流化床锅炉炉底渣的排放与冷却装置的选择

1、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

2、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

3、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²七五²期间，国家还将其列入²七五²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

4、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）<10<10<1070250余热回收率（%）1020204030505868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3060406540

5、7075(40)6580风渣比（Nm3/Kg）31风压降（Pa）约2500约6000约2500约500约5000相对风机电耗1624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

6、处，推销其双螺旋式冷渣机，售价为810万美元一台；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：99 2 33978.2）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

7、）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)307230932039体积传热系数(Kcal/m3h°C)2767661045渣仃留时间(min)223050外形尺寸(宽*长*高)(m)ff钢耗(t钢/t渣)动力消耗(Kwh/t渣)投资回收期(年)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

8、(t/h)出口水温()传热系数(kcal/m2 h)钢 耗(t钢/t渣)电 耗(kw/tm)1螺旋水冷式4<200/< 65<102滚筒式: 风冷 风水冷 抛洒风水冷153 200<200<800<300 70200/5575276*)4.1 3气槽式4 < 80410017014.965>100 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

9、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

10、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

11、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Foster Wheeler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

12、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

13、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。

14、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

15、，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

16、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

17、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24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力消耗，它们的动力消耗最小，若令其动力消耗为1。其次是气力输送和移动床，它们的动力消耗大致是2。流化床式消耗的动力最大，约

18、为34。第三，比较磨损情况及事故率。表1及表2比较了几种冷渣设备的的磨损情况，只有移动床的磨损较轻，其它的都比较严重。值提指出，对磨损情况进行比较时，不能只强调对磨损部件材料表面的磨损率进行比较，而应考察磨损部件是标准件还是非标准件，对被磨损部件更换的成本及检修费用。如螺旋式冷渣机的螺旋叶片被磨损与流化床中的埋管被磨损，是不等值的，前者的费用远比后者高；若把它与气槽式冷渣机中的磨损件铸铁标准件比较，相差更大，前者消耗的费用几乎是后者的20倍以上。又如滚筒式冷渣机的磨损件是滚筒内筒体，与气槽式冷渣机中磨损件铸铁标准件进行比较，在同样消耗1吨钢材情况下，前者所消耗的费用至少是后者的10倍以上。在事

19、故率方面，人们都有知道有机械转动设备比没有机械转动设备的事故率高，维修工作量大，维护费用高。因此，尽可能选用无机械转动的冷渣机。第四，选择冷却介质。常用的冷却介质是水和空气，由于水的热容量比空气高，1吨水的温度升高50°C所吸收的热量，相当于1000m3空气温度升高170°C所吸收的热量。如前所述，用水对炉底渣进行直接接触冷却，会出现水对环境的二次污染以及破坏渣的活性，影响渣的综合利用。故现行的冷渣机都用间接传热方式。这时，水与渣的间接传热效率决定于它们的传热系数和传热面积。故单一的间接传热的水冷方式会受到传热面积的限制，特别是那些传热系数低的冷渣机。单纯用空气直接接触冷却

20、，最初多是用空气作工作介质，如风冷滚筒式冷渣机将热渣吹入筒内，Z型、塔式、叠置流化床和气力输送等冷渣机用工作空气形成流化床或气力输送。由于它的热容量小，当需要冷却的炉底渣量大时，又出现冷渣设备体积大、动力消耗高等问题。为了弥补风冷的不足，常辅之以水冷，像风、水冷滚筒式冷渣机、多鼓泡床冷渣机和气槽式冷渣机。当选用水进行间接冷却时，对于容积式带夹层的换热设备，像滚筒式和螺旋式冷渣机的外壳夹层，需要承受具有一定的水压的强度要求，增加夹层壁厚和钢材消耗，甚至需要办理压力容器许可证。选择冷却介质与余热回收、改善流化质量及改善燃烧等其它因素的关系。总之，要合理地选择风、水冷却的比例，才能生产出冷却性能良好

21、的冷渣设备。第五，余热回收。炉底渣的余热量，与燃料的品质、流化床锅炉型式及运行状态有关。根据目前运行的流化床锅炉情况，炉底渣的物理热损失一般不会超过3%，能够回收这部热量很有意义，特别是大、中型流化床锅炉。冷渣机不能把渣冷却下来看成是唯一的目的，还应充分利用余热。· 热水的利用：若用一般工业水作冷却介质，只能用作生活用热水。若用软化水作冷却介质，可送入除氧器，提高锅炉热效率。一般都是希望选用后者。· 热空气的利用：对于专门用于加热空气作空气预热器的几种冷渣机如Z型、塔式、叠置流化床和气力输送等热空气的利用目标十分明确，其它一些风、水冷的热空气的利用就各不相同。当热风量小、热

