爐渣處理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與解決方案

張光榮，李蜀生，趙世澤，王 勇，于永強，張洪濤 ，王 杏

(1.青島達能環(huán)保設(shè)備股份有限公司，青島 266300；2.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250000)

0 引 言

爐渣也稱“爐底渣”，是固體燃料在鍋爐等燃燒設(shè)備的爐膛中燃燒后，從爐底出渣口排出的灰渣[1]。爐渣是我國主要大宗工業(yè)固體廢物之一，2019年12月，生態(tài)環(huán)保部發(fā)布的《全國大、中城市固體廢物污染環(huán)境防治年報》中提到：2018年，重點發(fā)表調(diào)查工業(yè)企業(yè)的爐渣產(chǎn)生量為3.1億噸，占重點發(fā)表調(diào)查工業(yè)企業(yè)一般固體廢物產(chǎn)生量的9.6%。爐渣產(chǎn)生量最大的行業(yè)是電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)，其產(chǎn)生量為1.6億噸；我國工業(yè)固體廢物爐渣產(chǎn)生量約等于我國200個大、中城市生活垃圾總量的1.48倍。

2019年底全國全口徑發(fā)電裝機容量20.1億kW，火電裝機容量11.9億kW占59.2%，位于世界之首[2]；據(jù)不完全統(tǒng)計，我國火電裝機鍋爐約3 200臺套，其中干式除渣系統(tǒng)約910余套[3]。

1 國外爐渣處理系統(tǒng)發(fā)展概況

鍋爐除渣(排渣)系統(tǒng)包括水力除渣、機械除渣、氣力除渣；其中機械除渣又包括卷揚機牽引有軌小車、螺旋除渣機、馬丁除渣機、斜輪除渣機、撈渣機、干渣機[4]。

電站鍋爐領(lǐng)域爐渣處理系統(tǒng)有水力和機械除渣系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用的技術(shù)有三類：①WAH水力除渣系統(tǒng)，上世紀(jì)40年代初，美國采用了水力除渣技術(shù)處理鍋爐灰渣，基本原理是爐底設(shè)置水浸式除渣斗，渣斗出口設(shè)置碎渣機，破碎后的爐渣再經(jīng)水力噴射器利用水力運輸至渣池；系統(tǒng)間斷運行[5]。②SSC刮板撈渣機除渣系統(tǒng)，1957年西德采用焊接鏈環(huán)和刮板在水艙里沿著固定滑槽移動帶走灰渣的刮板撈渣機技術(shù)，系統(tǒng)連續(xù)運行[6]。③MAC風(fēng)冷干式除渣系統(tǒng)，1985年意大利MAGALDI公司研制并在意大利Pietaficta電站2×35 MW燃煤機組應(yīng)用[7]。

表1 爐渣處理系統(tǒng)發(fā)展

西歐法國、波蘭、南斯拉夫等火電廠鍋爐除渣是以SSC為主。北美在八十年代雖尚以WAH為主，但SSC依據(jù)其更優(yōu)的技術(shù)參數(shù)和性能慢慢發(fā)展壯大；美國巴布考克·威爾科克斯(Babcock&Wilcox)公司早在1967年便引進了西德巴布考克集團(Deutsch Babcock Group.)的SSC技術(shù)，該技術(shù)在美國占據(jù)了60%的市場，該公司原在泰國設(shè)計的WAH式除渣也改為SSC式除渣了；美國CE(Combustion-Engineering)、UCC(United ConveryorCorporation)、艾侖(Allen-Allen-Sherman-Hoff)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)，并一致肯定SSC比WAH優(yōu)越，CE公司還認(rèn)為SSC技術(shù)是電站渣灰處理原理的創(chuàng)新。日本三菱、東工、石川島插磨等重工公司的SSC技術(shù)發(fā)展也很快；南非40臺400 t/h鍋爐和6臺600 MW機原訂WAH式除渣，后也改為SSC式。發(fā)展至今，刮板撈渣機除渣系統(tǒng)是最典型、可靠的濕式除渣系統(tǒng)技術(shù)。

MAC干渣技術(shù)與水力和SSC技術(shù)不同，是采用風(fēng)冷卻熱爐渣，回收爐底余熱返回鍋爐應(yīng)用，該技術(shù)在美國、希臘、西班牙等國的燃煤電廠廣泛使用。1997年，英國克萊德貝爾格曼電力集團研發(fā)的DRYCON鏈板式(履帶)干除渣技術(shù)開始投入商業(yè)運行，也得到廣泛應(yīng)用[7]。

