75吨/时余热(带补燃)流化床锅炉改纯低温余热发电技术在日产2500吨水泥生产线上的应用

前言
　　浙江虎山集团有限公司是国家“一五”时期投资兴建的浙江省第一家大型水泥企业，企业始建于1958年，由原浙江江山水泥厂改组而成。2006年，被国家发改委、国土资源部、中国人民银行列为国家重点支持水泥工业结构调整大型企业（集团），名列21位。2007年，加盟中国建材南方水泥有限公司。

　　浙江虎山集团有限公司2500t/d窑外分解炉带补燃的12MW余热发电项目是在国家“九五”期间发布《煤矸石综合利用管理办法》时鼓励发展煤矸石电厂，发展热电联产的时候投资兴建的。年发电量为8400×10⁴kw.h（以年运行时数7000小时计），供电量为7344×10⁴kw.h，年平均发电标准煤耗为315.54g/kw.h，余热利用量占电站总耗能热量的35%。项目在投产后的几年内取得了很好的经济效益，但由于各地煤矸石的发热量的波动很大，很难适应正常生产的需要。工艺上为保证煤矸石的充分稳定燃烧，均需在煤矸石中掺入近20%的烟煤进行生产。最近几年烟煤价格不断攀升，靠余热带补燃流化床锅炉发电项目已经没有明显的经济效益。另外根据国务院批复的国家环保局制定的《酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分方案》，对电厂二氧化硫(SO₂)排放提出了严格要求，对现有燃煤含硫量大于1%的电厂，要求在2010年前分期分批建成脱硫设施或采取其它具有相当效果的减排措施。浙江虎山集团在这样的形势下，感觉到十分有必要将原来2500t/d水泥生产线的余热（带补燃）流化床锅炉电站向纯低温余热电站改造。项目于2008年3月开始实施，并在当年7月实现并网发电。现将有关情况介绍如下：

　　一、改造的内容及相关技术措施
　　1、拆除原有的75t/h循环流化床燃煤锅炉；

　　2、将原来2500t/d水泥线上的两台中温中压的余热锅炉改造为低温低压余热锅炉，改造后窑头AQC炉的技术参数：锅炉入口设计温度取值为380℃，蒸汽压力为1.35MPa，蒸汽温度为340±20℃，蒸汽量为9.5t/h；窑尾SP炉的技术参数：锅炉入口设计温度取值为340℃，蒸汽压力为1.35MPa，蒸汽温度为315±20℃，蒸汽量为14.3t/h；

　　3、将原来中温中压的12MW汽轮机组改造成低温低压的6MW纯凝式汽轮机组，发电机保留不变；除氧系统利用原有的系统，对部分管路进行改造；

　　4、更换凝结水泵、给水泵；

　　5、化水系统及循环水系统保留不变；

　　6、相应的电气及自动化系统进行改造。

　　7、各车间利用原有的厂房和基础；

　　二、窑头AQC炉及窑尾SP炉的工艺流程

　　　　　　　　　　　　1．锅炉               2．降尘器               3．锅炉进口阀门        

　　　　　　　　　　　　4．直通阀             5．锅炉出口阀门         6．闸板阀    

　　　　　　　　　　　　7．锁风分格轮         8．双翻板阀             9．拉链机      

　　1、窑头AQC炉采用三段受热面，最大限度地利用了窑头熟料冷却机废气余热。I段为蒸汽锅炉，生产1.35MPa－340℃的蒸汽，作为汽轮机主蒸汽，II段生产的170℃的热水作为AQC炉、SP炉蒸汽段给水，Ⅲ段生产100℃的热水，送入除氧器。

