燃煤鍋爐除渣系統方案的選擇分析

周 林，馬明燁

（1.國電電力吳忠熱電有限責任公司，寧夏 吳忠 751101；2.寧夏電力能源科技有限公司，寧夏 銀川 750002）

0 概 述

我國的燃煤機組較多，燃煤電廠的灰渣排放量日趨增加，灰渣的排放、輸送、貯存及綜合利用成為電廠面臨的主要課題。在北方缺水地區，因受到用水指標、天氣、灰渣綜合利用等因素的影響，大多數燃煤電廠在除渣系統方案選擇上，采用具有節能環保、節水等綜合效益高的風冷式除渣系統，有助于缺水地區火電機組滿足節水和環保的要求。近年來，因燃煤不同，風冷式排渣系統在使用中出現了對燃煤適應性差等問題，影響了鍋爐效率。因冷渣速率低，無法對軟態灰渣進行破碎，灰渣的冷卻只能靠大量進風和延長冷卻時間。另外，對風冷式排渣機的進風控制和調整較為粗放，基本以排渣溫度為基點，調整頭部進風量的大小，未能與進入爐內的風溫連鎖，從而導致進風溫度遠低于鍋爐二次風溫等問題。

1 影響風冷式除渣系統的因素分析

1.1 燃煤的結渣特性

煤的結渣特性與煤中含硫量及灰熔融特性等因素有關，也與燃燒過程中工況因素有關，煤的結渣特性越高，在鍋爐運行過程中就越容易結渣。風冷式除渣機的冷渣速率低，無法破碎軟態灰渣，靠大量進風或延長時間來冷卻，使得爐內結渣。結渣塊將堵住鍋爐冷灰斗的除渣口，處理此類堵塞狀態非常困難，只能待渣塊冷卻變硬后，再運行擠壓頭或輔以人工進行碎渣處理。

2.2 對鍋爐除渣量的適應性分析

在對除渣系統的選型設計時，其處理能力滿足設計煤種和校核煤種的灰渣量變化，這與煤源、煤種及鍋爐型式和容量等有關，灰渣量的變化通常是可控的。但在實際運行中，國內燃煤火電廠煤源煤質的變化大，實際燃用的煤質往往偏離設計和校核煤質，由此造成的鍋爐灰渣量的變化。在設計及選擇除渣系統方案時，難以定量評估這些不能被忽視的影響因素。

風冷式除渣系統的處理渣量能力受冷卻風量、爐渣溫度等因素的影響和制約。風冷式除渣系統的結構參數和運行參數，決定著冷卻空氣與爐渣之間的換熱面積、對流換熱系數和換熱效率，決定著風冷式除渣機的處理能力。對于一定容量的鍋爐，在不改變鍋爐燃燒配風的前提下，允許由鍋爐底部進入爐膛的風量是一定的，但由于鍋爐燃用煤種各不相同，鍋爐除渣量也就不同，風冷式除渣系統的冷渣冷卻風量和風溫及除渣處理能力也就不同。如果鍋爐除渣量大于風冷式除渣系統允許的最大處理能力，必須進行鍋爐燃燒配風優化調整或將多余的冷渣風量除掉。換句話講，風冷式除渣機對鍋爐除渣量變化的適應能力是有一定局限的，現有的風冷式除渣系統，還不能完全適應各種容量機組、各種煤源煤質條件以及更大灰渣量變化的運行條件。

1.3 對鍋爐效率的影響分析

1.3.1 熱量回收對鍋爐效率影響

采用風冷式除渣系統的鍋爐可吸收爐渣中大部分熱量，而風冷式除渣機的冷卻風被加熱成為250～400℃的熱風，再進入爐膛參入燃燒。國外曾在某2×160MW機組上進行過實驗，1號爐安裝了風冷式除渣系統，2號爐是水冷式除渣系統。國外的實驗結果表明：風冷式除渣機出渣的含碳量，僅為水冷式除渣機排出的渣含碳量的25%。理論計算認為：當鍋爐除渣量約6t／h，穿過鍋爐喉部的底渣溫度為850℃，鍋爐喉部面積為20m2和穿過鍋爐喉部的渣中未完全燃燒碳含量為10%條件下，且風冷式除渣機冷卻風量不超過鍋爐總燃燒風量的1%～1.5%，則鍋爐效率可提高0.25%～0.38%。

1.3.2 爐渣冷卻風量和風溫對鍋爐效率的影響

從燃燒工況分析，采用風冷式除渣系統的鍋爐效率，還與除渣機的冷卻風風量和冷卻風的入爐溫度有關。當爐渣冷卻風吸熱量一定時，冷卻風風量越大，風溫就低。當冷卻風溫度接近二次風的熱風溫度時，在入爐總燃燒空氣量保持不變的情況下，冷卻風作為燃燒所需空氣從爐底送入，經過空氣預熱器的冷空氣量相應減少，鍋爐的排煙溫度提高，從而降低鍋爐效率。從鍋爐熱量平衡的角度分析，存在著一個影響鍋爐效率變化趨勢的爐渣冷卻風溫轉折點，如果冷卻風進入爐膛的溫度顯著低于轉折點溫度，將會造成爐膛整體溫度下降，需要多消耗燃料，鍋爐的效率降低。如果冷卻風進入爐膛的溫度高于轉折點溫度，會造成爐膛整體溫度上升，在維持吸熱量不變的前提下，燃料消耗量減少，鍋爐的效率提高。

