窑头锅炉是 水泥窑余热发电系统中的一个重要设备，布置在窑头蓖冷机旁，吸收窑头废气余热。由于蓖冷机废气中的熟料颗粒磨蚀性大，为防止锅炉受热面磨损，窑头锅炉前需要布置外置沉降室，不但占地面积大，而且整个系统的阻力较大，窑头排风机的功率增加较多，致使投资增加。通过多年应用实践发现，水泥窑超产可能导致窑头取风量超过设计值，并且窑头余热锅炉的风速大，对受热面管束冲刷较强，容易造成磨损。
原窑头锅炉为“上进下出”式，安装在水泥窑熟料冷却机废气出口至收尘器之间的管道上，在进窑头锅炉前布置一个外置单独沉降室，烟气经过沉降室将熟料颗粒有效分离后进入锅炉。锅炉设计入口废气温度360℃，废气流经过热器、蒸发器、热水器后，废气温度降至110℃，再进入熟料冷却机原有的电收尘器并经风机排入大气。
锅炉热力系统为典型的单压系统，焦化炉余热锅炉分为两段，以较大限度地利用废气余热。锅炉I段生产参数为1.25MPa-345℃的过热蒸气；II段为热水器段，其生产的180℃左右的热水分为两部分，其中一部分热水进入窑头余热锅炉I段，另一部分热水提供给窑尾余热锅炉主蒸气段。
1.锅炉运行过程中主要问题
(1)锅炉及废气分离器内磨损严重，散热损失大。通过对原水泥窑窑头各温度点数据的标定，窑头锅炉蓖冷机中部取风点平均烟温438℃，而经过沉降室和一段烟风管道后，窑头锅炉入口烟温只有370℃。
(2)锅炉内部管束因漏水等原因封堵数量＞1/4，其他管壁变薄，存在重大的安全隐患。
(3)锅炉漏风严重，影响换热的同时增大了系统阻力。
(4)锅炉内部管束较密，积灰严重，风阻系数大，换热效果较差。
 (5)煤磨用风冷风阀位置不合理，距离取风点太近，而且常处于开启状态，冷风也易被窑头排风机拉入窑头锅炉，影响了锅炉入口温度及产汽能力。
2改造方案
2.1下进风带沉降室的新型结构
对窑头锅炉结构优化的目的就是 要从磨损机理上解决窑头锅炉受热面管束磨损问题，减小窑头锅炉的系统阻力，并简化烟风管道系统，降低投资。
2.1.1外置式沉降室的不足
由于蓖冷机废气中的熟料颗粒粒径较大，一般要在窑头锅炉前布置单独沉降室进行重力沉降除尘，但外置沉降室占地面积很大，加上烟风管道，布置困难，且投资大，同时窑头外置式沉降室有很大的表面散热损失。布置外置单独沉降室，窑头排风机的功率相对增加较多，系统耗能增加，不利于整个余热发电系统的稳定性和经济性。
由于废气在碳素余热锅炉内自上而下流动，进入窑头余热锅炉的风速一般在12~15m/s，废气中携带的粉尘颗粒受重力加速度的作用，颗粒流速会更大，对窑头锅炉受热面管束的冲刷强度增加，加速受热面管束的磨损。
2.1.2下进风带沉降室的锅炉进口优化设计
通过研究原有窑头锅炉沉降室实际存在的问题，我们 改变了传统窑头余热锅炉废气进口在上部、废气出口在下部的结构，将废气进口设在炉室下部，废气出口设在炉室上部，在窑头余热锅炉底部设置内置沉降室，取消了原来系统的外置单独沉降室。
下进风内置沉降室结构的三个特点如下：
(1)窑头锅炉内置沉降室；
(2)废气转向沉降后，自下而上通过受热面；
(3)进入锅炉受热面之前，布置有均流板和防磨“假管”。
窑头锅炉与粉尘颗粒分离设备一体化，取消外置式沉降室，简化了烟气管道，减少了占地面积，节省了初始投资费用。另外，取消外置沉降室，改为自带沉降室的窑头锅炉，减少了窑头锅炉系统的阻力，系统总阻力<；800Pa，基本上不需要改造窑头排风机，减少了余热发电系统的运行成本。
废气从下而上 流动，降低废气在窑头余热锅炉内的流速，废气中携带的粉尘颗粒在上升的过程中，受到颗粒自身重力的作用，颗粒速率逐渐减小(磨损时和速度的3次方以上成正比)，达到了降低磨损的效果。窑头余热锅炉入口处布置了2~4排“假管”和 均流装置，有效防止了前几排受热面因废气的冲刷而造成磨损。
2.2蒸发器之后设置一组省煤器以降低烟温，提高锅炉蒸发量
原来的单压系统在不同的设计压力下，结构上没有显著区别，但由于窄点高低不一，在蒸气段省煤器的布置上有所不同。锅炉一般较少或不布置省煤器，锅炉只设置蒸发器，蒸发器后为公共热水器。热水器出水经给水操纵台分配后直接进入锅筒。这种系统主要存在以下缺点：
(1)由于给水直接进入锅筒，当热水器出水温度较低时，给水进入锅筒后，内部水位波动较大，不便于控制。
(2)由于没有省煤器，相当于蒸发器需要更多的热量来加热给水，蒸发器水循环流速较大，降低了传热效率和蒸发器的寿命。
(3)由于蒸发器内为饱和温度的工质，进一步降低蒸发器出口烟气温度的代价非 常大。在本次改造项目中，省煤器翅片管面积约2 000m㎡，省煤器后出口烟气温度约200.7℃，锅炉蒸发量26.9t/h。 而要达到相同的蒸发量(主蒸气段出口烟气温度约200.7℃ )，只设置蒸发器(饱和温度195.7℃，窄点温差只有5 ℃ )，需要的额外蒸发器面积是 3 000㎡。
这种较低的窄点设计非 常不经济也不合理，从投资费用及余热利用效率较佳的角 度考虑，必然存在一个合理选择余热锅炉窄点温差的问题，合理的窄点温差一般范围为10~20℃。
当然，由于烟气自下向上 流动，省煤器中的水设计也只能由下向上 流，以便将水在受热时产生的汽泡冲走，以免管壁因汽泡停滞而腐蚀或烧坏。这样设计的省煤器只能采用顺流结构，即出口烟温不能低于省煤器出口水温，因此其换热能力有一定的瓶颈，在热平衡计算时需要注意。
3.锅炉内部管束节距的合理设计
余热锅炉合理设计锅炉内部管束节距，烟气流速小，锅炉本体阻力较小，锅炉受热面不易积灰，换热效果良好。
4.其他改造
通过锅炉本体范围外的其他改造，提高锅炉入口烟温，减少系统漏风、散热损失和烟气阻力，进一步提高了锅炉蒸发量和系统发电量。
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