循環(huán)流化床鍋爐底渣余熱的高效利用

李建鋒 ，于 斌 ，豐 斌 ，李健奇 ，蔡新春 ，冷 杰 ，孫海軍 ，呂俊復(fù)

（1.中國電力企業(yè)聯(lián)合會，北京 100761；2.北京國電電力有限公司 薩拉齊電廠，內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭 014100；3.北京中電長峰節(jié)能科技有限公司，北京 100020；4.北京國科天迅科技有限公司，北京 100022；5.格盟國際能源有限公司，太原 030002；6.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，沈陽 110006；7.北京清新環(huán)境技術(shù)股份有限公司，北京 100142；8.清華大學(xué) 熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084）

0 前言

隨著我國政府對碳減排的日益重視，低碳發(fā)展將會成為趨勢，而低碳社會也將成為我國今后的主要發(fā)展目標。不過，就我國目前的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)來看，在一段時期內(nèi)，燃煤所具有的主導(dǎo)地位不會發(fā)生改變。

隨著原煤入選比例及洗選技術(shù)日益提高，在煤炭生產(chǎn)中所洗選出來的優(yōu)質(zhì)燃煤將會被大量用于煤化工、煤制油等產(chǎn)業(yè)［1］，以部分替代石油制品，降低我國的原油消耗及碳排放；與此同時，洗選過程將會產(chǎn)生大量的低熱值燃煤，由于循環(huán)流化床鍋爐所具有的燃煤適應(yīng)性廣和低排放特性，這些低熱值燃煤利用的主要途徑是采用循環(huán)流化床鍋爐機組燃燒發(fā)電。這種方式一方面充分利用了資源，降低了煤炭消耗；另一方面也給循環(huán)流化床鍋爐機組發(fā)展帶來了更大的空間［2］。

不過由于循環(huán)流化床鍋爐機組燃用煤的灰分較高，灰渣量很大，因此灰渣的物理熱損失比較高［3］，如不加以利用，將明顯影響鍋爐熱效率。所以對循環(huán)流化床鍋爐所排出的灰渣物理熱進行必要的回收利用可以顯著改善能源利用率，同時實現(xiàn)文明生產(chǎn)。

1 冷渣設(shè)備的主要型式

為了回收底渣的熱量，曾經(jīng)出現(xiàn)過各種類型的冷渣器［3-5］。經(jīng)過長期的實踐檢驗，CFB鍋爐使用的冷渣器從多種形式逐步集中成兩個主要類型：風水聯(lián)合冷渣器［6-7］和滾筒冷渣器［8-13］。二者在使用過程中優(yōu)缺點的比較如表1所示［14］。

表1 兩種冷渣設(shè)備優(yōu)缺點的比較Fig.1 Comparison of the advantages and disadvantages of two cold slag equipment

從表1中可以看出，兩種冷渣設(shè)備各有優(yōu)缺點。不過就目前市場的實際使用情況看，由于風水聯(lián)合冷渣器可靠性差且能耗較高，正在服役的風水聯(lián)合冷渣器數(shù)量較少，正處于被淘汰的狀態(tài)。

滾筒冷渣機盡管具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高的特點，但是其出水溫度較低，也在一定程度上影響了其能效指標。

2 底渣余熱兩級利用系統(tǒng)介紹

如表1所示，在使用過程中，風水聯(lián)合冷渣器的缺點主要是換熱管易磨損導(dǎo)致可靠性差，專設(shè)流化風機導(dǎo)致電耗較高，內(nèi)部布置換熱管導(dǎo)致大顆粒底渣容易堵塞結(jié)焦，冷卻水吸熱導(dǎo)致熱風溫度不高，以及與空氣預(yù)熱器搶風導(dǎo)致排煙溫度升高等。但是其優(yōu)點也很明顯，就是可以實現(xiàn)選擇性排渣回收細顆粒，同時回收熱量直接回送爐膛，降低燃料消耗等。

為了克服風水聯(lián)合冷渣器的缺點，可以采用以下方式改進：取消換熱管，避免了磨損、大顆粒底渣堵塞及風溫不高的問題；采用熱一次風作為流化風，不影響鍋爐的排煙溫度，改善其系統(tǒng)效率低的問題［14］。

但是，采用熱一次風作為流化風，一方面將會導(dǎo)致底渣冷卻能力不足，會造成排渣溫度很高；另一方面，底渣中沒有完全燃燒的碳粒可能會進一步燃燒，使得排渣溫度有所升高。為了進一步利用流化床冷渣器的排渣余熱，可以在流化床冷渣器的出口安裝滾筒冷渣機，利用凝結(jié)水吸收排渣余熱。由于滾筒冷渣機本身的出水溫度有限制，所以才有滾筒冷渣機進一步利用流化床冷渣器的排渣，以實現(xiàn)底渣余熱的能量梯級利用。二者相結(jié)合的底渣余熱兩級利用系統(tǒng)見圖1。

