冷渣机在流化床锅炉炉底渣的排放与冷却装置的选择

冷渣机在流化床锅炉炉底渣的排放与冷却装置的选择毛鸿禧彭建泰余广才张吉堂张冲辛奇云鞠京杰[内容提要]本文在回顾流化床锅炉炉底渣的排放与冷却的研制发展过程并对其进行分类之后，从传热、冷却介质、余热回收、改善流化质量、促进燃烧以及确保流化床锅炉安全、经济地长期稳定运行等各方面因素对各种炉底渣的排放与冷却装置进行评价，以选择出合理的炉底渣排放和冷却装置。并推荐选用QD型气动连续自动排渣器及SC型气槽式冷渣机，其各项技术经济指标均优于现有的其它各型同类产品。[关键词]炉底渣排放冷却1、前言:“中华人民共和国节约能源法”第39条明确规定：鼓励和发展适应我国煤种的各种流化床锅炉。目前，我国已有各种流化床锅炉（包括BFBC&CFBC）3000余台，25MW级的FBC技术已经成熟，50MW级的CFBC已投入运行，100MW级正在试制，200MW级的CFBC的研制工作也已提上议事日程。预计，进入二十一世纪，流化床锅炉的数量每年将会以10%以上的速度增长。在流化床锅炉的发展过程中，由于燃烧宽筛分的煤，扬析所造成的燃烧与脱硫效率低，已引起国内外科技人员的广泛重视，鼓泡床的燃尽措施层出不穷；循环流化床的循环方式不断推陈出新。但大颗粒的沉积形成的炉底渣（俗称冷渣）带来流化质量的恶化，燃烧与脱硫效率的降低，结焦等问题仍未彻底解决，它是循环流化床锅炉大型化过程中必须解决的另一新的课题。与飞灰收集及其返回装置一样，炉底渣的排放与冷却装置应成为流化床锅炉不可分割的组成部分。本文将从冷渣机研制的发展过程对各种冷渣进行评价，以期选择出合理的炉底渣排放与冷却设备。2、冷渣机的发展概况：对流化床锅炉炉底渣的冷却进行研究始自二十世纪六十年代末，由烧劣质燃料的中小型溢流式鼓泡床锅炉的溢流渣的综合利用开始的1）。那时，国内科技界曾用各种冷却方式对溢流渣的冷却做了大量的试验与研究，取得令人瞩目的可喜成果。表1及表2反映了二十世纪七十年代和八十年代研究的主要成果2）。在七五期间，国家还将其列入七五重点科技攻关项目。在立项过程中，对几种冷却方案进行比较之后（见表3），为了适应大型化的需要，选择了浅床流态化冷却方式进行了重点攻关，得出热回收率为89.2%的结果3），4）。虽然这些成果形成产品在市场上销售者寮寮，但对今天研究炉底渣的冷却很有帮助。在这一阶段，科技界几乎都寄希望于具有传热效率高和热回收率高的流态化的冷却方式。表1几种间接冷却方案的技术经济指标2）冷却方案单管式搁管式绞笼式流化床式传热系数（W/m2*K）10101070250余热回收率（%）1020204030505868磨损情况较轻较轻重重表2几种风冷却方案的技术经济比较2）移动床流化床Z-型+浅床气力输送流化移动叠置有效余热回收率30604065407075(40)6580风渣比（Nm3/Kg）0.81.52.5311.83.54.51.72.3风压降（Pa）约2500约6000约2500约500约5000相对风机电耗14.561.520.81.23.54磨损情况轻重轻重轻分选功能无有无有有注：括号内的数椐指经过水封出渣室时的回收率。进入二十世纪九十年代，国家重点发展循环流化床锅炉，对炉底渣的排放与冷却的要求愈来愈迫切。九十年代中期，一些企业推出了螺旋式和滚筒式冷渣机供应市场，但暴露出来的问题不少。与此同时，国外供货商对中国的冷渣机市场虎视耽耽，某煤矸石电厂曾利用日本政府贷款引进一台螺旋式冷渣机，由于使用效果不好，现已被废弃；某电厂从美国引进一台流化床锅炉，配有螺旋式冷渣机，使用效果也不理想；某外商在北京设立办事处，推销其双螺旋式冷渣机，售价为810万美元一台；某锅炉制造厂从美国购买了一项鼓泡床冷渣机专利，其体积过于庞大，很难受到青睐。综上所述，纵观近三十年我国流化床锅炉冷渣设备的探索、试验和实践，已积累了十分宝贵的经验，应该说从技术、经济各方面的条件已经成熟，现在需要企业家们与科技人员密切合作，共同开发出拥有自主知识产权的冷渣机名牌产品，不但要占领中国市场，还应打进国际市场。