水泥窑纯低温余热锅炉的几个常见问题和解决措施

2017-04-09袁卫东罗俊勇孔德荣

四川水泥 2017年1期

关键词：窑头积灰管子

顾雷袁卫东罗俊勇孔德荣

（乐山市特种设备监督检验所四川乐山 614000）

水泥窑纯低温余热锅炉的几个常见问题和解决措施

顾雷袁卫东罗俊勇孔德荣

（乐山市特种设备监督检验所四川乐山 614000）

本文总结了水泥窑纯低温余热锅炉运行中出现的几个常见问题，通过分析此类锅炉的技术参数和结构特点，并结合本地区在用余热锅炉日常运行和维护保养中的经验，提出此类问题的解决措施。

余热锅炉；水泥；节能

引言

随着新型干法水泥生产技术在我国的水泥生产工业中被广泛应用，充分利用水泥窑余热发电已经成为水泥工业发展的一个主流方向。纯低温余热发电技术是控制大气污染，减少二氧化碳气体排放和保护环境的有效手段，也是企业提高能源利用效率，减少能源消耗，降低成本，提高产品市场竞争力的重要措施。

但到目前为止，水泥窑纯低温余热锅炉（以下简称余热锅炉）的发展时间还比较短，锅炉在设计、制造、安装和运行中不可避免的存在着一些问题，这些问题可能影响余热发电系统的正常运转，造成计划外停机，导致设备损坏，甚至发生安全事故，因此解决好这些问题具有重要意义。

从国内余热锅炉的故障案例和本地区余热锅炉的使用维护情况来分析，目前余热锅炉存在以下几个问题：

1 泄漏问题

从本地区余热锅炉的运行情况来看，泄漏问题是造成锅炉计划外停机的主要问题之一。而此类锅炉的受热面一旦泄漏，会带来比其他类型锅炉更严重的后果，究其原因是余热锅炉采用的热源中含有大量的灰分，锅炉受热面上往往集聚着一定量的积灰，而这种积灰的特性是遇水会结成硬块，牢牢附着在受热面外表，难以去除。对窑头AQC锅炉和ASH过热器来说，其受热面多为螺旋翅片管采用小节距的错列排列组成，积灰容易嵌入翅片间隙和管子之间，一旦受热面发生泄漏，积灰遇水凝成硬块后，不但除灰装置无法去除，即使停炉后采用人工清灰也难以清除，往往只能进行换管处理，对使用单位造成较大不便和损失；对窑尾SP锅炉而言，受热面积灰往往比窑头更严重，一旦受热面发生泄漏，积灰会迅速在泄漏点附近粘结成块，形成大量堆积，局部堵死烟气通道，影响余热发电系统的正常运转。因此，弄清此类锅炉泄漏的原因并采取相应的措施，具有重要意义。

引起锅炉泄漏的原因有很多，设计、制造、安装、修理、改造、使用和维护等各个环节都可能产生缺陷引起泄漏，具体来说有结构缺陷、材料缺陷、焊接缺陷、飞灰磨损、介质冲蚀、腐蚀、热疲劳、过热、振动、机械损伤等，以及多种因素共同作用引起的泄漏。

1.1 焊接缺陷造成的泄漏。

余热锅炉的受热面一般采用蛇形管结构（多用于锅炉SP和ASH过热器）或直管结构（多用于AQC锅炉）。这两种结构都需要管子或管座与集箱角焊连接，尤其是第二种结构，需要将大量的管子焊接在集箱上，焊接位置不方便焊工操作，焊接时难以焊透，又不便采用射线照相方法进行无损检测，一旦把关不严，很可能在焊缝中遗留有焊接缺陷，锅炉运行中，在各种应力作用下造成缺陷的扩展，最终导致泄漏。

1.2 过热引起的泄漏

余热锅炉采用的热源一般为500℃以下的废气，产生430℃以下的过热蒸汽，其中AQC、SP锅炉采用的热源一般不超过400℃，产生饱和蒸汽或350℃以下的过热蒸汽，锅炉工作温度较低，一般来说不容易发生过热失效，但是此类锅炉的过热器管束多采用20低碳钢管，材料高温性能较差，如果锅炉存在进入过热器的蒸汽流量分配不均，局部管子冷却不良，锅炉入口烟气温度超过设计值等问题时，仍有可能因过热造成受热面管失效泄漏，需引起注意。

