水泥窑碱旁路余热锅炉的开发

钟永辉

（四川川润动力设备有限公司，四川成都 611730）

0 引言

旁路通风技术（在窑尾和预热器之间增加旁路通风设备，以减少再循环和挥发性成分的浓度）是解决水泥生产原料和燃料中钾、钠、氯和硫等挥发性物质排放问题的有效措施。旁路通风技术在国外被广泛使用，尤其是在美国，该技术通常用于生产低碱性水泥，但目前国内对该技术的研究相对较少。

1 水泥窑碱旁路余热锅炉项目

1.1 项目背景

随着水泥工业的快速发展，水泥生产所需的原材料和燃料资源越来越稀缺，在水泥生产过程中，原料和燃料中钾，钠，氯和硫的含量高，严重影响了水泥生产线系统的稳定运行。

（1）造成窑尾烟室、切边坡度、颈缩和底部旋风分离器结垢和堵塞，在严重的情况下，会影响燃烧系统的稳定性和正常运行。

（2）影响水泥质量。如果熟料的碱含量高，则碱骨料反应会在混凝土中膨胀。美国ASTM 标准通常允许低碱水泥熟料的钠含量不超过0.6%，并且目前不要求常规水泥的最大碱含量。但是，根据我国的生产经验，如果熟料的碱含量超过13%，将会对熟料的质量产生不利影响。

（3）如果水泥熟料中的氯含量高，混凝土钢筋会腐蚀并影响其结构强度。

因此，通过减少原料和燃料中的钾、钠、氯和硫等挥发性物质，可以确保水泥生产线系统的稳定运行和水泥熟料的质量。

鉴于目前国内和国际形势，一种解决水泥生产中钾、钠、氯和硫挥发物问题的有效措施是旁通空气释放技术（即旁通空气释放）。

1.2 项目意义

水泥窑生产线旁路放风工艺中放掉的部分烟气因温度高、灰尘含量大、有粘结性，一直处于零回收状态。如果该部分烟气被新型余热锅炉有效利用，不但能减少温室气体排放，还能进一步降低水泥生产能耗，同时也为锅炉厂提供了新的机遇。

因此，通过对碱旁路余热锅炉的设计、制造、安装、调试、运行的全方位、全周期的深入研发，不仅是顺应市场对提高锅炉性能、实施技术创新的迫切需求，也是节约能源、合理利用资源、保护环境、缓解能源需求压力、实现可持续发展的需要。在行业内开展资源节约和合理利用行动，是树立和落实科学发展观的具体体现，对于缓解资源瓶颈制约、保护环境、保障经济平稳发展具有十分重要的意义。

1.3 国内外术水平分析

目前，旁路放风技术在国外已得到较为广泛的应用，国内应用的水泥窑系统不多。

2 项目完成情况

2.1 项目概述

（1）项目名称：印度SIL 10000T/D 余热发电项目。

（2）项目配置：1 台窑头余热锅炉+1 台窑尾余热锅炉+1 台碱旁路余热锅炉+1 台汽轮发电机组及其辅助系统，凝汽方式为空冷，总装机容量为15 MW。

（3）项目地址：印度古吉拉特邦普杰市。

2.2 项目难点

（1）项目为国外项目，设计需满足标准IBR 和ASME 相关要求。

（2）首台带旁路放风锅炉项目，公司无相关设计经验，国内没有类似成功项目可以借鉴，其烟气特性（灰尘含量特别大，含K、Na 离子有较强粘结性）导致项目存在一定风险。

2.3 项目进度状况

该项目从投标到施工设计完成，历时22 个月，期间因其他原因搁置约1 年半。期间，公司设计部就碱旁路锅炉的特点进行了资料收集、专家咨询、实地考察等技术储备工作，对新炉型的设计应用做充足的准备，力求将风险降到最低。主要工作概述如下：

（1）公司组织到贵州兴义实地考察7500 t/d 水泥余热锅炉运行情况，此项目与印度10000 t/d 项目有所不同，并没有设置旁路放风锅炉，配置2 台SP 炉+1 台AQC 炉，考察的主要目的是学习大容量水泥线余热锅炉配置的结构特点，该项目锅炉由杭州锅炉厂提供。现场对其结构统计后与我公司锅炉进行了对标、总结。