　　2、窑尾SP炉采用一段受热面，保证电站运行安全并充分保证水泥生产线烘干用废气余热。SP炉生产的蒸汽与AQC炉蒸汽段生产的蒸汽一起进入汽轮发电机发电。

　　三、纯低温余热改造过程中关键问题的处理
　　1、AQC、SP炉整体钢架改造方案的确定
　　原AQC、SP炉共有8根主立柱，其基础的相关尺寸均一样（见图一）。杭州中科设计院从节省投资出发，在与杭锅厂沟通后，确定除受热面、锅筒需更新外，原有的立柱及平台栏杆、部分横梁均予以利用。SP炉由于受热面增加较大，原基础的跨度尺寸由原来的3990mm增加至4790mm。设计时原考虑锅炉中心线位置不变，将两侧A、B轴的四根立柱均向外移400mm，后来发现这样的施工难度较大，不仅土建需要重做8个基础，而且如果8根立柱均外移，会给原SP炉进风管的支撑带来难度，施工工艺比较复杂，最终决定靠近预热器系统的A轴向的四根主立柱不动，仅将B轴的四排立柱向外移动800mm。

图一

　　AQC炉的整体钢架经杭锅厂技术人员核算后，确定原来的基础能够满足新锅炉的安装要求，除部分横梁位置需要调整外，其主立柱位置可不做移动。

　　2、植筋技术在窑尾SP炉的应用
　　由于SP炉B轴的四根主立柱需移位，其基础需要重新施工。考虑到利用基础内部主钢筋再焊接罗纹钢的方法来做锅炉柱脚四周的护筋，对基础的损害较大，另外由于内部主钢筋的位置不规则，其定位有难度，所以锅炉柱脚四周的护筋施工采用的是植筋的方法。

　　植筋是指在混凝土、墙体岩石等基材上钻孔，然后注入高强植筋胶，再插入钢筋或型材，胶固后将钢筋与基材粘接为一体，是加固补强行业中一种建筑技术。其工艺流程：定位 →钻孔 → 清孔 → 钢材除锈 → 锚固胶配制 → 植筋 → 固化、保护 → 检验。植筋胶在常温、低温下均可良好固化，若固化温度25℃左右，2天即可承受设计荷载；若固化温度5℃左右，4天即可承受设计荷载，且锚固力随时间延长继续增长。

　　利用植筋方法，锅炉柱脚四周护筋的施工可以在四根主立柱移位调整好后再进行，即方便了立柱的移位，又节省了施工时间。

　　3、SP炉锅筒定位偏差的处理
　　锅炉在安装过程中发现其定位尺寸有偏差，按图纸位置定位后，其锅炉与主立柱发生干涉（见图二）。其原因是由于改造后的锅炉总设计高度为24.5m，而原来锅炉的高度有25.252m，而在施工时利用了原锅炉最顶部的框架对SP炉的进风管道进行支撑，所以主立柱移位后就没有缩短，也不好缩短，同时由于顶部横梁也不能割除，锅炉到过热器的三根下降管（管2）也无法施工。处理方案：在与杭州中科院及杭锅厂沟通后，由设计院出更改单，将锅炉往外移800mm，原来800mm的定位尺寸改为1600mm。施工时相应将管1也进行加长。

　　图二

　　考虑到窑头AQC炉原高度（17.756m）比改造后的设计高度（15.81m）也要高，在锅炉的就位时也会碰到相似的情况，所以由设计院出图，将改造后的锅炉各层定位基准由原来的0：00平面改为主立柱的最顶面（17.756m），相当于提高锅筒及整个受热面的垂直高度，避免了类似情况的发生。由于事先与施工单位沟通好，所以后面AQC炉的施工比较顺利。

　　4、汽轮机组的改造
　　1）改造方案的确定
　　我们原来的汽轮机组是青汽厂的N12-3.43型12MW凝汽式汽轮机组，额定进汽温度435℃。最初我们希望能够利用原来的设备基础，采购新的纯低温凝汽式汽轮机。在咨询了多家厂家之后，虽然机组的工艺参数均能满足设计要求，但对原来的基础均要进行处理，有的甚至需要更改机组平台标高，且交货期估计要7个月。在与青汽厂的技术交流时，我们提出是否可利用原机组进行技术改造。青汽厂对于旧机组的改造以前也没有做过，但是认为从技术上分析还是可行的，并且也愿意进行这方面的研究，所以最终我们决定还是与青汽厂合作，利用原来的汽轮机组，仅对其内部的通流部分进行改造，以适应低温低压的需要。改造后的汽轮机技术参数：进汽参数为1.25Mpa；进汽温度为310±20℃；最高温度为380 ℃；进汽流量为32 t/h；汽耗为5.2kg/kwh。通过改造大大减少了设备的投资，且改造的总工期也就2个月时间。