面对这种形势，我们于九十年代后期，推出了SC系列气槽式冷渣机（专利号：99233978.2）5），表4为九十年代国内推出的几种冷渣机的特性指标6），7）。表3冷却渣量为1（t/h）的四种冷却方案的技术经济比较表3），4）参数冷却方案滚筒型浅床流态化型热管型风冷动态填充床型渣温（C）进口850850850850出口200200245200风温（C）进口20302030出口300180143250冷却风量(Nm3/h)1612.5307230932039体积传热系数(Kcal/m3hC)2764520.887661045渣仃留时间(min)228.53050外形尺寸(宽*长*高)(m)0.914*9.140.7*1.6*1.52.4*1.71.1*1.03*2.63钢耗(t钢/t渣)3.310.6360.890.75动力消耗(Kwh/t渣)4.111.55.010.0投资回收期(年)2.041.681.11.85表4二十世纪九十年代我国推出的几种冷渣机性能及消耗指标比较表5），6），7）序号冷渣机名称冷渣量(t/h)出口渣温(℃)冷却风量(m2/h)出口风温(℃)冷却水量(t/h)出口水温(℃)传热系数(kcal/m2h℃)钢耗(t钢/t渣)电耗(kw/tm)1螺旋水冷式4200//28.065102.752滚筒式:风冷风水冷抛洒风水冷1532002001501613150080030070200/20.012.0/5575276*)3.41.24.11.10.733气槽式480410017014.9651000.462.5注：*)为容积放热系数，Kcal/m3h℃.3、冷渣机的分类：由上述冷渣机的发展历史可以看出，冷渣机的的种类很多。下面按不同分类方法对其进行分类，并评价其优缺点。1）按水是否直接与热渣接触分类：a)湿法冷渣方式，将热渣直接放入水中冷却，如冷渣池，在炉底渣排渣管的下方，设置一大的密封水池，将炉底渣直接排入池内进行冷却。这种冷渣方式的冷却效果好，但热渣经水浸泡后渣的反应活性被破坏，降低了渣的综合利用价值。再者存在水的二次污染，若冷却水循环使用，投资大，用水量也不少。目前使用这种冷却方式的企业不多。b）干法冷渣方式，渣在冷却过程中不与水直接接触。这样，渣的反应活性不被破坏，也没有水的二次污染，有有利于环境保护，现在各企业均是使用这类冷渣设备。它的种类很多，分述如下：搁管式冷渣机，管子固定，热渣在管内或管间流动。有单管和多管之分，前者是热渣在管内流动，被管壳夹套中的水进行冷却；后者是热渣在管间流动，被管内流动的水所冷却。螺旋式冷渣机，有单螺旋和双螺旋两种。热渣在螺旋叶片间被推进时，被转动轴内及外壳夹层中的水进行冷却。振动式冷渣机，热渣在被振动推进过程中，一方面被振动槽的水夹套所冷却；同时，热渣敞开于大气，被自然冷却。滚筒式冷渣机，有风冷及风水冷两种，前者是热渣送入具有一定倾角的旋转的滚筒而运动的过程中被强制送入的风所冷却；后者除此之外，还在滚筒的外壳装有水夹套对热渣进行冷却。为了提高冷却效率，有的在热渣的入口处加上一块抛洒板，以增加热渣与风及水冷壁的接触。移动床式冷渣机，热渣不是依靠支撑物的运动而流动，而是依靠重力或其它力的推动，与冷却元件作相对移动，且相互一次接触而被冷却。前述多管搁管式就是最简单的移动床；还有分段直接配风式冷渣器亦属此例。流化床式冷渣机，这类装置品种较多，但基本的形式不外乎鼓泡床式和密孔板式两种。在此基础上派生出Z型、塔式、叠置式及多床式等。其中，美国FosterWheeler多鼓泡床式用的是风、水两种介质冷却；其它装置多数是以风冷为主，企图取代空气预热器。气槽式冷渣机，它是在喷泉床的基础上进行改进形成气槽的一种新型冷渣机，热渣在气槽中被冷，采用风、水两种介质冷却，前者用于形成气槽兼冷却，后者只用于冷却目的。