1.3 预留膨胀间隙不足引起的泄漏

余热锅炉由于烟气、介质温度低，锅炉受压元件膨胀量不大，引起的问题一般不如常规火力发电锅炉严重，但对于窑头AQC锅炉常用的受热面结构来说，预留膨胀间隙的问题仍应引起足够重视。由于不采用蛇形管结构，而采用两端为进出口集箱组，中间为直管的结构型式，这种结构刚性强，对膨胀的适应能力较弱，当管子受热膨胀时，如果两端预留膨胀间隙不够，管子会产生变形，甚至将管子与集箱的连接焊缝拉裂。尤其是部分窑头AQC锅炉采用的管箱式结构，将集箱置于烟道炉墙内，这样的结构现场安装方便快捷，能较好的解决烟道漏风的问题，但这种结构一定要考虑好受热面的膨胀问题，两端的集箱应预留足够的膨胀间隙。

1.4 介质冲蚀引起的泄漏

对于低压锅炉而言，汽水混合物对管子、管道弯头的冲蚀也是一种比较常见的损伤模式。由于AQC锅炉为增大换热效率，以及减少灰分对管壁的磨损，多采用螺旋翅片管，这种管子的受热面热强度很高，蒸发器内的汽水混合物速度容易超过汽水磨损的临界速度，对弯头管壁造成磨损，因此AQC锅炉的蒸发器一般不采用蛇形管结构。另外要注意的就是余热锅炉上升管的弯头部位，也比较容易因冲蚀产生泄漏。

以上问题的解决措施：

1) 锅炉制造单位、安装单位应该严格控制锅炉的焊接质量，尽量减少焊接缺陷的存在。

2) 采用优良的锅炉设计方案，避免因汽水分配不均造成受热面冷却不良。

3) 锅炉运行中注意控制进口烟气温度，避免超温运行。

4) 设计、制造、安装时应考虑此类锅炉受热面的膨胀问题，预留足够的膨胀间隙。

5) 控制锅炉积灰，防止严重积灰堵灰，以免泄漏后难以处理。

6) 采用将集箱布置在烟道炉墙外的结构，避免角焊缝泄漏后水分与积灰混合形成硬块的后果。但这样的缺点是增大了烟道漏风的可能，增加了炉墙密封的难度，设计时应综合考虑。

从本地区余热锅炉的运行情况来看，由于采用刚性较大的直管结构，AQC锅炉的蒸发器最易发生泄漏，并且一旦泄漏造成的危害最严重，其次AQC锅炉的过热器和省煤器也较容易发生泄漏。目前有些使用单位的AQC锅炉采用蛇形管结构的蒸发器来代替直管结构，可以较好的解决焊接质量、热膨胀、热疲劳造成的泄漏，但又不得不考虑介质冲蚀对弯头部分的损伤问题，具体效果如何还有待实践的检验。

其他因素造成的泄漏，在下文中涉及。

2 磨损问题

窑头余热锅炉（包括AQC锅炉和ASH过热器）采用的热源是窑头篦冷机冷却废气，含尘量相对窑尾废气较低，灰分为水泥熟料颗粒，粒径粗，密度大，硬度高，表面有尖棱，对受热面的磨损情况比较严重，易引起受热面管壁磨损穿孔泄漏。有研究表明，在不采取任何防磨措施的情况下，φ42×5mm的锅炉无缝钢管，不到180天就被磨穿，因此磨损问题是窑头余热锅炉需要考虑的重要问题。

影响磨损的主要因素有气流速度，烟气含尘量，灰分粒径，灰粒硬度，灰粒形状，受热面管材料，管束节距，排列方式等，从这些因素分析，磨损问题的解决措施主要有：

1) 采用合理烟气流速。由于烟气流速对磨损的影响比其他因素大得多，因此必须选取适当的烟速，组织好烟气的流动使其尽量避免偏流或涡流，让烟气的颗粒均匀进入受热面。对窑头锅炉而言，一般烟气流速选择在7m/s左右，对窑尾锅炉，由于灰粒的磨损性很小，为防止积灰，可以增大烟气流速，一般选择在15m/s左右。

