引言国内某钢厂有两条回转窑生产线，为利用此生产过程中产生的烟气余热，节约能源、减少环境热污染、进一步降低产品生产成本，钢厂已先期对回转窑尾烟气余热进行利用。2007年首期工程建设了2台额定参数为3 t/h、0.3 MPa的蒸汽余热锅炉，用于窑尾烟气余热回收利用。后由于工艺参数提升，2014年对首期工程进行了改造，并投用运行至今。现2台余热锅炉额定参数为8 t/h、1.3 MPa、230 ℃，主要换热设备为横置螺旋式翅片管列管换热器，这种结构形式具有体积小、换热效率高、投资成本低等优点[1]，但是因烟气中含尘量大、锅炉给水水质不稳定，余热锅炉运行过程中发生了短时间内烟道内部换热管积灰严重、系统阻力增大、换热管磨损、腐蚀、泄漏等情况。同时原设计中没有加药装置，已造成了余热锅炉不可修复的系统性问题。受余热锅炉的影响，回转窑系统在引风机满频率运行的情况下窑内负压仍不能满足工艺需要，导致窑头以及窑尾鱼鳞密封部位烟尘外溢。同时，进入电除尘的烟气温度高于260 ℃，直接影响除尘以及引风机的安全和正常运行。目前，该余热利用系统已影响回转窑系统产量的保持和提升，已不能满足钢厂产能提升的总体部署要求。根据钢厂要求，对现有余热利用系统进行改造。1工艺设计方案1.1改造思路（1）改进余热锅炉换热结构，从结构上大大降低积灰的条件；（2）选用激波除灰器吹灰[2]；（3）增设自动加药装置，对锅炉给水和炉水进行处理，防止锅炉管道腐蚀和汽包结垢，延长锅炉使用寿命。1.2余热利用烟气参数根据现有回转窑尾烟气余热利用系统的工艺，本次改造工程烟气设计工况参数和实际运行工况参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.017.T001表1回转窑尾烟气数据名称设计工况参数实际工况参数1#回转窑尾烟气温度/℃5505431#回转窑尾烟气流量/(m3/h)60 00060 0002#回转窑尾烟气温度/℃5504432#回转窑尾烟气流量/(m3/h)60 00060 0001.3余热锅炉装机方案本改造项目产生蒸汽并不是唯一目的。要保证合适的压损和温降，以确保生产工艺的正常运行。产生的蒸汽进入分汽缸后并入厂区蒸汽管网。根据以上回转窑尾烟气参数，余热锅炉进行热力计算见式（1），回转窑尾余热锅炉主要参数如表2所示。φV(I'-I'')=G(i''-i') φV(I'-I'')=G(i'-i") (1)式中：φ — 保热系数；V — 烟气流量，m3/h；I'— 进口烟气焓，kJ/m3；I''— 出口烟气焓，kJ/m3；G — 工质流量，kg/h；i'' — 出口蒸汽焓，kJ/kg；i'— 给水焓，kJ/ kg。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.017.T002表2回转窑尾余热锅炉参数名 称设计工况实际工况1实际工况2进口烟气温度/℃550543443烟气容积流量/(m3/h)60 00060 00060 000过热蒸汽压力/MPa1.31.31.3过热蒸汽温度/℃230230230过热蒸汽产量/(t/h)11.110.97.9锅炉排污率/%111补充水温度/℃202020锅炉排烟温度/℃1701701702余热锅炉结构比较余热锅炉的热源来自回转窑尾烟道排出的烟气，其烟气温度为400 ℃～650 ℃，烟气中含有一定量（约20 mg/m3）的具有吸附性的灰（尘）。目前现有技术中，余热锅炉本体的传热面设置为螺旋翅片管，螺旋翅片管包括基管以及按照螺旋线焊固在基管外围的具有一定间隔和高度的翅片，如图1所示。在余热锅炉实际运行过程中，螺旋翅片之间易积灰，且积灰难处理，导致余热锅炉达不到设计预期。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.017.F001图1横向螺旋翅片管结构示意图为达到本次改造项目的核心需求，解决锅炉流道内积灰严重、换热器使用寿命短的问题；同时为了提高余热锅炉热效率，实现余热锅炉安全、稳定、高效运行，对余热锅炉选型制定出两条技术路线。第一条路线是采用直接换热的竖向肋片管束锅炉，第二条路线是采用竖向热管锅炉。两种结构的余热锅炉各有特点，现就两种结构的特点进行说明和比较分析。