爐渣處理系統(tǒng)選型分析

張光榮，趙世澤，王 勇，李蜀生，張洪濤，于永強(qiáng)

(1.青島達(dá)能環(huán)保設(shè)備股份有限公司，青島 266300； 2.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆瑵?jì)南 250013)

0 引 言

鍋爐是重要的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，也是能源消費(fèi)大戶和重要的環(huán)境污染源，是與人類共存的產(chǎn)業(yè)。我國(guó)鍋爐以燃煤為主，其中火電2019年裝機(jī)容量為11.9億千瓦，占世界第一。

鍋爐爐底渣處理系統(tǒng)是指對(duì)爐底排出的爐渣進(jìn)行收集、冷卻、輸送、存儲(chǔ)等的綜合處理系統(tǒng)，主要應(yīng)用在燃煤、生物質(zhì)和垃圾等固體燃料鍋爐。爐渣處理系統(tǒng)最早采用水力和簡(jiǎn)單的機(jī)械除渣，如卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引有軌小車、螺旋除渣機(jī)、馬丁除渣機(jī)等，隨著機(jī)組容量的增大和技術(shù)發(fā)展都已淘汰[1]。爐渣處理系統(tǒng)目前主要有兩種：一是采用水冷的濕排渣系統(tǒng)，二是采用空冷的干排渣系統(tǒng)；其核心冷卻輸送設(shè)備詳見表1。

表1 爐渣處理系統(tǒng)分類表

1 濕排渣系統(tǒng)

1.1 濕排渣系統(tǒng)發(fā)展

世界行業(yè)內(nèi)火電機(jī)組爐底濕排渣系統(tǒng)主要有兩種型式：WAH水力排渣和SSC機(jī)械排渣；WAH因技術(shù)落后，耗水量大，現(xiàn)已經(jīng)淘汰。

SSC最早由西德在1957年研制，SSC較WAH具有節(jié)水、系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)[2]，迅速在西歐火電廠中得到廣泛應(yīng)用[3]；美國(guó)Babcock&Wilcox公司早在1967年便引進(jìn)了西德Deutsch Babcock Group的SSC技術(shù)，美國(guó)CE、UCC、艾侖等著名發(fā)電設(shè)備制造公司也都在積極發(fā)展SSC技術(shù)；日三菱、東工、石川島插磨等重工公司也在積極發(fā)展SSC技術(shù)。

我國(guó)1974年在元寶山發(fā)電廠全套引進(jìn)了首臺(tái)SSC濕式爐渣處理系統(tǒng)；1998-2006年間我國(guó)完成了300-1 000 MW的SSC國(guó)產(chǎn)化；2010年之后，新建機(jī)組均采用水浸式大傾角刮板撈渣機(jī)系統(tǒng)[4]。水浸式有利于灰渣冷卻和防止大渣沖擊，大傾角有益于析水和實(shí)現(xiàn)一步進(jìn)倉(cāng)。

1.2 濕排渣系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

(1)冷卻效果好。水冷卻效率高、速度快；渣量大工況，富水地區(qū)可選擇。

(2)磨損小。水冷卻效果好，無(wú)高溫影響，磨損小。

(3)基本不漏風(fēng)。正常運(yùn)行只有關(guān)斷門之間縫隙，漏風(fēng)量約0.1%～0.2%。

(4)適應(yīng)能力強(qiáng)。對(duì)煤質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)，出力調(diào)節(jié)范圍大。

1.3 濕排渣系統(tǒng)不足

(1)水耗。SSC主要依靠水冷卻熱渣，耗水量雖然只有WAH的10%～20%，但是1t渣也消耗2～3 t水[2]。隨著國(guó)家對(duì)電廠污水平排放的環(huán)保要求，近年國(guó)內(nèi)各大設(shè)計(jì)院、生產(chǎn)廠商和業(yè)主都在研究零溢流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)零溢流的水耗約1 t水/t渣，節(jié)水效果更加顯著[5-6]。

