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，窑头余热锅炉分为两段，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。
由于废气在窑头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，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在上部、废气出口在下部的结构，将废气设在炉室下部，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，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
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。
