炉渣处理系统选型分析

张光荣，赵世泽，王 勇，李蜀生，张洪涛，于永强

(1.青岛达能环保设备股份有限公司，青岛 266300； 2.山东电力工程咨询院有限公司，济南 250013)

0 引 言

锅炉是重要的能源转换设备，也是能源消费大户和重要的环境污染源，是与人类共存的产业。我国锅炉以燃煤为主，其中火电2019年装机容量为11.9亿千瓦，占世界第一。

锅炉炉底渣处理系统是指对炉底排出的炉渣进行收集、冷却、输送、存储等的综合处理系统，主要应用在燃煤、生物质和垃圾等固体燃料锅炉。炉渣处理系统最早采用水力和简单的机械除渣，如卷扬机牵引有轨小车、螺旋除渣机、马丁除渣机等，随着机组容量的增大和技术发展都已淘汰[1]。炉渣处理系统目前主要有两种：一是采用水冷的湿排渣系统，二是采用空冷的干排渣系统；其核心冷却输送设备详见表1。

表1 炉渣处理系统分类表

1 湿排渣系统

1.1 湿排渣系统发展

世界行业内火电机组炉底湿排渣系统主要有两种型式：WAH水力排渣和SSC机械排渣；WAH因技术落后，耗水量大，现已经淘汰。

SSC最早由西德在1957年研制，SSC较WAH具有节水、系统更加简单等优势[2]，迅速在西欧火电厂中得到广泛应用[3]；美国Babcock&Wilcox公司早在1967年便引进了西德Deutsch Babcock Group的SSC技术，美国CE、UCC、艾仑等著名发电设备制造公司也都在积极发展SSC技术；日三菱、东工、石川岛插磨等重工公司也在积极发展SSC技术。

我国1974年在元宝山发电厂全套引进了首台SSC湿式炉渣处理系统；1998-2006年间我国完成了300-1 000 MW的SSC国产化；2010年之后，新建机组均采用水浸式大倾角刮板捞渣机系统[4]。水浸式有利于灰渣冷却和防止大渣冲击，大倾角有益于析水和实现一步进仓。

1.2 湿排渣系统优势

(1)冷却效果好。水冷却效率高、速度快；渣量大工况，富水地区可选择。

(2)磨损小。水冷却效果好，无高温影响，磨损小。

(3)基本不漏风。正常运行只有关断门之间缝隙，漏风量约0.1%～0.2%。

(4)适应能力强。对煤质适应能力强，出力调节范围大。

1.3 湿排渣系统不足

(1)水耗。SSC主要依靠水冷却热渣，耗水量虽然只有WAH的10%～20%，但是1t渣也消耗2～3 t水[2]。随着国家对电厂污水平排放的环保要求，近年国内各大设计院、生产厂商和业主都在研究零溢流技术，实现零溢流的水耗约1 t水/t渣，节水效果更加显著[5-6]。

(2)水污染。污水处理系统复杂，污水更是环保问题；严寒地区还有寒冰危害。热渣落入捞渣机水箱后，水被瞬间气化，蒸汽对炉底设备腐蚀严重。所以，选用湿排渣时应采用零排放技术，优选捞渣机零溢流；可采用增加换热器，设置大渣分离破碎装置等实现大出力时零溢流。

(3)水爆。水浸式捞渣机冷却水箱深度1 500～2 500 mm，大渣落入后可被水完全浸没。水的传热系数大，大渣表面疏松多孔，水渗入渣内部产生猝发式蒸发，迅速被气化、膨胀，形成水爆[7]。湖北鄂州、宁夏灵武、新疆石河子、山东潍坊、河南沁北等电厂等都曾出现水爆引起捞渣机损坏情况。应采用大渣分离破碎技术，防止大渣水爆；同时可适当降低捞渣机水箱深度。

(4)降低锅炉热效率。炉底热辐射会造成大量水分蒸发；300 MW级约1.5 t/h，600 MW级约2.3 t/h，1 000 MW级约3.1 t/h；零溢流1 t热渣约耗用1 t水。所有水耗会导致大量热量损失，湿排渣可降低0.3～0.4%的锅炉热效率[6]。大渣分离破碎技术有益于减少锅炉热效率影响。

(5)布置问题。输送升角35°，布置受限[4]。

2 干排渣系统

2.1 干排渣系统发展

干排渣技术由日本川崎重工株式会社发明，原理是采用空气对高温炉渣进行冷却，但未得到实际应用。美国UCC公司的PAXTM干式负压炉底除渣系统，是以高温碎渣机及气力输送为关键设备的干排渣系统，目前在美国有少量业绩，也没有得到推广。市场上得到广泛应用的干渣系统设备主要有三种类型，根据核心设备干渣机结构方式和原理分为：钢带(网带)干渣机、链板(履带)干渣机和鳞斗干渣机。

钢带干渣机由意大利MAGALDI公司在1985年研制，90年代初被国际市场认可；2000年后我国开始自主研发钢带干渣机，并迅速在国内得到广泛应用。链板干渣机由英国克莱德贝尔格曼公司在1997年研制开发，自2006年上半年进入中国市场并得到较多应用[8]。鳞斗干渣机由中国青岛达能环保股份有限公司在2012年自主研发，是最新技术干式排渣机，近五年占据新建机组50%市场份额[9-10]。