在圖1中，底渣由鍋爐爐膛排出之后首先進入流化床冷渣器內(nèi)被熱一次風冷卻降溫，在此過程中，由于底渣中有未燃盡碳粒，在遇到熱風之后這些碳粒會有一部分進一步燃燒放熱，因此在流化床冷渣器內(nèi)需要考慮該部分未燃盡碳粒的放熱。

圖1 底渣余熱兩級利用系統(tǒng)Fig.1 Two-stage utilization system of bottom slag waste heat

3 系統(tǒng)性能計算

3.1 系統(tǒng)熱效率

在如圖1所示的系統(tǒng)中，假定流化床鍋爐爐膛的排渣溫度為tash1，℃；流化床冷渣器的出渣溫度為tash2，℃；熱一次風溫度為tair1，℃；流化床冷渣器的出風溫度為tair2，℃。在忽略掉流化床冷渣器表面的散熱以及細顆?；厮秃螅敲戳骰怖湓鞯臒崞胶怅P(guān)系式為：

式中：mash為底渣流量，kg/s；cash為底渣比熱，k J/（kg·K）；ε為底渣燒失比例，即底渣中再次燃燒的未燃盡碳粒質(zhì)量與爐膛排渣量的比例；q為未燃盡碳粒的熱值，k J/kg；mair為熱一次風流量，kg/s；cair為空氣定壓比熱，kJ/（kg·℃）。

同樣地，假定滾筒冷渣機的排渣溫度為tashe，℃；滾筒冷渣機的凝結(jié)水進水溫度為tw1，℃；出水溫度為tw2，℃。在忽略滾筒冷渣機表面散熱后，滾筒冷渣機的熱平衡為：

式中：mw為凝結(jié)水流量，kg/s；cw為凝結(jié)水比熱，kJ/（kg·K）。

系統(tǒng)的總熱效率為：

式中：t0為環(huán)境溫度，℃；λ為底渣含碳量。

3.2 系統(tǒng)發(fā)電量增加值

式（3）給出了系統(tǒng)的熱效率，由于采用該系統(tǒng)后，底渣一部分熱量回送爐膛，另一部分熱量被凝結(jié)水帶走，所以其對機組發(fā)電量的影響并不相同。

假定機組的鍋爐效率為ηb，那么由流化床冷渣器送入爐膛內(nèi)的熱量所發(fā)電量為：

式中：Q1為流化床冷渣器回收的總熱量，kW；ηp為管道效率；ηs為汽輪機循環(huán)效率，其中，

式中，Qs為汽輪機熱耗率，k J/（kW·h）。

但是由于流化床冷渣器需要用熱一次風，在經(jīng)過冷渣器后作為鍋爐的二次風進入爐膛，那么與二次風相比，風機多耗電量為：

或者，

式中：V為流化風量，m3/s；p1、p2分別是一次風機與二次風機出口壓力，Pa；η1、η2分別是一次風機與二次風機運行效率；w1、w2分別是一次風機與二次風機單位能耗，k W/m3。

對滾筒冷渣機而言，由于回水溫度的差異，在其接入熱力系統(tǒng)不同位置時，帶來的收益也有不同，如圖2所示，滾筒冷渣機的出水可以接入任一低壓加熱器的出口。如需準確地計算滾筒冷渣機的能效指標，則要綜合考慮其對接入系統(tǒng)的影響，為了簡便計算，在本文中認為冷渣機所回收的熱量是對汽輪機抽汽熱量進行了等量替換，如圖3所示。

圖2 冷渣機接入熱力系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of roller slag cooler accessing thermal system

圖3 滾筒冷渣機能效計算示意圖Fig.3 Schematic diagram of energy efficiency calculation of drum slag cooler

在圖3中，ti（i=5，6，7，8，9）代表各級低壓加熱器的出口溫度和凝結(jié)水泵出口溫度，同時也代表滾筒冷渣機相應(yīng)的出水溫度，℃；mi（i=5，6，7，8）代表各級低壓加熱器抽汽流量，kg/s。

在圖3所示的滾筒冷渣機能效計算示意圖中，相當于把滾筒冷渣機分成Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ段，代表分別替代不同級數(shù)的低壓加熱器，由此可以計算出所替代的各級部分抽汽量。假定滾筒冷渣機的出水并入第k級低壓加熱器出口，那么可以列出下列方程組求解滾筒冷渣機所節(jié)省的各級抽汽量。