2.1直接换热的竖向肋片管束锅炉（1）余热锅炉本体传热面设置为肋片管，以强化换热。所述肋片管包括基管以及焊固在基管外围圆周平行于烟气流向象限线上的肋片（共2片），竖向肋片管结构示意图如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.017.F002图2竖向肋片管结构示意图（2）运用竖直径向肋片管技术的传热面，因其破坏了管束背部的漩涡，在余热锅炉运行过程中灰（尘）将不易在肋片管上沉积进而造成传热面积灰[3]。（3）省煤器使用ND钢管，ND钢是目前国内外最理想的“耐硫酸低温露点腐蚀”用钢材[4]，同时还具有耐氯离子腐蚀的能力。（4）余热锅炉水保护段、蒸汽过热器、蒸发器和省煤器均预设有吹灰装置。（5）余热锅炉传热面全部采用顺列布置形式。相比于错列布置，顺列布置第一排与错列布置第一排相同，以后各排由于气流冲击不到管子，磨损较轻。（6）采用自除氧器，减少占用场地和热损失。2.2竖向热管锅炉该技术路线将原有横置管束翅片式结构热管锅炉替换为竖向热管锅炉，跟第一种路线一样，从结构上大大降低积灰的条件。同时，结合实际情况及传热面结构特点，在整个布置和设计中采取相应有效措施。（1）水动力循环稳定。余热锅炉是由若干根热管构成，汽包和蒸发器为整体形式，中间有隔板连接，使烟气和水路互相不串行[5]。其结构示意如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.017.F003图3竖向热管结构示意图此种形式产蒸汽稳定可靠、热偏差小、安全性好。（2）综合传热系数大。余热锅炉的传热是烟气通过管壁直接传导，将热量直接传递给介质水，进行相态换热，属一次性换热，换热效率高[6]；而且换热管采用纵翅片管强化传热，综合传热系数大。（3）换热面耐磨性好。由于烟气中携带很浓的灰粒，磨损是影响使用寿命的一个重要因素。在余热锅炉的设计中，为了减少磨损，管束采用了镍基钎焊管形式[7]，在耐磨性方面的良好作用，可以提高余热锅炉的使用寿命。（4）减小设备阻力。阻力大小直接影响整个系统的工作，在不积灰的情况下，尽量减小流速，增大管间距，以减小设备阻力。2.3两种技术路线的比较上述余热锅炉两种技术路线实质上是直接换热和间接换热的区别。第一种技术路线是直接换热。原理上，直接换热对入口烟气温度限制不大，高温烟气可直接进行换热。排烟温度可以降到很低，最低可以降到120 ℃左右。使用寿命较长，不存在换热失效问题。同时，直接换热也存在占地面积大，体积较大，换热效率较低的问题。第二种技术路线属于间接换热。从换热机理的角度看，间接换热对入口烟气温度有限制，高温情况对于金属材料性能存在限制要求，并且可能出现热管失效的问题，热管内部的真空失效也会导致热管换热失效[8]。这也会导致热管的使用寿命较直接换热的换热管束短。但是，热管换热效率高，结构紧凑，占地面积小，体积较小。针对本改造项目的特点，两种技术路线的余热锅炉都能满足本改造项目的基本要求。然而，通过上文直接换热和间接换热的比较分析，两种方案各自的优、劣势表现在不同的方面，还需要结合现场实际情况和使用需求才能够确定。从现场较关注的几个方面表明了两种技术路线余热锅炉方案的不同之处，见表3。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.017.T003表3两种技术路线余热锅炉方案比较项目技术路线一技术路线二包络尺寸12.6 m×3.4 m×16.5 m15.2 m×2.5 m×11.3 m造价/万元250～300250～300检修周期长短换热面故障对生产的影响停产不影响其他换热面，不造成泄漏和紧急停产烟气阻力/Pa500600从表3可以看出，技术路线1在检修周期和烟气阻力2个方面有优势，技术路线2在包络尺寸和换热面故障这2个方面对生产的影响具有优势。两种技术路线在价格方面基本一致。因现场回转窑及其检修通道已经固化，现场空间条件有限，所以需要尽可能紧凑的余热锅炉方案。另外，因换热面故障造成的紧急停产须尽量避免。综上，虽然技术路线1的包络尺寸也能布置于现场，并且其受热面发生故障的概率很低，但技术路线二因设备尺寸更加紧凑，不会造成紧急停产，更能满足现场的实际条件和使用需求。