干式排渣在大型電站鍋爐上的運(yùn)行特性分析

董信光，李洪濤，冷成崗，李德功

（1．山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250002；2．華電鄒縣發(fā)電廠，山東 鄒縣 273522）

0 引言

水力除渣是電站燃煤鍋爐已經(jīng)應(yīng)用多年的排渣技術(shù)，并且經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)有所改進(jìn)，但是缺點(diǎn)仍較明顯：耗費(fèi)水資源，渣含碳量高、活性差、綜合利用價(jià)值低，系統(tǒng)復(fù)雜，占地面積大，廠用電高等。而鍋爐干排渣技術(shù)是在80年代中期由意大利MAGALDI公司發(fā)展起來(lái)，利用耐熱不銹鋼絲編織的鋼帶來(lái)輸送和冷卻熾熱底渣，該設(shè)備不需要冷卻水，改變了火電廠傳統(tǒng)的水力除渣方式，實(shí)現(xiàn)了無(wú)污水排放，避免了由于除渣水的重復(fù)利用而引發(fā)的許多問(wèn)題，如灰渣中氧化鈣含量高時(shí)引發(fā)的設(shè)備及管道結(jié)垢、除渣水的冷卻、澄清和再利用等問(wèn)題。對(duì)于水力除渣改造為干式排渣的鍋爐來(lái)說(shuō)，鍋爐的運(yùn)行特性發(fā)生較大改變，但是目前對(duì)于這些變化還沒(méi)有系統(tǒng)、全面地分析，影響了干式排渣優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。為了提高干式排渣改造鍋爐的安全可靠性，需要對(duì)干式排渣鍋爐的運(yùn)行特性進(jìn)行深入分析和優(yōu)化。

1 干式排渣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

1.1 干式排渣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

干式排渣系統(tǒng)是由鋼帶輸渣機(jī)、出渣破碎系統(tǒng)和干渣輸送系統(tǒng)組成，干式排渣流程如圖1所示。

圖1 干式排渣流程圖

鋼帶式輸渣機(jī)（圖2）是干式排渣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件和主要受力部件，抗拉、抗壓和抗斷裂能力很強(qiáng)，使用壽命可超過(guò)10萬(wàn)h，有些甚至可以達(dá)到30萬(wàn)h。輸送鋼帶的尾部滾筒設(shè)有自動(dòng)張緊裝置，整臺(tái)鋼帶式排渣機(jī)安裝時(shí)只有一個(gè)固定點(diǎn)，可沿固定點(diǎn)向四周自由膨脹。輸送鋼帶為平帶，不會(huì)被卡死，并且熱渣在上面冷卻和輸送，不與殼體直接接觸，不會(huì)對(duì)人身造成傷害，可以避免水力除渣系統(tǒng)的汽爆現(xiàn)象，避免了汽爆熄火造成的設(shè)備和人身事故，適應(yīng)大塊渣輸送。我國(guó)目前燃煤種類多、易結(jié)焦，對(duì)干式排渣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，增加了運(yùn)行攝像頭、隔柵和預(yù)破碎機(jī)等設(shè)備，使干式排渣系統(tǒng)更加穩(wěn)定、可靠運(yùn)行［1］。

圖2 鋼帶式除渣機(jī)示意圖

1.2 干式排渣機(jī)的工作原理

干式排渣機(jī)的工作原理簡(jiǎn)單說(shuō)就是用自然空氣代替水來(lái)冷卻渣。適量的自然風(fēng)在鍋爐爐膛負(fù)壓的作用下，進(jìn)入干式排渣機(jī)以及鍋爐喉部區(qū)域，冷空氣逆向與渣相混，將含有大量熱量的高溫渣冷卻為可以直接貯存和運(yùn)輸?shù)睦湓?。產(chǎn)生的熱風(fēng)進(jìn)入爐膛，冷卻后的渣由不銹鋼輸送帶輸出。

從干式排渣的基本原理可以看出，干式排渣機(jī)與傳統(tǒng)的刮板撈渣機(jī)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是冷渣介質(zhì)為空氣，不需要冷卻水，可節(jié)約用水；二是排出的渣為干渣，不降低渣的活性，有利于綜合利用；三是自然風(fēng)的引入，吸收了底渣的熱量以及鍋爐喉部的輻射熱，并可減少渣中未完全燃燒炭的含量，從而減少了鍋爐的熱量損失，有助于鍋爐效率的提高。