气力输送式冷渣机，这种装置是在气力输送渣的过程中，对热渣进行冷却。2）按渣的运动方式分类：a）自重式：渣在冷却过程中的运动，是依靠渣的自身重力来完成的，不需要额外增加动力消耗。如前述的冷渣池和搁管式冷渣机均属此类。前者冷却效果好，但有污染和破坏渣的活性；后者冷却效果差。b）动力式：渣在冷却过程中的运动，是依靠渣的外加动力来完成的，需要额外增加动力消耗。由于施加的动力方式不同，其冷却效果与动力消耗量的差别较大。机械推动式：热渣在冷渣机内冷却过程中的运动，是依靠机械转动或振动来完成的。如螺旋式冷渣机、振动式冷渣机和滚筒式冷渣机等。这类冷渣机的传热系数低，传热面积有限，冷却效果不理想；特别是转动或振动部件的机械故障较多。流化床式：渣在流化床内翻滚与工作空气直接接触，同时也与流化床内的埋管碰撞而被冷却。由于流化床具有强化传热的特点，已研制出许多以流化床为基础的冷渣设备。这类设备的共同缺点是动力消耗比机械推动式大。前述的移动床式、Z型流化床式、塔式流化床式、叠置流化床式、多流化床床式、气槽式以及气力输送式等都属于这类设备。正如表1表4指出的那样，利用流化的方式不同，动力消耗差别较大。3）按冷却介质分类：a)风冷，全部用风进行冷却。一般是风与渣直接接触，如风冷滚筒式，Z型、塔式、叠置流化床式及气力输送式等。也有间接冷却的，为了充分发挥流化床具有传热效率高的优势，在床内设埋管，空气在管内流动被加热，用作空气预热器。因空气的热容量较少，单纯的风冷需要的冷却空气量很大，动力消耗高，故使用者不多。b)水冷，有间接传热和直接接触传热两种，前者如搁管式和螺旋式等；后者只有冷渣池一种。如前所述，这类冷渣机已被淘汰。c)风、水冷，它充分发挥风、水两种冷却方式的优势，一般是风与热渣直接接触，水与热渣间接接触。目前大多数冷渣机都有是同时采用这种冷却方式。如风、水冷滚筒式，气槽式及多床式等。4）按传热方式分类：直接传热，热渣与冷却介质（空气或水）与直接接触的冷渣机均属此例。由于直接接触比间接接触的传热系数高，有条件时应尽可能选用直接接触传热。间接传热，热渣与冷却介质（空气或水）与不直接接触，通常，用水与热渣间接接触传热作为冷渣器的主要冷却手段，辅之以空气与热渣直接接触传热进行冷却较为有效，如气槽式冷渣机。5）按余热回收的用途分类：作省煤器用，凡间接接触的水冷的装置均可作省煤器用。作空气预热器用，凡用空气冷却的装置均可作此用途。分选，气槽式、流化床式和气力输送式均具有对渣粒进行分选的功能，只要设计合理，可将渣中细小颗粒分选出来送回炉内，或继续燃烬，或改善流化质量，促进完善燃烧。可见，每一种冷渣机都有其优缺点，究竟该如何选择符合自身要求的冷渣机呢？下面进一步讨论这一问题。4、冷渣机的选择：为了选择符合自己需要的冷渣机，首先应根椐自身情况确定选择冷渣机的原则。我们认为，选择冷渣机应遵循下述基本原则和要求：能及时、连续、高效地把排放出来的炉底渣迅速冷却到安全温度以下，这就要求冷渣机具有传热系数高和连续冷却的功能。运行故障少、检修工作量少，做到长期稳定、安全、可靠地运行。由于冷渣机的工作环境恶劣，应尽可能减少机械转动部件。能有效地回收炉底渣的余热，提高锅炉热效率；能改善流化质量，改善燃烧工况，提高锅炉燃烧效率；尽可能减少对环境的污染，保护环境；材料消耗少、成本低，体积小、电耗低，运行费用少；便于实现自动化、智能化和大型化。根椐这些原则选择出来的冷渣机，应成为流化床锅炉不可分割的有机组成部分。下面根椐这些原则就几个主要技术经济问题详细进行讨论。首先，比较传热性能。由表1、表3及表4可以看出，流化床、气力输送及气槽式三种方式的传热系数最高，螺旋式最小，前者的传热系数是后者的10倍以上。滚筒式略高于螺旋式。选择传热系数高的冷却方式，可以缩小冷渣设备体积，减少材料消耗，降低成本，有利于实现大型化。其次，比较动力消耗。分析表24所提供的数椐，并考察运行现场的实际情况，大致是气槽式、螺旋式和滚筒式属同一挡次的动