式中：k∈{ 5，6，7，8}，當k=5時，代表滾筒冷渣機出水接入第5級低壓加熱器出口，其替代了共4級部分抽汽量，因此需要求解4個方程；當k=6時，代表滾筒冷渣機出水接入第6級低壓加熱器出口，此時滾筒冷渣機只是部分替代了3級抽汽量，因此只需要求解前3個方程即可，以此類推。hk代表該級低壓加熱器出水焓，k J/kg。hck為該級低壓加熱器抽汽焓，kJ/kg。h9為凝結(jié)水焓，kJ/kg。

因此，汽輪機增加的功率為：

式中，he為汽輪機排汽焓，k J/kg。

因此，系統(tǒng)的發(fā)電量增加值可由式（10）計算：

4 計算結(jié)果

4.1 計算條件

以某350 MW等級的超臨界循環(huán)流化床鍋爐機組的技術(shù)參數(shù)為依據(jù)［15］，對底渣余熱兩級利用系統(tǒng)的能效水平進行了計算，機組的部分技術(shù)參數(shù)見表2，一次風、二次風參數(shù)見表3，低壓加熱器部分技術(shù)參數(shù)見表4，機組煤質(zhì)分析見表5。計算中底渣比熱容取值為1.2 k J/（kg·℃）［6］，飛灰底渣比為1∶1，環(huán)境溫度取15℃，滾筒冷渣機最終的排渣溫度為120℃［16］，由于底渣含碳量的成分接近焦炭，因此其熱值取焦炭的熱值，即33 727 kJ/kg［17］。另外，在系統(tǒng)效率及發(fā)電量增加值計算過程中不考慮底渣細顆?；厥盏挠绊憽?/p>

表2 機組技術(shù)參數(shù)Tab.2 Parameters of unit technical

表3 一次風與二次風技術(shù)參數(shù)Tab.3 Technical parameters of primary air and secondary air

表4 低壓加熱器技術(shù)參數(shù)Tab.4 Technical parameters of low pressure heater

表5 機組煤質(zhì)分析Tab.5 Unit coal quality analysis

4.2 計算結(jié)果

4.2.1 效率計算結(jié)果

圖4給出了底渣余熱兩級利用系統(tǒng)熱效率計算結(jié)果，由于鍋爐的排渣溫度較高，而計算所取的排渣溫度為120℃，所以計算出的系統(tǒng)效率較高，最低也超過了60%。隨著底渣燒失比例的不斷增加，系統(tǒng)效率也隨之提高，最高則超過了96%。

圖4 系統(tǒng)熱效率Fig.4 System efficiency

4.2.2 發(fā)電量增加值計算結(jié)果

圖5給出了流化床冷渣器發(fā)電量增加值計算結(jié)果，圖中曲線的標識數(shù)字代表流化床冷渣器的排渣溫度（圖6—圖8中的曲線標識數(shù)字意義相同），即滾筒冷渣機的進渣溫度。

圖5 流化床冷渣器發(fā)電量增加值Fig.5 Increased value of power generation of fluidized bed slag cooler

從圖5中可以看出，隨著底渣燒失比例的增加，流化床冷渣器的發(fā)電量增加值不斷變大，這是底渣中的碳粒進一步燃燒所釋放的熱量又回到了爐膛所致。另一方面，隨著流化床冷渣器排渣溫度的增加，其發(fā)電量增加值變小的原因是此時回收的底渣余熱量減少了。

圖6給出了滾筒冷渣機發(fā)電量增加值計算結(jié)果，圖中橫坐標代表滾筒冷渣機出水接入的相應(yīng)級數(shù)的低壓加熱器出口，比如5代表接入5級低壓加熱器出口。

從圖6中可以看出，隨著接入低壓加熱器級數(shù)的增加，滾筒冷渣機所增加的發(fā)電量值不斷減少，這是因為接入低壓加熱器級數(shù)越高，說明滾筒冷渣機出水溫度越低，那么凝結(jié)水所含熱量的品位就越低，汽輪機的發(fā)電量也越低。另一方面，隨著進渣溫度的提高，滾筒冷渣機發(fā)電量增加值不斷增加，這是由進入滾筒冷渣機內(nèi)底渣余熱量增加所致。

圖6 滾筒冷渣機發(fā)電量增加值Fig.6 Increased value of power generation of drum slag cooler

由于利用一次熱風作為流化床冷渣器的流化風，一次風在吸收熱量以后作為鍋爐的二次風進入爐膛，相當于用高壓頭的一次風替代了低壓頭的二次風，在總風量不變的情況下，必然會引起風機電耗的增加，圖7給出了風機電耗的增加值。