1.3 干渣的組成特性

由于干式排渣機(jī)不需要用水冷卻，干渣的化學(xué)和物理性性質(zhì)與濕渣有較大區(qū)別，表1是爐底干渣的化學(xué)成分表。

從表1可以看出，除了游離氧化鈣含量外，爐底干渣和Ⅱ煤粉灰粉煤灰的化學(xué)成分很接近。雖然表1中的Ⅱ煤粉灰屬于高鈣粉煤灰（氧化鈣中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于8%，游離氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%），但爐底干渣的游離氧化鈣含量卻比Ⅱ煤粉灰低得多。此外，爐底干渣中三氧化硫和氧化鎂的含量都較低。從化學(xué)分析來(lái)看，爐底干渣的安定性較好，能達(dá)到GB1596-91《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中Ⅱ煤粉灰的要求（燒失量不大于8%，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于1%，三氧化硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于3%）。

爐底干渣的礦物成分是鈣長(zhǎng)石（CaAl2Si2O8）、剛玉（α-Al2O3）、莫來(lái)石（Al6Si2O13）、少量的 α-石英、赤鐵礦和非晶體。而低鈣粉煤灰的礦物成分一般有莫來(lái)石、α-石英、方解石、鈣長(zhǎng)石、磁鐵礦、赤鐵礦和石膏及未燃盡的碳粒。說(shuō)明爐底干渣的礦物成分和低鈣粉煤灰比較接近。此外，爐底干渣的礦物成分幾乎不含有可能對(duì)水泥安定性造成影響的游離氧化鈣、石膏和方鎂石等礦物。

對(duì)微觀形貌進(jìn)行觀察，爐底干渣的顆粒形態(tài)以非晶質(zhì)相的空心微珠和無(wú)定形的碳粒為主，圖3所示。

圖3 爐底干渣微觀形貌圖

2 干式排渣系統(tǒng)的運(yùn)行特性分析優(yōu)化

2.1 干式排渣對(duì)鍋爐安全性影響的分析

由于干式除渣系統(tǒng)和水利除渣相比具有較多優(yōu)勢(shì)，目前許多火力發(fā)電廠將傳統(tǒng)的水利除渣方式改為干式除渣，但在排渣方式改變后，鍋爐的運(yùn)行特性也發(fā)生相應(yīng)的變化，加上入爐煤煤質(zhì)、燃燒調(diào)節(jié)方式等因素的影響，鍋爐運(yùn)行中出現(xiàn)了排煙溫度升高、爐底堆焦、干除渣設(shè)備異常等問(wèn)題，影響了機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［2－3］。

表1 爐底干渣的化學(xué)成分 %

目前已運(yùn)行的干式排渣系統(tǒng)存在的問(wèn)題：

1）干式排渣機(jī)冷卻風(fēng)量難調(diào)節(jié)，無(wú)法根據(jù)渣量調(diào)節(jié)出渣溫度。鍋爐實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于負(fù)荷變化、煤質(zhì)變化、鍋爐是否吹灰等因素影響，排渣量差別很大。為保證后續(xù)除渣設(shè)備能安全平穩(wěn)運(yùn)行，要求排渣溫度不能過(guò)高，因此冷卻風(fēng)往往按最大渣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而引起大部分時(shí)間里冷卻風(fēng)被加熱的溫度低于設(shè)計(jì)值，使鍋爐效率有所降低。

2）排渣機(jī)清掃鏈容易磨損。干渣機(jī)底部總是有積灰無(wú)法完全清理，刮板部分埋在積灰中運(yùn)動(dòng)，阻力大，直接磨損嚴(yán)重，同時(shí)造成鏈輪和環(huán)鏈負(fù)荷大增引起磨損。解決辦法是在刮板上增加滾輪，改滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦；開(kāi)啟底部側(cè)孔，通過(guò)爐膛負(fù)壓把積灰吹進(jìn)爐膛。

3）處理大渣量的問(wèn)題。目前干式排渣系統(tǒng)比較適合在渣量小于20 t/h的機(jī)組使用，當(dāng)排渣量過(guò)大時(shí)，排渣溫度往往達(dá)不到設(shè)計(jì)值。

4）處理軟渣的問(wèn)題。當(dāng)燒褐煤或灰熔點(diǎn)比較低的煤種時(shí)，出現(xiàn)由于渣的軟化溫度低，落到格柵上時(shí)還是軟的，擠壓頭擠不碎，造成積渣情況。

除渣機(jī)是主要輔機(jī)，其運(yùn)行狀態(tài)好壞對(duì)鍋爐的正常及連續(xù)運(yùn)行有著直接的影響。當(dāng)除渣機(jī)因故障而停止運(yùn)行時(shí)，燃煤產(chǎn)生的煤渣不能及時(shí)排出，將造成鍋爐爐排尾部煤渣堆積，最終迫使鍋爐停運(yùn)。

2.2 干式排渣對(duì)鍋爐經(jīng)濟(jì)性影響的分析

干式排渣過(guò)程中，穿過(guò)鍋爐下灰斗的熱量直接返回鍋爐，熱的灰渣與在鍋爐負(fù)壓作用下鋼帶機(jī)中逆流的冷卻空氣作用使灰渣再燃燒，同時(shí)回收了爐渣地物理顯熱，釋放的化學(xué)熱量和輻射熱進(jìn)入爐膛，未完全燃燒的熱損失下降，鍋爐效率提高［4］。