2.2 干排渣系统优势

(1)节水。空冷无水耗，在世界缺水地区具有巨大经济和社会效益。

(2)节能。系统耗电少，运营维护费低。

(3)余热回收。回收炉底热量提高锅炉热效率。

(4)底渣利用。残碳能继续燃烧，底渣有活性，可制造水泥、加气砖、铺路等。

(5)安全环保。无水爆、水汽腐蚀、水污染等危害[6-12]。

2.3 干排渣系统不足

(1)降低锅炉效率[13-15]。干排渣系统最大的争议就是锅炉热效率，有的工程提高炉效，有的降低炉效；降低炉效主要原因有：①部分产品技术落后，产品质量差、配置低，导致运行不稳定，故障时人工排渣打开过多人孔门，冷却空气不受控；②传统控风方式和冷却技术问题；③检修维护人员采用外包制度，部分技能弱和管理不到位。通过选用先进技术、优质产品，提高管理技能等可解决此问题[6-16]。

(2)设备问题。大出力时，网带机会打滑、跑偏[17]，尤其是长距离干渣机；链板变形卡塞、脱开并导致干渣机过流跳闸，圆环链、接手易磨损、冷却效果差，维护量大等问题[18-19]。

(3)布置问题。升角33°，布置受到限制[4]。

3 按煤质选型

3.1 选型分析

炉渣渣量和结焦程度是选择炉渣处理系统的最重要指标，按表2选型。无论是湿排渣还是干排渣，在处理易结焦煤时，应配置大渣分离破碎装置(液压破碎关断门，水平对挤式)代替液压关断门(垂直摇臂式)。

表2 炉渣系统按煤质选型表

结焦程度可按如下三种方法判定。

3.2 按ST和Qnet，v，ar判定结焦性

ST和Qnet，v，ar判定结焦性，见表3。

表3 按ST和Qnet，v，ar判定结焦性界定[1]

3.3 按煤灰成分质量百分数判定结焦性

按煤灰成分质量百分数判定结焦性，见表4。

表4 按煤灰成分质量百分数判定结焦性界定

Rz=1.24RBA+0.28R-2.3×10-3ST-19×

10-3Sp+5.4

其中按各物质的质量分数计算。

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 ℃长渣，灰渣的液态和固态共存时间长容易结焦；FT-ST<100 ℃为短渣[22]。

3.5 湿排渣工程应用

表5是湿式刮板捞渣机系统配置大渣分离破碎技术在易结焦煤质近几年应用业绩表，项目均由我国西北电力院设计或总包。由表可以得出，在缺水地区湿式排渣技术也有应用。

3.6 干排渣工程应用

表6是干式排渣系统配置大渣分离破碎装置在易结焦煤质应用统计表，均采用大渣分离破碎技术。分析得，无论褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤，灰分高低程度，结焦程度等，业主和设计院更愿意采用节水节能的干排渣系统。东南亚水资源丰富的国家目前也大量采用干排渣系统。

表5 大渣分离破碎装置湿排渣业绩表

表6 干排渣技术应用于结焦煤质统计表

4 按布置结构选型

4.1 布置结构分类

炉渣系统主要布置结构可分为：一级进仓、二级进仓、斗提机进仓。湿排渣系统中，受冬季温度影响，斗提机进仓应用很少。干排渣系统中，气力输送进仓形式应用也较少。

4.2 湿排渣布置结构

捞渣机一级进仓是目前最先进布置形式，除了空间受限的改造系统外，均采用一级进仓，见表7。

表7 部分长距离一级进仓湿排渣业绩

4.3 干排渣布置结构

干渣机种类较多，布置结构较灵活。据不完全统计，近五年的部分招标信息总结见表8。

表8 部分干排渣系统布置结构统计表

续表8

电厂名称及机组号机组/MW长度/m出力/t·h-1升角/°布置结构山东莒南力源热电350483～835一级山东莒南力源二期350483～835一级酒钢集团酒嘉风电350506～1530一级华能仙人岛发电厂368 t/h28/203～830/90斗提山东鹏翔集团临淄320 t/h20/301.5～530/35两级江阴热电有限公司220 t/h192～630一级锡林郭勒盟东乌旗170 t/h22/182.5～1038/90斗提

总结见表9，得干渣机一级进仓也是主流的布置结构，且许多斗提机进仓已改造为一级进仓[10]。

表9 布置结构总结分析

5 结束语

(1)捞渣机湿式排渣和干渣机干式排渣技术各有优势和不足，可根据实际需求灵活选用具有先进技术的高质量产品。

(2)根据湿与干排渣系统特点选型时，缺水地区优选干排渣技术；富水地区可选择湿排渣技术，应采用零排放，优选零溢流技术。

(3)按煤质选型，无论褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤，灰分高低程度，结焦程度等，均可选用干排渣系统；湿式和干式排渣系统均应采用大渣分离破碎技术。

(4)按布置结构选型，湿式和干式排渣系统，均优选一级进仓布置结构。