（2）公司组织到北京同对碱旁路锅炉有相关经验的专家进行交流、学习，主要内容总结：①由于碱旁路烟气成分特殊，含有有害物质氧化钾、氧化镁等，在高温时烟尘具有较强的粘附力，长期运行会对受热面造成堵塞，因此专家建议查清这些物质的凝结点温度，采取措施使其在进入锅炉受热面前凝固，保证锅炉正常运行；②为将凝固后的颗粒分离出来，将冷凝段受热面设计成卧式结构，管排错列布置，并适当将节距拉大，以防止烟尘搭桥。灰斗设计在卧式受热面下面，以便将凝结后的烟尘颗粒及时排出；③当烟气温度降到380 ℃左右时，烟气特性类似于窑尾SP 锅炉，此时受热面的布置形式和清灰方式可参照窑尾SP 锅炉结构；④碱旁路锅炉的蒸汽出口温度440 ℃建议调整为与窑尾SP、窑头AQC 一致的蒸汽参数350 ℃，补入冷风快速降低烟气入口温度，烟气中有害物质能较快达到冷凝温度，避免粉尘高温粘结搭桥。

3 项目总结

该项目为公司首台带碱旁路余热锅炉，且10 000 t/d 生产线项目也是首台，国内几乎没有成功经验可以借鉴，大连易世达前期项目成功应用案例较少，目前仅双鸭山项目较为成功，因此设计时也将双鸭山项目作为参考蓝本。

碱旁路锅炉主要风险是烟尘中含K、Na 具有强粘附性，容易造成风道、锅炉堵塞，导致锅炉无法正常运行。通过之前大量的考察、学习总结工作，目前碱旁路的结构布置借鉴大连易世达双鸭山成功运行项目，采用倒U 形布置，且受热面前同样布置凝渣管挡灰。因该项目入口烟温已冷却至470 ℃（双鸭山项目700 ℃），含尘粘结性已大幅降低，故后续受热面清灰采用与窑尾相同的清灰方式——机械振打清灰。碱旁路余热锅炉布置如图1 所示。

图1 碱旁路余热锅炉布置

尽管通过多方努力力求将碱旁路余热锅炉方案做到最优，但鉴于没有实际工程应用经验，该项目仍存在一定的风险。

（1）锅炉入口烟温470 ℃的保证：旁路放风的出风温度一般在900 ℃左右，本项目是通过掺冷风来保证470 ℃的锅炉入口烟温，需要设计院保证废气进入锅炉时，冷热风的充分混合，避免混合不均进入锅炉造成受热面高温积灰粘结。

（2）锅炉入口设置了凝渣管，由于结构设计的限制，再结合入口烟气温度较高，机械振打装置的效果有限，因此未配置机械振打装置，后期运行时可能会存在凝渣管受热面积灰粘结现象。

（3）由于锅炉入口设置了凝渣管，在锅炉刚运行时，可能会出现过热器汽温偏低现象，运行一段时间后，凝渣管积灰粘结，过热蒸汽温度能回升，但后续可能存在由于凝渣管吸热量降低，造成过热器受热面出现高温灰粘结现象，需要积累实际运行经验。补救措施是在前几组受热面增加激波吹灰辅助。

（4）鉴于首次设计碱旁路放风余热锅炉，虽然结合了专家的性能设计审查意见，并在受热面设计布置时预留了较多余量，但仍然可能存在锅炉运行一段时间后，性能不达标的情况。

（5）由于布置了较多的受热面余量，可能在后续项目竞争时，在锅炉重量上处于劣势，需要积累本台余热锅炉的实际运行经验进行优化。

（6）鉴于旁路放风废气中含有的钾、钠等碱金属粒子，其粘结性很强，本锅炉未设计机械振打清灰的效果有待实际运行的验证。

4 结束语

印度SIL10000T/D 水泥窑余热发电项目是公司首台带碱旁路的水泥窑余热锅炉项目，碱旁路锅炉的成功运行，将对公司今后的业务拓展具有重要意义。