窑头余热锅炉超温原因分析及安全对策

窑头余热锅炉超温原因分析及安全对策

潘磊

所属：唐山冀东水泥三友有限公司

来源：《水泥技术》

1前言

水泥窑窑头余热锅炉（以下简称“余热锅炉”）是水泥生产企业重要的节能降耗设备之一，主要用于回收篦冷机内冷却熟料产生的废气热量，其设计参数一般与水泥窑的设计产能相匹配。当水泥生产线熟料产量提高或回转窑窑皮脱落，均可能导致窑头废气热值增加、窑头余热锅炉超温。余热锅炉超温对其金属部件的损伤具有不可逆性，对其安全运行有极大危害。因此，采取合理的安全对策，消除余热锅炉超温造成的安全隐患，同时兼顾经济性非常必要。

2余热锅炉超温的危害

水泥窑窑头余热锅炉一般采用立式自然循环锅炉，篦冷机回收的高温废气在其内依次经过热器、蒸发器、省煤器三组换热设备换热，当废气温度<100℃后，经窑头除尘装置处置后排放。余热锅炉超温主要指锅炉内的蒸汽温度、流量、压力等参数超出额定范围。受余热锅炉超温影响最大的部件是余热锅炉入口废气管道、入口炉墙及过热器，尤其影响无耐火隔热材料保护的过热器管束。余热锅炉超温主要危害如下。

2.1物理性爆炸

当余热锅炉进入的废气量一定时，其温度越高，余热锅炉内的蒸汽蒸发量越大。余热锅炉超温易使锅炉内的压力超出安全范围，此时，若安全阀故障，不能及时泄压，则可能造成物理性爆炸事故。

2.2金属部件形变或坍塌

金属部件超温会造成其强度及承压能力下降，余热锅炉炉壁由钢材构成，当炉壁壁温超过其最高使用温度时，炉壁钢材机械性能、金相组织会发生改变，蠕变速度加快，轻则影响锅炉的使用寿命，重则导致炉壁钢结构发生塑性变形或破裂。烟气管道、炉墙等金属部件也可能因超温发生形变，甚至发生坍塌事故，对现场工作人员的人身安全构成较大威胁。

2.3过热器蒸汽管路承压能力下降

锅炉入口烟气温度过高会直接造成过热器超温，产生超温蒸汽，造成蒸汽管路及阀门等金属承压部件承压能力下降，发生爆管或泄漏事故；还会造成锅炉内蒸汽蒸发量、温度、压力超出正常范围，从而使锅炉汽轮机发电机组超负荷运行。若进入汽轮机组的蒸汽温度过高，会使机组受热部件产生较大的热变形和热膨胀；若热膨胀受阻，则可能引起机组振动值增加，导致汽轮机组设备损坏。

3余热锅炉结构、篦冷机热平衡及余热锅炉超温原因分析

3.1余热锅炉结构及篦冷机热平衡分析

余热锅炉结构及篦冷机热平衡示意见图1。如图1所示，篦冷机两侧设有多台冷却风机，风机从篦冷机底部供风，将回转窑进入篦冷机的高温熟料冷却，并吸收熟料释放的热量。冷却过程中产生的热空气，一部分作为二次风进入回转窑内助燃；一部分作为三次风进入预热器分解炉内助燃；一部分进入窑头余热锅炉被回收利用。窑头旁路挡板通常处于关闭状态，余热锅炉进口气体温度过低时，适当开启旁路挡板释放部分气体，部分气体通过旁路管道经窑头除尘器净化后排放。二次风和三次风取自篦冷机高温段，进入余热锅炉的废气取自篦冷机中低温段。

以篦冷机为对象，以0℃为热平衡基准点，进行热平衡分析，分析所得热平衡方程式(1)如下：

综上所述，假设其他参数保持不变，进入窑头余热锅炉的废气热量与熟料产量、进出篦冷机熟料温差及篦冷机冷却风带入的热量存在正相关的关系，与三次风携带的热量、二次风携带的热量及篦冷机散热损失存在负相关的关系，由此可得出窑头余热锅炉超温原因的分析方向。

3.2余热锅炉超温原因分析

3.2.1熟料产量增加

由式(3)可知，若将篦冷机散热损失视为固定值，在正常情况下，随着熟料产量的增加，二次风量、三次风量均会相应按比例增加，入窑头余热锅炉的热风风量也会增加。

3.2.2操作不当

当熟料产量增加时，如操作人员未及时调整二次风和三次风拉风，或未及时调整篦冷机冷却风机鼓风量，进入窑头余热锅炉的热量将会更多，从而导致锅炉出现超温情况。

3.2.3旁路挡板关闭不严或误开启

生产线正常运行时，篦冷机中温段和低温段的废气混合后进入窑头余热锅炉，若旁路挡板关闭不严或误开启，将会导致篦冷机低温段废气直接进入窑头除尘器，无法与篦冷机中温段废气混合进入窑头余热锅炉，造成锅炉入口废气温度升高。