　　2）汽轮机主油泵的处理
　　在改造前，N12-3.43汽轮机主轴存在有问题，试生产后运行大约有半年时间的时候，出现过汽轮机主轴与主油泵联接部分的轴头断裂事故（见图三）。在当时由于生产比较紧张，另外从费用上考虑，就没有将汽轮机的主轴更换。将原来主轴轴头断裂的地方加工后做了一个内螺纹孔，重新加工了一只外螺纹结构的主油泵，螺纹配合后继续使用。处理好运行有3个月时间，主油泵与主轴配合的螺纹出现滑扣至使机组无法运行。又重装加工了一只主油泵，为确保螺纹副联接的可靠性，在联接过程中使用TS钛合金剂混合剂对罗纹副进行固化处理，主油泵的径向跳动调到0.00、-0.02、+0.015、+0.025mm。此次处理后总计运行有2个月时间，碰到了机组的改造。

图三

　　出于运行可靠性考虑，公司决定将汽轮机主轴更换。改造好返厂安装过程中，注意 到两付油封环与外面的油泵壳体四周的间隙不均匀，特别是上、下间隙，经测量外侧油封环上间隙有4.0mm，而下间隙仅有0.1 mm，内侧油封环下间隙有0.12mm（图三1、2位置）。估计前面的几个事故可能均与此尺寸上下不均有关：在1#瓦出现烧瓦或出现龟裂时,由于下间隙仅0.1 mm，造成轴头下沉而油封环又没有足够的下浮余量，1点位置由原来的悬浮点变为汽轮机主轴的主支撑点从而造成主轴断轴及主油泵头损毁。而在前面几个事故过程中均伴有1#瓦烧瓦事故，并且1点位置油封环的巴氏合金也严重烧毁。由于要调整好油封环的上下间隙需动到汽轮机机头的基础部分，非常麻烦。就采取了简单的处理方案：在不影响主油泵出力的情况下将内外两侧的油封环外圆车削掉2.0mm，安装后下间隙的尺寸基本在1.1mm，预留出其上下浮动的空间。现汽轮机改造后已正常运行有10个月。当然，还有待更长时间的观察。

　　5、锅炉本体外保温方式及外护板安装位置的变更处理
　　锅炉本体原保温方式：紧贴内护板用无石棉硅酸钙板加粘结灰浆进行砌筑，外面加一层硅酸铝耐火纤维毡，然后采用Ф4圆钢现场弯制成抓钉后，抓钉一端与壳体焊接，另一端穿过保温层和铁丝网，紧压住铁丝网折弯，最后一层为抹面涂料。锅炉的外护板采用彩钢瓦，在保温施工完成后，紧贴着立柱及横梁施工（如图四）。由于上述施工工艺较为复杂，并且如果施工不当很容易引起外部抹面涂料脱落后影响到内部保温材料的固定，并且由于外护板做在最外面，平时也不容易发现内部的脱落情况，所以我们采用原水泥线上成熟的保温方式：保温材料选用层状的复合硅酸盐保温材料，将保温材料与内护板用高温胶水贴结后，将外护板直接紧贴着保温材料施工（如图五）。由于烟气逐级通过锅炉的过热段、蒸发段后，炉墙的温度也逐层下降，保温材料厂的厚度也可以从δ200、150、100mm随高度的下降而相应的减薄。这种保温方式保温效果非常好，施工也方面。而外护板不仅起到装饰的作用，同时也起到保护保温材料厂的作用。

图四　　　　　　　　　　　　　　图五

　　6、影响发电量的相关因素分析
　　对于锅炉来讲，在汽轮机系统正常的情况下，除氧器压力稳定，给水温度正常，其产汽量的主要影响因素个人认为主要有两个：一是锅炉的进口风温、二是进口负压。