由于干式排渣需要的冷卻風(fēng)從爐底進(jìn)入，效果相當(dāng)于爐底漏風(fēng)，在鍋爐運(yùn)行氧量不變的情況下，空氣預(yù)熱器的通風(fēng)量減少，鍋爐的排煙溫度升高，使排煙熱損失增加，對(duì)鍋爐經(jīng)濟(jì)性的影響是負(fù)面的。

為了定量和精確測(cè)算干式排渣系統(tǒng)對(duì)鍋爐經(jīng)濟(jì)性的影響，采用試驗(yàn)測(cè)試：通過(guò)測(cè)量排渣機(jī)上通風(fēng)孔的風(fēng)速計(jì)算漏入爐內(nèi)的風(fēng)量，同時(shí)通過(guò)對(duì)通風(fēng)孔封堵的方式，改變干式排渣機(jī)的通風(fēng)量，對(duì)加熱后的熱空氣溫度采用在冷灰斗出口安裝鎧裝熱電偶測(cè)量，排渣溫度直接用紅外測(cè)溫儀測(cè)量。

測(cè)試在某電廠600 MW機(jī)組2 020 t/h的亞臨界壓力鍋爐的干式排渣系統(tǒng)上進(jìn)行。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4-6。

圖4 爐底漏風(fēng)率隨負(fù)荷的變化圖

圖5 爐底漏風(fēng)率對(duì)排煙溫度和熱風(fēng)溫度影響圖

圖6 爐底漏風(fēng)率對(duì)鍋爐效率影響趨勢(shì)圖

從圖4可以看出，由于干式排渣機(jī)的漏風(fēng)量是根據(jù)鍋爐在最大渣量的情況下設(shè)計(jì)，并且通風(fēng)孔開(kāi)度并不能調(diào)節(jié)，另一方面鍋爐負(fù)壓并不會(huì)隨著鍋爐負(fù)荷而變化，所以隨著鍋爐負(fù)荷的降低，干式排渣機(jī)的漏風(fēng)率是逐漸提高。

在圖5中，爐底漏風(fēng)率升高，熱風(fēng)溫度下降，排煙溫度升高；排煙溫度升高的幅度小于熱風(fēng)溫度升高的幅度。

干除渣會(huì)造成爐底漏風(fēng)率升高，在保證鍋爐運(yùn)行氧量不變的情況下，空氣預(yù)熱器的通風(fēng)量減少，造成鍋爐的排煙溫度升高排煙熱損失增加；但由干除渣漏入的冷卻風(fēng)可以回收爐渣的物理顯熱及爐渣內(nèi)的可燃物減少。圖6是爐底漏風(fēng)率對(duì)鍋爐效率的影響趨勢(shì)，在漏風(fēng)率較小時(shí)，隨著爐底漏風(fēng)率升高鍋爐效率也升高，當(dāng)爐底漏風(fēng)率大于0.75%時(shí)，鍋爐效率開(kāi)始降低。因此，可以看出存在一個(gè)最佳爐底漏風(fēng)率。在確定最佳漏風(fēng)率時(shí)，要綜合測(cè)算：漏風(fēng)使鍋爐排煙溫度升高，排煙熱損失增加；爐底漏風(fēng)可以回收爐渣地物理熱，減少爐渣地物理熱損失；爐底漏風(fēng)可以使未燃盡的小顆粒爐渣在鋼帶上繼續(xù)燃燒，從而減少爐渣的可燃物含量，減少鍋爐的爐渣的固體未燃盡損失。

5 結(jié)語(yǔ)

將水力除渣改為干式除渣時(shí)火焰中心有所提高，會(huì)造成爐膛出口煙溫升高，要考慮鍋爐的容積熱負(fù)荷、爐膛高度和煤種的灰熔點(diǎn)等因素。

爐底干渣具有潛在的火山灰活性，化學(xué)成分與低鈣粉煤灰比較接近，有較好安定性，可代替砂用于制作輕質(zhì)墻體材料或直接作為水泥活性的混合材。

干式排渣方式具有節(jié)水、節(jié)電等優(yōu)勢(shì)，但是也存在漏風(fēng)量不能調(diào)節(jié)等一些問(wèn)題需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。

干式排渣機(jī)存在一個(gè)最佳的爐底漏風(fēng)率。在一定的負(fù)荷下，存在一個(gè)合理的漏風(fēng)率，在小于這個(gè)漏風(fēng)率時(shí)，干除渣對(duì)鍋爐經(jīng)濟(jì)型的影響是正面的，當(dāng)漏風(fēng)率大于最佳的漏風(fēng)率時(shí)，鍋爐的經(jīng)濟(jì)性降低。