3.2.4篦冷机篦速降低

生产运行过程中，若篦冷机篦速降低，料层厚度将会增加，冷却风阻力增大，风量降低，但其吸收的热量并未减少，导致废气温度升高。

3.2.5余热锅炉入口烟道冷风阀安装位置不合理

虽然余热锅炉入口烟道配备了冷风阀，但冷风阀安装位置大多设计在篦冷机至窑头余热锅炉风管靠近篦冷机的一侧，余热锅炉风管内负压较低，冷风阀开启时，吸入的常温空气难以满足冷却废气的需求。

3.2.6烧成系统工况异常

当烧成系统发生回转窑窑皮脱落或塌料等异常工况时，窑内高温物料将短时间大量进入篦冷机，此时窑头余热锅炉入口废气快速升温(可>500℃),超出余热锅炉所能承受的温度范围。

4避免余热锅炉超温的安全对策

4.1调整烧成系统工艺

4.1.1提高篦冷机高温段鼓风量

因水泥窑二次风及三次风来自篦冷机高温段，可以通过增大篦冷机高温段的鼓风量来提高熟料在篦冷机高温段的冷却效果，以提高二次风和三次风所携带的热值，从而降低进入窑头余热锅炉废气的热量。

4.1.2增加二次风、三次风风量

优化烧成工艺，确保回转窑内通风良好，合理分配窑头、窑尾风量，加大窑尾拉风，适当增加二次风和三次风风量，将燃料燃烧的热量最大化应用于熟料烧成系统，减少进入窑头余热锅炉废气的热量，节约用煤。

4.1.3合理控制篦冷机篦速

当熟料温度提高或熟料产量增加时，可适当增加篦冷机篦速、减薄料层厚度、降低冷却风阻力，使熟料能够被吹透，增加熟料冷却效果，降低入余热锅炉废气温度。

4.2合理选用和维护耐火隔热材料

对于篦冷机至余热锅炉的烟气管道及余热锅炉入口部位的炉墙，应根据可能出现的最高烟气温度选取其耐火隔热材料的规格型号和施工厚度。窑头废气中的熟料颗粒冲刷力较强，易导致耐火材料磨损，应利用停机时机，定期检查耐火材料的磨损情况和牢固程度，一旦发现耐火材料脱落或开裂，应及时修复。性能良好的耐火材料，不仅能避免余热锅炉烟气管道和炉墙金属表面因接触高温发生蠕变或塑性变形，而且能避免烟气冲刷作用造成的磨损。余热锅炉入口风管耐火材料照片见图2。

4.3升级承压部件材质

目前，绝大多数水泥窑窑头余热锅炉过热器、蒸汽管道材质选用的是20G锅炉钢，而20G锅炉钢受热面管子适用壁温×460℃,集箱、管道适用壁温×430℃(见表1),均无法承受500℃以上的高温工况。为保证余热锅炉运行的安全性，可将过热器、过热蒸汽管路及阀门等承压部件材质更换为耐高温的合金钢，如12Cr1MoVG钢，其耐高温性能较20G锅炉钢提高＞100℃,能够满足更高温度的要求，确保余热锅炉承压部件不会因高温发生不可逆的金相损伤。

4.4设置废气管路和蒸汽管路减温装置

（1）将余热锅炉入口废气管道靠近篦冷机一侧的冷风阀调整到负压相对较大的余热锅炉入口附近，或在余热锅炉入口处另设冷风阀，以确保锅炉超温时，开启冷风阀可吸入充足的常温空气，降低锅炉入口烟温。

（2）在余热锅炉过热器出口处增设喷水减温器，采用高品质锅炉给水，当锅炉过热器出口蒸汽超温时，启用减温器，降低蒸汽温度，避免对后级管道、阀门等承压部件及汽轮机组造成不可逆的损害。

4.5定期进行钢材部件金相检验和无损检验

当余热锅炉长时间超温时，应对温度可引起金相组织变化或损伤的钢材部件，定期进行金相检验和无损检验。发现钢材部件有损伤时，及时维修或更换，确保余热锅炉各钢材部件能够满足承压要求。

5结语

本文所述避免余热锅炉超温的安全对策，虽能不同程度上降低水泥窑窑头余热锅炉超温带来的安全隐患，但从本质安全的角度出发，最佳的方式是通过调整烧成工艺，合理配置水泥窑窑头、窑尾用风，稳定烧成系统工况，使水泥窑余热资源得到最大化利用的同时，从源头上避免余热锅炉超温情况的发生，确保余热锅炉在安全工况下稳定运行。对于已发生过超温情况的余热锅炉，应对锅炉的过热器、蒸汽管道、阀门等承压部件进行检验，及时更换维修受损部件。必要时，可将上述承压部件的材质升级为耐高温性能更好的合金钢材质，以大幅提高余热锅炉的安全性能，消除事故隐患，延长锅炉使用寿命。

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