2) 降低烟气含尘量。烟气进入锅炉前先通过沉降室预除尘，把大颗粒的熟料沉降下来，减少含尘量和灰粒平均直径，减轻磨损。

3) 管子横向节距均匀，与炉墙的间隙不宜过大，消除烟气走廊。

4) AQC锅炉采用由下而上的烟气通过方式，减少重力对熟料颗粒的加速作用。

5) 采用耐磨损的管子类型。如螺旋翅片管，H型翅片管等。

6) 将管子两端、弯头等布置在烟道外，或用烟气挡板将将这些部位遮挡起来，避免受到烟气的冲刷。

7) 在管子、烟道内集箱的易磨损部位增设防磨装置。

3 积灰问题

水泥窑余热锅炉采用的热源是含尘浓度较高的水泥窑生产废气，相比其他类型锅炉更容易在受热面上产生积灰，而严重的积灰会大大恶化传热效果，显著降低受热面的换热性能。因此解决好积灰问题对此类锅炉具有重要意义。

余热锅炉积灰情况受多种因素影响：如废气特性（废气温度，含尘量，粒径大小，灰分的粘接性等），锅炉结构型式，受热面的布置情况，气体流速和流向，废气进入锅炉前的除尘效果，清灰装置的使用效果等。

积灰问题的主要解决措施有：

1) 采用合理的预除尘，利用重力沉降室，旋风分离器，烟道转角等将部分烟尘预先分离出来，减少进入锅炉的烟气含尘浓度。

2) 控制好烟气流速，既要能及时带走积灰，又不能加剧磨损，产生偏流。

3) 选用有效的清灰方式。SP锅炉一般采用机械振打除灰，能起到连续除灰的效果，避免其他吹灰方式造成瞬间大量落灰，加重高温风机负担的缺点；AQC锅炉根据积灰情况，可以选用可燃气体爆燃吹灰、声波吹灰、压缩空气吹灰等，如积灰不严重可以不采用吹灰器；ASH过热器由于灰分温度高，有一定的粘接性，且本身对换热效果的要求较高，一般采用吹扫力度较大的可燃气体爆燃吹灰。锅炉运行中应控制好除灰设备的参数，如除灰频率，振打力度等。

4) 采用不易积灰的结构型式。如窑尾锅炉采用卧式结构，窑头锅炉采用烟气自下而上的通过方式等。但要注意结构对锅炉的影响不仅限于积灰，应在设计中对多方面影响进行考虑。

5) 采用不易积灰的管子类型。由于螺旋翅片管积灰情况比较严重，有使用单位建议将AQC锅炉过热器、蒸发器的前几排管子由螺旋翅片管改为H型翅片管、纵向鳍片管、光管等，但应综合考虑管子类型对换热效果，耐磨性和防止积灰等多方面的影响。

6) 选择合适的管子排列方式和节距。

7) 选择合理的烟气温度，避免过高的温度形成粘结性积灰。

4 疲劳问题

4.1 锅炉本体振动引起的疲劳

从余热锅炉的现场运行情况来看，部分锅炉存在着振动较大的问题。有研究表明，余热锅炉的振动产生的原因主要有以下几种：

1) 受热面固定不好，由于固定焊点脱落或安装过程中没有焊好等原因，受热面没有形成一个刚体，造成受热面管子径向发生晃动而引起振动；

2) 烟气波动造成的振动；

3) 烟气变向造成烟气流场剧烈变化引起振动；

4) 烟气在烟道内通过受热面时产生卡门涡流振动。

另外，使用单位认为余热锅炉的振动可能还与以下因素有关：

1) 余热锅炉本身缺乏膜式壁的支撑作用，刚性较弱，因此振动情况较常规火力发电锅炉更明显；

2) 余热锅炉水位波动比较剧烈；

3) 煤磨机启动后，会加剧振动情况。

强烈的振动可能会对锅炉造成损害，如在穿管部位、接管角焊缝、支座角焊缝等部位产生疲劳损伤，造成锅炉泄漏，炉墙损坏漏风，缩短锅炉使用寿命。因此应采取措施避免或减轻锅炉振动，或减轻振动对锅炉的损害。