(2)水污染。污水處理系統(tǒng)復(fù)雜，污水更是環(huán)保問題；嚴(yán)寒地區(qū)還有寒冰危害。熱渣落入撈渣機(jī)水箱后，水被瞬間氣化，蒸汽對(duì)爐底設(shè)備腐蝕嚴(yán)重。所以，選用濕排渣時(shí)應(yīng)采用零排放技術(shù)，優(yōu)選撈渣機(jī)零溢流；可采用增加換熱器，設(shè)置大渣分離破碎裝置等實(shí)現(xiàn)大出力時(shí)零溢流。

(3)水爆。水浸式撈渣機(jī)冷卻水箱深度1 500～2 500 mm，大渣落入后可被水完全浸沒。水的傳熱系數(shù)大，大渣表面疏松多孔，水滲入渣內(nèi)部產(chǎn)生猝發(fā)式蒸發(fā)，迅速被氣化、膨脹，形成水爆[7]。湖北鄂州、寧夏靈武、新疆石河子、山東濰坊、河南沁北等電廠等都曾出現(xiàn)水爆引起撈渣機(jī)損壞情況。應(yīng)采用大渣分離破碎技術(shù)，防止大渣水爆；同時(shí)可適當(dāng)降低撈渣機(jī)水箱深度。

(4)降低鍋爐熱效率。爐底熱輻射會(huì)造成大量水分蒸發(fā)；300 MW級(jí)約1.5 t/h，600 MW級(jí)約2.3 t/h，1 000 MW級(jí)約3.1 t/h；零溢流1 t熱渣約耗用1 t水。所有水耗會(huì)導(dǎo)致大量熱量損失，濕排渣可降低0.3～0.4%的鍋爐熱效率[6]。大渣分離破碎技術(shù)有益于減少鍋爐熱效率影響。

(5)布置問題。輸送升角35°，布置受限[4]。

2 干排渣系統(tǒng)

2.1 干排渣系統(tǒng)發(fā)展

干排渣技術(shù)由日本川崎重工株式會(huì)社發(fā)明，原理是采用空氣對(duì)高溫爐渣進(jìn)行冷卻，但未得到實(shí)際應(yīng)用。美國(guó)UCC公司的PAXTM干式負(fù)壓爐底除渣系統(tǒng)，是以高溫碎渣機(jī)及氣力輸送為關(guān)鍵設(shè)備的干排渣系統(tǒng)，目前在美國(guó)有少量業(yè)績(jī)，也沒有得到推廣。市場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用的干渣系統(tǒng)設(shè)備主要有三種類型，根據(jù)核心設(shè)備干渣機(jī)結(jié)構(gòu)方式和原理分為：鋼帶(網(wǎng)帶)干渣機(jī)、鏈板(履帶)干渣機(jī)和鱗斗干渣機(jī)。

鋼帶干渣機(jī)由意大利MAGALDI公司在1985年研制，90年代初被國(guó)際市場(chǎng)認(rèn)可；2000年后我國(guó)開始自主研發(fā)鋼帶干渣機(jī)，并迅速在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。鏈板干渣機(jī)由英國(guó)克萊德貝爾格曼公司在1997年研制開發(fā)，自2006年上半年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)并得到較多應(yīng)用[8]。鱗斗干渣機(jī)由中國(guó)青島達(dá)能環(huán)保股份有限公司在2012年自主研發(fā)，是最新技術(shù)干式排渣機(jī)，近五年占據(jù)新建機(jī)組50%市場(chǎng)份額[9-10]。

2.2 干排渣系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

(1)節(jié)水?？绽錈o(wú)水耗，在世界缺水地區(qū)具有巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