2 風冷式除渣系統方案的選擇

為了滿足風冷式除渣系統使用過程中對冷卻風量、風溫和除渣溫度的要求，減少對鍋爐燃燒工況、鍋爐效率和排煙溫度等不利影響，風冷式除渣系統的選用，應與鍋爐燃燒配風設計和空預器設計、以及改造工程中鍋爐燃燒調整等緊密結合起來。首先應根據煤源煤質情況及實際燃用煤質變化，選擇合理的除渣機處理能力、冷卻風量等參數，并要求鍋爐供貨商考慮將這部分熱風量納入爐膛燃燒工況，有針對性地進行鍋爐燃燒設計和空預器的設計，加強鍋爐與風冷式除渣機之間的設計配合，充分發揮和體現風冷式除渣系統的技術優勢。同時，還可采取一些技術措施。

2.1 渣井的偏心布置。大焦塊落在渣井的迎渣面上，經過碰撞破碎后，使其落在液壓關斷門的格柵處。

2.2 渣井上設置攝像頭，監視液壓關斷門的格柵上有無大焦塊；安裝具有大渣擠壓破碎功能的液壓關斷門，當監視發現尺寸較大的焦塊無法通過格柵時，應啟動液壓關斷門，對大焦塊進行擠壓和破碎。

2.3 在碎渣機的上方，增加專門用于大焦塊破碎的大型碎渣機，增加大焦塊破碎能力或在排渣機出口采用大渣塊篩選裝置，并將具有不同碎渣性能的碎渣機進行并聯布置，以實現正常粒度和大型焦塊的分選破碎。

3 風冷式除渣器的運行效果

以某公司2×350MW超臨界機組為例，該機組采用了風冷式除渣系統（鋼帶輸渣機＋斗鏈提升機＋干渣倉＋汽車）與采用水冷式除渣系統（大傾角刮板撈渣機＋濕渣倉＋汽車，附屬設備有澄清水箱、緩沖箱、供水泵、溢流水泵、泥漿泵和除污水泵等）。風冷式除渣系統較水冷式除渣系統多增加了投資約370萬元，但相比每年的運行費減少了約73萬元（僅考慮水價、電費）。另外，風冷式除渣系統的檢修費相對較少，每年節省約50萬元，而且沒考慮干渣銷售帶來的經濟效益。如果考慮設備折舊、年運行費和年檢修費，風冷式除渣系統運行約3年，即可將投資收回。在設備選型初期，應根據煤源煤質情況，合理選擇除渣機的處理能力、冷卻風量等參數，將冷卻風的部分熱量納入爐膛燃燒工況進行考慮，并需針對性地進行鍋爐燃燒設計和空預器換熱設計。

3.1 除渣系統

3.1.1 風冷式除渣系統

該機組以風冷式除渣系統為單元，連續運行。爐底設1臺鋼帶輸渣機，出力為10～30t／h；1臺碎渣機，出力為35t／h；1臺斗式提升機，出力為10～30t／h；1座直徑為8m，有效容積為380m3的鋼渣庫。

風冷式除渣系統流程：爐底渣→渣斗→爐底排渣裝置→干式排渣機→碎渣機→鏈斗輸送機或斗式提升機→渣倉→干灰卸料器（濕式攪拌機→自卸汽車→灰場）→綜合利用。

4.1.2 水冷式除渣系統

該機組的水冷式除渣系統也獨為單元，連續運行。爐底設1臺大傾角刮板撈渣機，出力為10～35 t／h。每臺爐設1臺寬500mm的帶式輸送機、設2臺直徑為8m的鋼制渣倉，每座渣倉的有效容積為380m3。

2臺爐設1座直徑為15m的澄清水箱和緩沖水箱，緩沖水箱下設3臺供水泵（2臺運行，1臺備用），提供底渣的冷卻水。同時，分別設有澄清水箱和緩沖水箱提供反沖洗水。在澄清水箱和緩沖水箱底部設2臺排污泵（1臺運行，1臺備用），將箱底的泥漿送入大傾角刮板撈渣機的箱體內。

大傾角刮板撈渣機系統的工藝流程為：爐底渣→過渡渣斗 →刮板撈渣機 →渣倉 →汽車→綜合利用或灰場

3.2 技術經濟比較

3.2.1 系統組成

風冷式除渣系統與大傾角刮板撈渣機系統的組成，如表1所示。

表1 風冷式除渣系統與大傾角刮板撈渣機系統對比表

3.2.2 節能環保和資源利用

干排渣系統的節能環保和資源再利用的效果顯著。干排渣系統與大傾角刮板撈渣機系統節能環保和資源再利用方面的數據對比，如表2所示，表2中數據以設計煤種為依據。

3.2.3 系統可靠性

干排渣系統與大傾角刮板撈渣機系統運行可靠性對比，如表3所示。

3.2.4 投資及運行費

干排渣系統與大傾角刮板撈渣機系統投資及運行費對比，以2×350MW 機組為例，水費按2.66元／m3計，電費按0.241元／kWh計，如表4所示。

表2 干排渣系統與大傾角刮板撈渣機系統對比表

表3 干排渣系統與大傾角刮板撈渣機系統運行可靠性對比表

表4 風冷式除渣系統與大傾角刮板撈渣機系統投資及運行費對比表

4 結 語

風冷式除渣系統與其他排渣系統相比，雖然初期投資較高，但系統簡單且節能節水，運行費用低。排渣系統使干渣的排放與輸送在密閉連續的系統中完成，系統的自動化程度較高。爐渣中未盡燃燒物質可繼續燃燒，熱量可回收后再利用，提高了鍋爐熱效率。運行環境好，有利于爐渣的綜合利用。隨著國產干式排渣機的成功投運，在水資源匱乏地區，干式排渣機將有著廣泛的應有前景。