3施工实施方案3.1总体说明本改造工程为2台10 t/h、1.3 MPa、230 ℃过热蒸汽热管式余热锅炉，以及其他必要的辅助设备和系统，组成一套回转窑尾烟气余热利用系统。因改造期间仍要尽量保证回转窑的正常生产，对施工方案提出了更高的要求。为了满足此项需求，计划先建设1台余热锅炉及辅助系统，在短时间内改造烟道系统，尽量不影响正常的回转窑生产，然后拆除和建设后续余热锅炉。本改造项目替换原余热锅炉及其辅助设备；新增加药装置；替换低压配电、自动化控制设备；新增配套土建；烟气系统管道根据实际布置情况进行利旧改造；输灰装置根据实际需求进行利旧改造；旧设备拆除、新设备安装；外围配套供配电、水管道、蒸汽管道、氮气管道、压缩空气管道等系统根据新工艺系统进行改造。3.2总体布置项目占地约1 000 m2，据现场改造实际情况，2#余热锅炉本体及其新建烟道安装于现有锅炉所在位置，1#余热锅炉本体安装于余热锅炉东侧空地，两台余热锅炉及烟道占地约800 m2。余热锅炉辅助设备安装于原厂房内，占地约100 m2。新建电气控制间占地约100 m2。两台锅炉平行布置。在原厂房区域布置炉水加药装置、取样装置、给水泵（新）以及除盐水泵（新）。在厂区水处理车间布置给水加氨装置。除氧器（新）布置在原2#余热锅炉区域上部钢平台，该钢平台可与新余热锅炉汽包平台统一设计。在余热锅炉区域布置排污扩容器，储气罐利旧使用，根据实际情况进行调整布置。余热锅炉总体布置如图4、图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.017.F004图4余热锅炉平面布置图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.017.F005图5余热锅炉布置图（1）新建新设备、烟道基础；（2）安装新1#余热锅炉，安装新1#余热锅炉烟道，安装加药装置、取样装置、给水泵（新）以及除盐水泵（新）；（3）新1#余热锅炉、新辅助设备试验、调试；（4）新1#余热锅炉及新辅助设备接入系统；（5）拆除原1#余热锅炉；（6）新建新2#余热锅炉基础；（7）安装新2#余热锅炉，安装新2#余热锅炉烟道；（8）新2#余热锅炉、新辅助设备试验、调试；（9）新2#余热锅炉及新辅助设备接入系统；（10）拆除原2#余热锅炉；（11）安装除氧器（新），改造水管路至除氧器（新），试验、调试后接入系统；（12） 拆除原厂房内不再继续使用的旧辅助设备。4效益分析根据上述工艺及施工方案，本改造项目的总投资大约为1 400 万元。（1）蒸汽年效益产出。按照实际工况16.9 t/h的蒸汽产量，140 元/t蒸汽价格，全年按8 000 h计算，则蒸汽年效益产出为：蒸汽产量×蒸汽价格×8 000=1 456 万元/a。（2）厂区供水费。按照18.59 t/h的厂区供水量，8 元/t供水价格，全年按8 000 h计算，则供水年费用为：供水量×供水价格×8 000=92 万元/a。（3）厂区供电费。按系统130 kW的电耗，0.5 元/kWh的电费，全年按8 000 h计算，则供电年费用为：供电量×供电价格×8 000=52 万元/a。（4）人工、维护费。按40 万元/a计算。（5） 设备折旧费。项目总投资1 400万元，设备使用年限最少10 a，则年折旧费用为：项目总投资÷年限=140 万元/a。（6）纯年增创效。项目纯年增创效为：蒸汽年效益产出-(厂区供水费+厂区供电费+人工、维护费+设备折旧费)=1 542 万元/a。（7）静态投资回收期。项目静态投资回收期为：项目总投资÷(项目纯年增创效÷12)=10.9 月。5结语针对此改造项目，根据基本要求，制定了两种技术路线的余热锅炉方案，并从几个方面进行了比较分析。结合现场实际条件和使用需求，最终选择了更适合的热管式余热锅炉。为满足改造期间仍要尽量保证回转窑的正常生产的要求，特编制了2台余热锅炉分别建设的施工方案，最大限度地保证了回转窑的正常生产时间。本改造项目总投资约1 400 万元，纯年增创效为1 542 万元/a，静态投资回收期为10.9 月，经济效益良好。本改造项目完成后，解决原余热锅炉流道内积灰严重、换热器使用寿命短等问题。