(2)節(jié)能。系統(tǒng)耗電少，運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)低。

(3)余熱回收?；厥諣t底熱量提高鍋爐熱效率。

(4)底渣利用。殘?zhí)寄芾^續(xù)燃燒，底渣有活性，可制造水泥、加氣磚、鋪路等。

(5)安全環(huán)保。無(wú)水爆、水汽腐蝕、水污染等危害[6-12]。

2.3 干排渣系統(tǒng)不足

(1)降低鍋爐效率[13-15]。干排渣系統(tǒng)最大的爭(zhēng)議就是鍋爐熱效率，有的工程提高爐效，有的降低爐效；降低爐效主要原因有：①部分產(chǎn)品技術(shù)落后，產(chǎn)品質(zhì)量差、配置低，導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定，故障時(shí)人工排渣打開過多人孔門，冷卻空氣不受控；②傳統(tǒng)控風(fēng)方式和冷卻技術(shù)問題；③檢修維護(hù)人員采用外包制度，部分技能弱和管理不到位。通過選用先進(jìn)技術(shù)、優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，提高管理技能等可解決此問題[6-16]。

(2)設(shè)備問題。大出力時(shí)，網(wǎng)帶機(jī)會(huì)打滑、跑偏[17]，尤其是長(zhǎng)距離干渣機(jī)；鏈板變形卡塞、脫開并導(dǎo)致干渣機(jī)過流跳閘，圓環(huán)鏈、接手易磨損、冷卻效果差，維護(hù)量大等問題[18-19]。

(3)布置問題。升角33°，布置受到限制[4]。

3 按煤質(zhì)選型

3.1 選型分析

爐渣渣量和結(jié)焦程度是選擇爐渣處理系統(tǒng)的最重要指標(biāo)，按表2選型。無(wú)論是濕排渣還是干排渣，在處理易結(jié)焦煤時(shí)，應(yīng)配置大渣分離破碎裝置(液壓破碎關(guān)斷門，水平對(duì)擠式)代替液壓關(guān)斷門(垂直搖臂式)。

表2 爐渣系統(tǒng)按煤質(zhì)選型表

結(jié)焦程度可按如下三種方法判定。

3.2 按ST和Qnet，v，ar判定結(jié)焦性

ST和Qnet，v，ar判定結(jié)焦性，見表3。

表3 按ST和Qnet，v，ar判定結(jié)焦性界定[1]

3.3 按煤灰成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)判定結(jié)焦性

按煤灰成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)判定結(jié)焦性，見表4。

表4 按煤灰成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)判定結(jié)焦性界定

Rz=1.24RBA+0.28R-2.3×10-3ST-19×

10-3Sp+5.4

其中按各物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算。

RBA=[ω(Fe2O3)+ω(CaO)+ω(MgO)+

ω(Na2O)+ω(k2O)]/[ω(SiO2)+

ω(Al2O3)+ω(TiO2)]，

R=[ω(SiO2)/ω(Al2O3)]，

Sp=100ω(SiO2)/[ω(SiO2)+

ω(Fe2O3)+ω(CaO)+ω(MgO)+

1.11ω(FeO)+1.43ω(Fe)]

3.4 按煤灰粘度特征判定

FT-ST>200 ℃長(zhǎng)渣，灰渣的液態(tài)和固態(tài)共存時(shí)間長(zhǎng)容易結(jié)焦；FT-ST<100 ℃為短渣[22]。

3.5 濕排渣工程應(yīng)用

表5是濕式刮板撈渣機(jī)系統(tǒng)配置大渣分離破碎技術(shù)在易結(jié)焦煤質(zhì)近幾年應(yīng)用業(yè)績(jī)表，項(xiàng)目均由我國(guó)西北電力院設(shè)計(jì)或總包。由表可以得出，在缺水地區(qū)濕式排渣技術(shù)也有應(yīng)用。