　　SP炉：在窑况正常的情况下，SP炉的进口风温及负压均比较稳定，所以SP炉的产汽量也较稳定。但如果振打清灰不及时，也会对产汽量有影响。在试生产初期，窑尾SP炉的内部振打杆与蒸发段管箱支架的焊接点脱落有四分之一，引起部分蒸发段没有正常清灰。利用停窑机会将振打杆恢复后，在相同的进风温度下，锅炉出风温度比原来降低有5~6℃，说明锅炉的热交换的效率得到明显提高了。

　　AQC炉：AQC炉的锅炉进口风温波动较大，在窑况正常的时候波动幅度也可达到100℃以上，负压也随时调整。所以汽轮机的发电量在很大程度上取决于窑头锅炉的进风温度及负压。为了提高AQC炉的产汽量，相应的可以采取以下措施：检查电收尘本体的漏风，保证下面分格轮的锁风效果；尽量隔离利用窑头收尘器的负压进行收尘的扬尘点，如熟料链斗机地坑的收尘，一般收尘风量均比较大，如果设在锅炉进口，将直接降低入锅炉的风温，最好设立独立的收尘系统；在操作方面，可以适当控制好篦冷机的用风，如有意识的减少篦冷机后面几室风机的用风，控制合理的篦速等；另外窑系统的三次风用风调整也将直接影响到AQC锅炉的进风温度。我公司曾碰到过这种情况：一次检修结束后重新开窑，AQC炉的进口风温明显下降，发电量也大幅受影响，不管采取什么措施，风温就是达不到停窑之前的水平。后来仔细分析发现窑系统的工况发生有很大的变化，主要表现在窑头罩的负压及篦冷机的用风上：①窑头罩负压较大，基本在-100~-50Pa，而停检前负压基本在-30~-10Pa，有时还是微正压；②篦冷机最后三室风机的风门开度比原来大了很多，以前这几台风机风门的开度均保持在35~45%，现在开度均在65%~75%，这一点与窑头罩的负压有关联：以前是风机风门开大后窑头罩正压大，所以风门想开大而不能，现在是风门不开大窑头罩的负压就会拉更高而影响窑系统的锻烧。当时就怀疑是否是由于三次风的用风量增大有关，因为在停窑期间曾对三次风管的平段进行过清灰。再次停窑检查时发现三次风管的闸阀已高温烧毁，由于三次风用量的增加引起去锅炉的风量减少，而操作上为了加大进锅炉的风量而将余排风开得很大，不足的风量只能靠篦冷机后面几室的风机来补充，大量冷风的掺入，进锅炉的风温自然就明显下降。

　　水泥线的锻烧与余热发电既相互关联，也存在有矛盾。如在窑系统的操作上，三次风用风的增加可能会降低窑头锅炉的进口风温，但增加三次风用风量对窑的工况有利，如果刻意的追求发电量就会与窑系统的锻烧发生矛盾。应当树立“水泥生产是主业，发电是副业，副业不能影响主业，主业应兼顾副业”的思想，水泥生产系统的正常运行是保证余热电站安全、稳定生产的前提。

　　四、2009年余热电站实际运行指标

　　五、结论
　　由于公司决策及时，原有的75t/h循环流化床燃煤锅炉于2008年3月15日开始停用并进行2500t/d水泥线的余热锅炉纯低温改造，至7月17日两台锅炉、汽轮机及相应的辅机设备全部改造完成并成功并网发电，总共改造用了4个月时间。在改造中最大限度的利用了原有系统和设施，总投资估计约1400万元。从投产到现在已累计运行约5500小时，累计发电约24000000kwh。从发电量上来看，平均吨熟料发电量为37.15 kwh/t ，在此期间2500t/d水泥生产线的吨熟料煤耗为118.08kg/t，各项指标均比较理想。虽然还有几个问题有待探讨解决，如厂用电量率较高、AQC炉阻力偏大、过热段易磨损等，但是纯低温余热改造后，其产生的效益已远非原来的余热（带补燃）流化床锅炉可比。在目前节能减排形势下，纯余热改造是原水泥线余热（带补燃）流化床锅炉电站很好的发展方向。