1) 加强安装质量，安装时应将锅炉受热面固定牢固。

2) 提高焊接质量，减少咬边等焊接缺陷，角焊缝尽量圆滑过渡。

3) 锅炉调试期间应采取措施消除振动问题，不将隐患遗留到运行期间。

4) 对振动剧烈的锅炉，应停炉对受热面进行加固。

5) 在烟道中布置隔板，防止共振。

6) 锅炉运行时注意合理调节工况，尽量避免烟气和水位的波动。

4.2 机械振打装置引起的疲劳

窑尾余热锅炉（SP锅炉）在运行中通常采用机械振打装置去除积灰，这种装置周期性的振动会造成受热面及焊缝产生疲劳裂纹，影响其使用寿命。尤其是某些锅炉的振打杆连接在梳形板上，而梳形板直接焊接在受热面管上，焊缝上的缺陷（如咬边）在反复的振打下容易扩展，最终造成泄漏。

解决此类问题的措施：

1) 加强锅炉安装质量，梳形板尽量不要直接焊接在受热面管上，可以加装护管等；如要焊接，则应尽可能避免咬边等焊接缺陷，焊缝尽量圆滑过渡。

2) 保证除灰效果的情况下，可以适当减小振打频率和振打力度。

4.3 热疲劳

窑头锅炉采用的螺旋翅片管的两端，此处位于翅片区和光管区的交界处，由于光管的换热能力较差，如果烟气温度波动较大，容易产生热疲劳，同时此处位于角焊缝的应力集中区附近，由温度变化引起的热冲击作用在此处，有可能发生热疲劳损坏。

对此类情况的解决措施：

1) 优化水泥窑运行工况，减小烟气温度变化幅度及频率。

2) 采用烟气挡板将翅片管两端隔离，避免烟气温度变化造成的热疲劳。

5 腐蚀问题

由于余热锅炉采用的热源相对来说温度不高，一般不会在烟气侧产生高温腐蚀；而烟气中的S03浓度低，排烟温度高于露点温度，一般也不易在锅炉尾部烟道的烟气侧产生低温腐蚀。

汽水侧腐蚀与其他类型的次中压和低压锅炉类似，主要有氧腐蚀、酸腐蚀、碱腐蚀、垢下腐蚀等，需要注意的是SP锅炉蒸发器采用的卧式蛇形管结构，当水质不良时，在热负荷较高区域的水平段，相对其他类型锅炉竖直布置的水冷壁管和对流管更容易产生垢下腐蚀，主要原因是此处锅水流动情况差，而热负荷较高，介质容易蒸发浓缩，造成pH值异常，对管壁造成腐蚀损伤。

另外，余热锅炉的低温段以及长时间停用的锅炉，还应注意防止保温层下腐蚀。如果锅炉防潮措施不当，保温层存在破损时，雨水以及管路、阀门泄漏出来的水可能通过保温层破损处聚集在受压元件表面，不断浓缩，对金属产生腐蚀损伤。

腐蚀问题的解决措施：

1) 严格按标准规范要求控制各项水质指标，防止锅炉结垢和低温段水侧的氧腐蚀，发现锅炉结垢时应及时进行清除。

2) 操作人员严格按规定进行排污。

3) 加强锅炉防潮措施，及时修复破损保温层，对泄漏的管路、阀门及时进行处理。

4) 停用期间的锅炉应做好内外表面的保养工作。

6 安全保护装置问题

随着信息技术的高速发展，发电锅炉控制系统正朝着网络化、智能化、集成化和信息化方向前进。由于DCS控制系统具有操作简便，信息直观等有优点，在余热电站控制中得到广泛应用。

但从本地区余热锅炉控制系统的使用情况来看，目前部分余热锅炉采用的控制系统还存在安全保护装置不符合规范要求，部分操作不够方便（如目前锅炉排污仍需要操作人员到现场操作）等问题。

按《锅炉安全技术监察规程》要求，余热锅炉应该装设水位、超压报警及联锁保护装置，但由于水泥窑排放的烟气量和烟气温度不易控制，当生产条件发生变化时，产生的废热烟气品质也随之波动，导致锅筒水位波动剧烈，容易出现虚假水位现象，因此水位控制是锅炉系统控制的一大难点。部分控制系统未装设自动水位调节功能和极低水位停炉功能，有些控制系统虽然有上述功能，但使用单位反映其控制效果不好，经常造成误操作而弃之不用，改为手动调节水位。同样，超压保护装置也存在类似的问题，导致使用单位不装设或不投用，一方面增加了企业的人力负担，同时也不符合安全技术规范的相关规定，增加了安全隐患。

希望今后DCS控制系统在设计时能在这些方面得到改进。