3.6 干排渣工程應(yīng)用

表6是干式排渣系統(tǒng)配置大渣分離破碎裝置在易結(jié)焦煤質(zhì)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)表，均采用大渣分離破碎技術(shù)。分析得，無(wú)論褐煤、煙煤、貧煤、無(wú)煙煤，灰分高低程度，結(jié)焦程度等，業(yè)主和設(shè)計(jì)院更愿意采用節(jié)水節(jié)能的干排渣系統(tǒng)。東南亞水資源豐富的國(guó)家目前也大量采用干排渣系統(tǒng)。

表5 大渣分離破碎裝置濕排渣業(yè)績(jī)表

表6 干排渣技術(shù)應(yīng)用于結(jié)焦煤質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

4 按布置結(jié)構(gòu)選型

4.1 布置結(jié)構(gòu)分類

爐渣系統(tǒng)主要布置結(jié)構(gòu)可分為：一級(jí)進(jìn)倉(cāng)、二級(jí)進(jìn)倉(cāng)、斗提機(jī)進(jìn)倉(cāng)。濕排渣系統(tǒng)中，受冬季溫度影響，斗提機(jī)進(jìn)倉(cāng)應(yīng)用很少。干排渣系統(tǒng)中，氣力輸送進(jìn)倉(cāng)形式應(yīng)用也較少。

4.2 濕排渣布置結(jié)構(gòu)

撈渣機(jī)一級(jí)進(jìn)倉(cāng)是目前最先進(jìn)布置形式，除了空間受限的改造系統(tǒng)外，均采用一級(jí)進(jìn)倉(cāng)，見表7。

表7 部分長(zhǎng)距離一級(jí)進(jìn)倉(cāng)濕排渣業(yè)績(jī)

4.3 干排渣布置結(jié)構(gòu)

干渣機(jī)種類較多，布置結(jié)構(gòu)較靈活。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近五年的部分招標(biāo)信息總結(jié)見表8。

表8 部分干排渣系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表8

電廠名稱及機(jī)組號(hào)機(jī)組/MW長(zhǎng)度/m出力/t·h-1升角/°布置結(jié)構(gòu)山東莒南力源熱電350483～835一級(jí)山東莒南力源二期350483～835一級(jí)酒鋼集團(tuán)酒嘉風(fēng)電350506～1530一級(jí)華能仙人島發(fā)電廠368 t/h28/203～830/90斗提山東鵬翔集團(tuán)臨淄320 t/h20/301.5～530/35兩級(jí)江陰熱電有限公司220 t/h192～630一級(jí)錫林郭勒盟東烏旗170 t/h22/182.5～1038/90斗提

總結(jié)見表9，得干渣機(jī)一級(jí)進(jìn)倉(cāng)也是主流的布置結(jié)構(gòu)，且許多斗提機(jī)進(jìn)倉(cāng)已改造為一級(jí)進(jìn)倉(cāng)[10]。

表9 布置結(jié)構(gòu)總結(jié)分析

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)撈渣機(jī)濕式排渣和干渣機(jī)干式排渣技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)和不足，可根據(jù)實(shí)際需求靈活選用具有先進(jìn)技術(shù)的高質(zhì)量產(chǎn)品。

(2)根據(jù)濕與干排渣系統(tǒng)特點(diǎn)選型時(shí)，缺水地區(qū)優(yōu)選干排渣技術(shù)；富水地區(qū)可選擇濕排渣技術(shù)，應(yīng)采用零排放，優(yōu)選零溢流技術(shù)。

(3)按煤質(zhì)選型，無(wú)論褐煤、煙煤、貧煤、無(wú)煙煤，灰分高低程度，結(jié)焦程度等，均可選用干排渣系統(tǒng)；濕式和干式排渣系統(tǒng)均應(yīng)采用大渣分離破碎技術(shù)。

(4)按布置結(jié)構(gòu)選型，濕式和干式排渣系統(tǒng)，均優(yōu)選一級(jí)進(jìn)倉(cāng)布置結(jié)構(gòu)。