圖7 風機電耗增加值Fig.7 Added value of wind power consumption

在圖7中可以看出，隨著底渣燒失比例的增加，風機電耗不斷增加，這是因為若要防止流化床冷渣器結(jié)焦，流化床冷渣器的出風溫度不能高于爐膛的燃燒溫度（即850℃），而燒失比例的增加意味著需要更多的流化風帶走熱量，因此所用一次風量增加，電耗隨之上升。隨著流化床冷渣器排渣溫度的增加，風機電耗增加值會減少，這是因為此時需要帶走的熱量降低。另外，由底渣余熱及底渣含碳量燃燒所產(chǎn)生的熱量均需要熱一次風帶走，所以流化床冷渣器所需要的單位流化風量較大，超過文獻［6］中的單位流化風量，所以流化床冷渣器正常流化運行沒有問題。

圖8給出了整個系統(tǒng)發(fā)電量增加值的最大值，即在圖8中，滾筒冷渣機的出水接入5級低壓加熱器出口。從圖8中可以看出，系統(tǒng)發(fā)電量增加的規(guī)律與圖5中類似，這是因為該系統(tǒng)發(fā)電量增加值以流化床冷渣器為主。

圖8 系統(tǒng)電量增加值Fig.8 Increased value of power generation of system

5 分析與討論

從前面的計算結(jié)果與分析來看，底渣余熱兩級利用系統(tǒng)的效率很高，所帶來的發(fā)電量收益較大，與文獻［15］中的計算結(jié)果相比，系統(tǒng)發(fā)電量增加值超過了3.6 MW，遠遠超過文獻［15］中單純使用滾筒冷渣機所帶來的1.1 MW的發(fā)電量增益。

采用熱一次風回收底渣余熱不僅可以回收底渣顯熱，還可以將底渣中的部分飛灰含碳量的燃燒熱回收，所以效益更高，因此其發(fā)電量增加值超過了滾筒冷渣機。另一方面，流化床冷渣器的外壁可以采用防磨澆注料制作，大大提高了其系統(tǒng)的可靠性。

為了提高滾筒冷渣機的發(fā)電量增加值，一方面需要控制水量提高其出水溫度，使其能夠接入更低級的低壓加熱器出口，以取得更高的經(jīng)濟效益；另一方面也需要進一步提高其自身的換熱效率，增加其有效換熱面積，這樣可使其平均換熱系數(shù)增加，相同的出力可以減小體積和占地面積，或者相同的體積與占地面積可以提高其出力或降低排渣溫度來增加回收余熱量。

圖9給出了一種新型高效滾筒冷渣機［18］。從圖9中可以看出：①新型滾筒冷渣機在殼體外面覆蓋有保溫層以降低其表面熱損失，同時降低外表面的溫度，避免發(fā)生燙傷事故的發(fā)生；②其外層換熱管通過肋片與殼體相連接，解決了現(xiàn)有膜式滾筒冷渣機外層換熱管的外表面無法參與換熱的問題，使其外層下部換熱管可以完全埋到熱渣里面，提高了換熱效果；③在內(nèi)部換熱管屏上焊接前彎與后彎翅片，可以有效承接揚渣板所攜帶的熱渣，使得內(nèi)部換熱管與熱渣充分接觸換熱，同樣提高了換熱效果；④在滾筒內(nèi)部僅布置4片內(nèi)部換熱管屏，不會給滾筒內(nèi)部的維修帶來更大的困難，設(shè)備維修方便。當然，為防止中心管在長期的運行中所受到的磨損，可以在其外面進行相應(yīng)的表面處理，以增加其耐磨性。

圖9 新型滾筒冷渣機Fig.9 New drum slag cooler

在本文所提的底渣余熱兩級利用系統(tǒng)中，由于部分或大部分余熱被熱一次風所帶走，所以滾筒冷渣機的出力大幅度降低，一方面可以減小其體積與占地面積；另一方面也可以大大緩解部分機組所面臨的滾筒冷渣機冷卻凝結(jié)水流量不足的問題。

6 結(jié)語

經(jīng)過上述分析可以看出：

（1）流化床冷渣器由于采用熱一次風作為流化風，同時取消了內(nèi)部的水冷換熱管，使其可靠性大大增加，同時大大增加了熱風溫度，其所帶來的發(fā)電量增加值最高可超過3 MW。

（2）由于流化床冷渣器回收的底渣余熱直接進入爐膛，所以其產(chǎn)生的效益更高，因此需要盡可能降低其排渣溫度。

（3）對于滾筒冷渣機而言，盡可能多地提高其出水溫度，接入更低一級的低壓加熱器出口是提高其能效的有效方法。

（4）綜上所述，本文所提出的底渣余熱兩級利用系統(tǒng)具有熱效率高、發(fā)電量增加值大等優(yōu)勢，其熱效率最高可超過96%，系統(tǒng)發(fā)電量增加值最高可超過3.6 MW，值得進一步研究。