SSC和干除渣技術(shù)的主要應(yīng)用市場和技術(shù)發(fā)展進步都在我國。

2 我國爐渣處理系統(tǒng)發(fā)展

我國鍋爐爐渣處理系統(tǒng)是隨著電力及電站裝備一起發(fā)展的。從建國初期到上世紀(jì)50年代末，是我國電站鍋爐發(fā)展的初始階段。從無到有，依賴前蘇聯(lián)、捷克斯洛伐克、波蘭等國的技術(shù)。在國家投資、全國各地支援并在前蘇聯(lián)及捷克斯洛伐克的援助下建立了以大型電站鍋爐生產(chǎn)為主的哈爾濱鍋爐廠和上海鍋爐廠，以中、低壓鍋爐生產(chǎn)為主的武漢鍋爐廠。1960 年到1980 年的20年中，我國的鍋爐制造業(yè)發(fā)揚獨立自主、自力更生的精神，設(shè)計技術(shù)、制造工藝、生產(chǎn)裝備都得到明顯的提高。隨著我國工業(yè)發(fā)展，東方鍋爐廠從四川盆地崛起，在我國迅速形成哈爾濱、上海、東方三大鍋爐集團及武漢鍋爐集團共同發(fā)展的格局[8]。

1974年元寶山發(fā)電廠全套引進了我國首臺300 MW發(fā)電機組，隨主機配套刮板撈渣機濕式爐渣處理系統(tǒng)；八十年以來，上海鍋爐廠、哈爾濱鍋爐廠等開始研制670 t/h和1 000 t/h鍋爐配套的刮板撈渣機系統(tǒng)，單爐配置兩臺刮板撈渣機，直到1998年，由青島四洲公司開發(fā)了300 MW一爐一機，相繼在貴州安順電廠、西柏坡發(fā)電廠等投運[10]，隨后國內(nèi)又將600 MW和1 000 MW撈渣機國產(chǎn)化。但到目前，SSC刮板撈渣機核心部件“圓環(huán)鏈條”在大型機組中仍依靠進口。2019年青達環(huán)保公司開發(fā)了模鍛鏈刮板撈渣機并成功投入商業(yè)運行。

1999年，我國河北三河2×350 MW燃煤電廠首次引進了意大利MAC干式除渣技術(shù)。2000年后，我國開始研制鋼帶干渣機并用于100 MW和200 MW燃煤機組。2006年克萊德DRYCON技術(shù)進入中國市場；2007年由國網(wǎng)北京電力建設(shè)研究院和華能集團聯(lián)合研發(fā)的國產(chǎn)大容量風(fēng)冷型干排渣技術(shù)成功用于華能上安300 MW和華能伊敏500 MW機組[7]。2009年由原阿爾斯通四洲公司研發(fā)的網(wǎng)帶干渣機成功在山西軒崗660 MW投運。2013年由青達環(huán)保公司自主研發(fā)的鱗斗干渣機在神華哈密大南湖350 MW機組正式投入商業(yè)運行[9]。

3 爐渣處理系統(tǒng)主要技術(shù)

3.1 主要技術(shù)節(jié)點

爐渣處理系統(tǒng)重大技術(shù)發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：①起步階段，主要是在歐美工業(yè)發(fā)達國家，隨著鍋爐的發(fā)展而發(fā)展；②大范圍推廣應(yīng)用階段，發(fā)達國家技術(shù)輸出到發(fā)展中國家，全球范圍內(nèi)大力推廣發(fā)展；③節(jié)能環(huán)保技術(shù)創(chuàng)新階段，主要是在中國，中國具有龐大的市場，隨著中國經(jīng)濟發(fā)展和節(jié)能環(huán)保要求提高，不斷出現(xiàn)技術(shù)革新。總結(jié)主要技術(shù)發(fā)展節(jié)點見表2。

表2 爐渣處理系統(tǒng)主要技術(shù)節(jié)點

3.2 主要技術(shù)分類

爐渣處理系統(tǒng)按冷卻方式分為水冷和空冷，即濕式和干式；按輸送方式不同，又分為水力輸送、機械輸送等，氣力輸送爐渣目前應(yīng)用較少，見表3。

表3 爐渣處理系統(tǒng)分類

由上表可以看出，水力除渣技術(shù)較少，濕式和干式機械除渣技術(shù)較多，也是目前最先進技術(shù)。

3.3 主要技術(shù)工作流程

爐渣處理系統(tǒng)主要技術(shù)的典型工作工藝流程詳見表4。

表4 爐渣處理系統(tǒng)典型工藝流程

3.4 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)上述分析知爐渣處理系統(tǒng)按冷卻方式分為濕式水冷和干式空冷；水冷分為冷卻水溢流和零溢流，空冷又分為自然空氣表面換熱和風(fēng)機驅(qū)動冷風(fēng)穿透換熱，見表5。

