损，泄漏率增大，发现几条线出现阀板脱落，造成系统漏风严重。因此我们建议把阀板做防磨处理，阀板双面焊龟甲网衬耐磨浇注料，确保阀门的正常运行。

4、SP旁路阀漏风

锅炉旁路阀设置在高温风机与预热器之间，一般使用温度为330℃~450℃，该烟气使用温度波动较小，烟气含尘浓度在60~120g/Nm3左右，含尘量大，粒径小，平均粉尘粒径1～30μm，容易积灰，造成阀门打不开或关不上的问题，因此把该阀设计为倾斜式的结构。要求阀轴能长期使用不能生锈，阀体阀板在该使用温度情况下有足够的机械性能。该阀一般情况下该阀是在关闭状态，当SP锅炉检修时，才把阀门开启，因此它的主要性能是切断性能，关闭时的密封性能好，漏风对发电量影响很大，据有关专家测算每多漏风1%，发电量下降0.6%，因此必须严格控制，设计要求该阀漏风率越小越好。

SP炉阀门虽然磨损小和温度比较稳定，但SP炉的启停和入炉烟气量的调节涉及到窑系统工况的波动和窑尾高温风机电流的波动。SP炉启停操作和风量调节时，原则上只要保持C1出口负压和温度不变，就不会影响窑系统的稳定。实现这一原则的重要手段是SP炉进出口挡板、旁路挡板及窑尾高温风机液力偶合器三者的协调操作。因此，SP炉阀门要确保阀体阀板在该使用温度情况下有足够的机械性能，加大阀体和阀板的厚度，叶片之间采用密封条搭接，以降低阀门的泄漏率。

水泥生产和余热利用发电是一个统一的生产整体，每个设备只是这一整体的一个细节，做到各个设备相互之间*配合，保证烟气阀门的良好质量，保证水泥生产线、余热利用系统全面、可靠、合理的运行，使水泥生产系统与余热发电系统达到工艺上相互配合设备投资，节约能源，发挥zui大的经济效益。与本文相关的产品有：D941W-1C电动通风蝶阀在新余矿业应用