22、风风温度不高时，可直接排入烟道。当热风温度超过120°C时，就应加以利用。或作二次风送入炉膛；或作播煤风用。如气槽式冷渣的用户已使用这两个方案。当条件许可进，送入风室，作一次风的补充，这种利用方案预期效率最好，但还需进一步试验。第六、改善流化质量与改善燃烧工况4），5）。有资料和实践表明，对于宽筛分的气-固流化床，当含有某颗粒组分dxcp的工作气流通过床层时，使宽筛分物料床层中的dxcp颗粒组分，被捕集在床层中，不被气流带走，从而增加这一颗粒组分的浓度，改善流化质量。一方面由于流化质量的改善，使燃烧工况也得到改善；另一方面，由于延长了这一颗粒组分在床内的仃留时间，提高了燃烬率。这一现

23、象在过去某厂进行气力输送溢流渣的冷却试验中，曾短时间仃止送含尘热空气，结果炉温急剧从890降至800。利用这一原理设计出来的冷渣机，不但对炉底渣进行了冷却，利用了余热，还能改善流化质量，提高燃烧效率，真正做到冷渣机成为流化床锅炉不可分割的有机组成部分。凡具有分选功能的各种流化床冷渣机和气槽式冷渣机都可实现这一目标。它们的工作气流，带有入炉煤中含有的细小颗粒组分dxcp，的颗粒，若将其经风室送入流化床锅炉的床层中，便可达到此目的。对此机理，当然还有待进一步进行研究与试验。第七，环境保护及灰渣综合利用，前已提及，冷渣池对环境保护与灰渣综合利用不利，现已很少有人采用。此外，振动式冷渣机的炉底渣直接暴

24、露于大气，对环境保护和劳动卫生来说可能有待改进。其它各种方案都可做到减轻环境污染的效果。综上所述，从各种因素综合比较，特推荐SC系列气槽式冷渣机，它的各种性能及各项技术经济指标均优于市场上销售的其它类型的冷渣机，可以成为流化床锅炉整体不可缺少的有机组成部分。其主要特性和优点如下8），9）：· 无旋转部件，因而运行故障少，能长期稳定运行，安全、可靠。· 易磨损件为标准件，成本低；且其使用寿命可达两年，维修工作量少，维护费用低。· 传热系数高，冷却效果好。因而体积小，投资省；布置方便、灵活、易於实现大型化。 · 可回收灰渣物理热，提高锅炉热效率；合理地布置热

25、风系统，可改善流化质量，改善燃烧条件，提高燃烧效率。· 利用一、二次风机的风作工质，勿需增加动力设备；若需要增加独立的鼓风机时，其电力消耗也很低。 · 与气动连续自动排渣器配套，易於实现排渣与冷却的远动或自动化。· 密封，无粉尘污染，保护环境；劳动卫生、安全。· 干式冷渣，且出渣温度低，不破坏灰渣的活性，有利於实现灰渣的综合利用。5、炉底渣的排放： 炉底渣的排放对维持流化床锅炉安全与经济运行至关重要，现已为业内人士的共识。过去，中小型流化床锅炉都是采用人工排放方式排放炉底渣，虽然能免强应付锅炉的运行，但流化质量下降，燃烧工况欠佳，安全事故时有发生。大、中

26、型流化床锅炉再使用人工排放方式，显然不能满足要求。如下面将要详细细讨论的那样，由于国内科技界研究冷渣机的热潮是在二十世纪七十至八十年代，它是专门针对溢流式锅炉燃烧劣质煤的溢流渣的冷却而开展的，炉底渣即²冷渣²的排放问题不突出，因而没有专门开展研究。这就是目前市场上很难找到适应于现代流化床锅炉排放炉底渣需要的排渣器的原因。在这种情况下，一些企业只好选用其它行业用过的设备，如闸板伐等机械启闭方式的伐门对炉底渣进行排放。由于这类设备无法承受800°C以上的高温，几乎都被现场所废弃。在远程控制与自动控制方面，多用电动调节装置，也因高温，大部分电动调节装置被烧坏。现在看来，

27、解决炉底渣的自动排放问题已势在必行。 根据流化床锅炉的运行特点，炉底渣的排放装置应满足下列基本要求： · 在800950°C的高温工况下能长期连续稳定地排放炉底渣； · 能按照风室压力的变化对排渣量进行远动或自动调节； · 耐磨； · 密封。一些研究人员企图对机械启闭伐门中的受热另部件采用高温耐磨材料，同时通水冷却；远程及自动控制改用气动调节装置，但未投入工业试验。本文第一笔者利用气动原理设计出一种QD型气动连续自动排渣器（专利号：00 2 25582.0）10），它用流化床锅炉一次风作气源，控制进入排渣器的一次风的风量就可控制放渣量。这样，就可用风室压