表5 爐渣處理系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

4 技術(shù)主要問題

4.1 爐渣與渣水成份

爐渣的主要成份有SiO2、Al2O3和Fe2O3等[13]，總結(jié)我國不同地區(qū)爐渣成份見表6。

表6 我國不同地區(qū)爐渣主要成份表

國內(nèi)對粉煤灰(爐飛灰和爐底渣)污水做了大量研究。綠色和平估算，中國火電行業(yè)一年排放的粉煤灰中共含有鎘358.75 t、鉻10 054.25 t、砷9 410 t、汞4.25 t和鉛5 345.5 t，總計約2.5萬t。長時間的水浸泡令粉煤灰中的重金屬等有害物質(zhì)滲入水中，產(chǎn)生的污水對附近的淺層地下水和地表水造成污染。對6家火電廠灰場附近的地表水進行檢測，其中有4家檢測的項目濃度超過了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》；相比《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，陡河電廠的氟化物超標(biāo)233%，赤峰熱電廠的氟化物超標(biāo)187%；相比《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，陡河電廠的氟化物超標(biāo)67%，赤峰熱電廠的硼超標(biāo)29%，氟化物超標(biāo)43%，豐鎮(zhèn)電廠的硼超標(biāo)400%，大同第二電廠的硼超標(biāo)17%。對8家火電廠灰場附近的地下井水進行了檢測，其中有3家檢測的項目濃度超過了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。其中，陡河電廠的硝酸鹽超標(biāo)36%，赤峰熱電廠的硼超標(biāo)80%，元寶山電廠的硼超標(biāo)270%，鉬超標(biāo)103%，硝酸鹽超標(biāo)74%，氟化物超標(biāo)180%[14]。

4.2 水力除渣系統(tǒng)

根據(jù)《粉煤灰綜合利用管理辦法(2013修訂)》第十二條，“……新建電廠應(yīng)以便于利用為原則，不得濕排粉煤灰”[15]?！痘痣姀S污染防治技術(shù)政策》“四、水污染防治”的第(1)條要求“火電廠水污染防治應(yīng)遵循分類處理、一水多用的原則。鼓勵火電廠實現(xiàn)廢水的循環(huán)使用不外排?！?/p>

水力除渣不符合環(huán)保要求，已經(jīng)淘汰。

4.3 圓環(huán)鏈撈渣機系統(tǒng)

現(xiàn)存市場量最多的爐渣處理系統(tǒng)是圓環(huán)鏈刮板撈渣機除渣系統(tǒng)，其主要問題總結(jié)見表7。

表7 圓環(huán)鏈撈渣機系統(tǒng)主要問題[16-20]

4.4 鋼帶干渣機系統(tǒng)

現(xiàn)存市場量最多的干式爐渣處理系統(tǒng)是鋼帶干渣機除渣系統(tǒng)，其主要問題總結(jié)見表8。

表8 鋼帶干渣機系統(tǒng)主要問題[21-25]

4.5 鏈板干渣機系統(tǒng)

鏈板干渣機除渣系統(tǒng)的主要問題見表9。

表9 鏈板干渣機系統(tǒng)主要問題[26-27]

5 技術(shù)問題解決方案

5.1 思路分析

提高產(chǎn)品制造和維護質(zhì)量，細(xì)化量化技術(shù)參數(shù)，可一定程度緩解問題，提高設(shè)備壽命。要從根本上避免問題，應(yīng)進行技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)升級。

5.2 圓環(huán)鏈撈渣機系統(tǒng)解決方案

采用模鍛鏈刮板撈渣機除渣系統(tǒng)解決[28-29]，見表10。

表10 解決方案

5.3 鋼帶干渣機系統(tǒng)解決方案

采用鱗斗干渣機除渣系統(tǒng)解決[30]，見表11。

表11 解決方案

5.4 鏈板干渣機系統(tǒng)解決方案

其傳動鏈條采用圓環(huán)鏈，問題與撈渣機相似，采用鱗斗干渣機除渣系統(tǒng)可解決，見表12[30]。

表12 解決方案

6 結(jié)束語

(1)總結(jié)了國外和我國爐渣處理系統(tǒng)發(fā)展歷程。

(2)概況了爐渣處理系統(tǒng)的主要技術(shù)發(fā)展節(jié)點、技術(shù)分類、工作流程和主要技術(shù)參數(shù)。

(3)分析了水力、圓環(huán)鏈撈渣機、鋼帶干渣機、鏈板干渣機除渣系統(tǒng)主要問題。

(4)采用模鍛鏈撈渣機除渣系統(tǒng)、鱗斗干渣機除渣系統(tǒng)可解決傳統(tǒng)技術(shù)問題。