水泥厂余热发电的风管设计及优化

宋 炜

（上海凯盛节能工程技术有限公司，上海 200060）

1 余热锅炉的布置

1.1 余热锅炉应布置在废气热源附近

1）布置时应尽量避开水泥线的基础承台。按照设计经验，改造项目在不知水泥线的基础承台大小时，为避免设计返工，工艺向土建专业提资，AQC锅炉距离篦冷机外框架的适合距离为3.0m，SP锅炉距离窑尾预热器外框架的适合距离为5.5m。余热锅炉柱脚应尽可能布置在混凝土结构的立柱或主梁上。

2）余热锅炉所在的平台高度应根据下灰是否通畅、风管接入的角度是否不积灰等因素来确定。按照设计经验，对于立式余热锅炉：AQC锅炉宜布置在0m层，SP锅炉宜布置在12m层左右。

1.2 余热锅炉厂房的布置方式应根据当地的室外气象条件确定

应符合下列规定：

1）非寒冷地区应采用露天布置。

2）一般寒冷地区可采用露天布置，应对导压管、排污管等易冻损的部位采取伴热措施。

3）严寒地区的余热锅炉不宜采用露天布置。

2 风管附件的选型及布置

2.1 烟风阀门的选型及布置

1）≤650℃的烟风阀门及篦冷机余风阀需采用龟甲网＋耐磨陶瓷涂料衬里，龟甲网材质采用0Cr13不锈钢材质，阀板材质选用1Gr18。≤450℃的烟风阀门，阀板材质选用Q420。

2）对于运行中容易积灰的管道，应选用45度角倾斜式阀门，并设置观察孔（见图1）。

3）在容易积灰的管道最低点处设置放灰管道，并设置观察孔（见图2）。以上措施可以有效避免烟风管道内积灰。

2.2 膨胀节的选型及布置

风管膨胀节的选型应根据膨胀量来确定，膨胀量公式如下

式中，ΔL为膨胀量，mm；ξ为管材线性膨胀系数，mm/（mm·℃）；Δt为管道内介质和环境温度差，℃；L为固定支座间的管道长度，mm。

在窑头篦冷机取风口、窑尾预热器下降管跨至锅炉的风管宜设置选用金属膨胀节（见图1，金属膨胀节9），主要是考虑这些部位检修更换不方便，其他部位可选择非金属膨胀节以提高经济性。

3 风管设计常见的问题与优化

国内绝大部分水泥余热发电项目都是在已建成的水泥生产线的基础上进行设计的。鉴于经济性考虑，余热发电系统设计时有一部分风管附加荷载要作用在水泥线的混凝土或钢结构上面。由于某些原因水泥线的结构图纸不全或者没有，这给设计造成很大的困难，无法核算其承载力。鉴于这种情况，我们可以做如下优化：

例：某4 500t/d水泥生产线，当地海拔2 454.3m，预热器下降管径ø3 600mm，窑尾预热器框架为钢筋混凝土结构，可以利用废气资源为280 000Nm3/h，温度330℃，高温风机布置在增湿塔之后，前期收集资料中无预热器框架结构图纸，现要为其配一台余热锅炉及风管设计。解析：进风管段常规设计（见图3（a），常规设计方案）是从增湿塔上部取风，需要在窑尾预热器框架上生根做风管支架，接入窑尾余热锅炉进口。因无预热器框架结构图纸无法核算其是否能承载风管的附加荷载，可以将锅炉风管靠近预热器布置，将锅炉钢架加高，对风管进行优化布置（见图3（b），优化后的设计方案），让风管附加荷载作用在锅炉钢架上，从而避免不安全因素的风险。下面是计算过程。

3.1 进风管径的计算

进风管径的计算，公式如下

其中，D为管径，mm；QLg为高海拔地区工况风量，m3/h；u为管道风速，m/s。

3.2 进风管道荷载计算

总均布荷载F＝（管道自重＋保温重＋风载力）×地震系数×积灰系数。

其中：管道自重＝1.2×0.078 5×3.14×4.0×8＝9.47kN/m；

保温重＝0.01×130×3.14×（（2＋0.001×180）2－22）＝3.07kN/m；

风载力＝75×4×1.1×0.01＝3.3kN/m。

则有，总均布荷载F＝（9.47＋3.07＋3.3）×1.3×1.5＝30.88kN/m。

对风管布置进行优化设计，在锅炉顶部设置三层钢平台，每层高4.8m，钢架立柱与锅炉柱脚跨距一致，上下两层可以设置固定支架，中间一层设置膨胀节（常规设计方案与优化后的设计方案对比，见图3），根据管道长度可计算出：固定支架1垂直荷载＝－440kN，固定支架2垂直荷载＝－266kN。

3.3 进风管阻力计算

进风管阻力，计算公式如下

其中，λ为圆管摩擦阻力系数（对于金属风烟管道取0.02，对于砖砌或混凝土风、烟管道取0.04）；L为风管长度，m；D为风管直径，m；ξ为管件及变径点阻力系数；u为风管中流速，m/s；ρ为空气密度，kg/m3，0℃时ρ＝1.293；K0为阻力附加系数，K0＝1.15～1.20。

可得：优化前的进风管阻力ΔP1＝［0.02×25÷4＋（0.58×3）］×162×0.585÷2×1.2＝167.7Pa，优化后的进风管阻力ΔP2＝［0.02×25÷4＋0.58］×162×0.585÷2×1.2＝63.4Pa。

4 结 论

a.通过以上探讨分析，我们知道合理、正确地布置锅炉位置及选择风管附件，可以避免返工及工程质量事故，有效地节省项目建设时间，提高工作效率。在设计过程中设计人员要严格遵守设计规程规范并结合工程实际情况，对一些经验进行总结归类。

b.通过上述计算可知进风管的附加荷载为－440kN－266kN＝－706kN，荷载相对比较大。若设计作用在窑尾预热器框架上，无法知道其承载力，具有一定风险；优化设计后此荷载全部作用在锅炉钢架上，而锅炉订货前其钢架是可以进行核算加固的，此优化可避免风管的附加荷载作用在窑尾预热器框架上引起的承载力不够等不安全因素。其次，优化后的进风管因弯头减少，局部阻力附加系数变小，总阻力比优化前减少167.7－63.4＝104.3Pa，从而减少了风机的负荷，节省了厂用电。所以，建议在不知窑尾预热器框架结构设计承载力或者核算后承载力不够的情况下，可采用此优化方案。

［1］ 中小型热电联产工程设计手册［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［2］ 水泥工厂余热发电设计规范［M］.北京：中国计划出版社，2010.