干式排渣在大型電站鍋爐上的運行特性分析

董信光，李洪濤，冷成崗，李德功

（1．山東電力研究院，山東 濟南 250002；2．華電鄒縣發電廠，山東 鄒縣 273522）

0 引言

水力除渣是電站燃煤鍋爐已經應用多年的排渣技術，并且經過多年的技術發展已經有所改進，但是缺點仍較明顯：耗費水資源，渣含碳量高、活性差、綜合利用價值低，系統復雜，占地面積大，廠用電高等。而鍋爐干排渣技術是在80年代中期由意大利MAGALDI公司發展起來，利用耐熱不銹鋼絲編織的鋼帶來輸送和冷卻熾熱底渣，該設備不需要冷卻水，改變了火電廠傳統的水力除渣方式，實現了無污水排放，避免了由于除渣水的重復利用而引發的許多問題，如灰渣中氧化鈣含量高時引發的設備及管道結垢、除渣水的冷卻、澄清和再利用等問題。對于水力除渣改造為干式排渣的鍋爐來說，鍋爐的運行特性發生較大改變，但是目前對于這些變化還沒有系統、全面地分析，影響了干式排渣優勢的發揮。為了提高干式排渣改造鍋爐的安全可靠性，需要對干式排渣鍋爐的運行特性進行深入分析和優化。

1 干式排渣的結構特點及工作原理

1.1 干式排渣系統的結構特點

干式排渣系統是由鋼帶輸渣機、出渣破碎系統和干渣輸送系統組成，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（圖2）是干式排渣系統的關鍵部件和主要受力部件，抗拉、抗壓和抗斷裂能力很強，使用壽命可超過10萬h，有些甚至可以達到30萬h。輸送鋼帶的尾部滾筒設有自動張緊裝置，整臺鋼帶式排渣機安裝時只有一個固定點，可沿固定點向四周自由膨脹。輸送鋼帶為平帶，不會被卡死，并且熱渣在上面冷卻和輸送，不與殼體直接接觸，不會對人身造成傷害，可以避免水力除渣系統的汽爆現象，避免了汽爆熄火造成的設備和人身事故，適應大塊渣輸送。我國目前燃煤種類多、易結焦，對干式排渣系統進行改進，增加了運行攝像頭、隔柵和預破碎機等設備，使干式排渣系統更加穩定、可靠運行［1］。

圖2 鋼帶式除渣機示意圖

1.2 干式排渣機的工作原理

干式排渣機的工作原理簡單說就是用自然空氣代替水來冷卻渣。適量的自然風在鍋爐爐膛負壓的作用下，進入干式排渣機以及鍋爐喉部區域，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輸的冷渣。產生的熱風進入爐膛，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，干式排渣機與傳統的刮板撈渣機相比具有以下優點：一是冷渣介質為空氣，不需要冷卻水，可節約用水；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

由于干式排渣機不需要用水冷卻，干渣的化學和物理性性質與濕渣有較大區別，表1是爐底干渣的化學成分表。

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（氧化鈣中水的質量分數大于8%，游離氧化鈣質量分數大于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。從化學分析來看，爐底干渣的安定性較好，能達到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%，水的質量分數不大于1%，三氧化硫質量分數不大于3%）。

爐底干渣的礦物成分是鈣長石（CaAl2Si2O8）、剛玉（α-Al2O3）、莫來石（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石、α-石英、方解石、鈣長石、磁鐵礦、赤鐵礦和石膏及未燃盡的碳粒。說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。

對微觀形貌進行觀察，爐底干渣的顆粒形態以非晶質相的空心微珠和無定形的碳粒為主，圖3所示。

圖3 爐底干渣微觀形貌圖

2 干式排渣系統的運行特性分析優化

2.1 干式排渣對鍋爐安全性影響的分析

由于干式除渣系統和水利除渣相比具有較多優勢，目前許多火力發電廠將傳統的水利除渣方式改為干式除渣，但在排渣方式改變后，鍋爐的運行特性也發生相應的變化，加上入爐煤煤質、燃燒調節方式等因素的影響，鍋爐運行中出現了排煙溫度升高、爐底堆焦、干除渣設備異常等問題，影響了機組的安全經濟運行［2－3］。

表1 爐底干渣的化學成分 %

目前已運行的干式排渣系統存在的問題：

1）干式排渣機冷卻風量難調節，無法根據渣量調節出渣溫度。鍋爐實際運行過程中，由于負荷變化、煤質變化、鍋爐是否吹灰等因素影響，排渣量差別很大。為保證后續除渣設備能安全平穩運行，要求排渣溫度不能過高，因此冷卻風往往按最大渣量進行調節，從而引起大部分時間里冷卻風被加熱的溫度低于設計值，使鍋爐效率有所降低。

2）排渣機清掃鏈容易磨損。干渣機底部總是有積灰無法完全清理，刮板部分埋在積灰中運動，阻力大，直接磨損嚴重，同時造成鏈輪和環鏈負荷大增引起磨損。解決辦法是在刮板上增加滾輪，改滑動摩擦為滾動摩擦；開啟底部側孔，通過爐膛負壓把積灰吹進爐膛。

3）處理大渣量的問題。目前干式排渣系統比較適合在渣量小于20 t/h的機組使用，當排渣量過大時，排渣溫度往往達不到設計值。

4）處理軟渣的問題。當燒褐煤或灰熔點比較低的煤種時，出現由于渣的軟化溫度低，落到格柵上時還是軟的，擠壓頭擠不碎，造成積渣情況。

除渣機是主要輔機，其運行狀態好壞對鍋爐的正常及連續運行有著直接的影響。當除渣機因故障而停止運行時，燃煤產生的煤渣不能及時排出，將造成鍋爐爐排尾部煤渣堆積，最終迫使鍋爐停運。

2.2 干式排渣對鍋爐經濟性影響的分析

干式排渣過程中，穿過鍋爐下灰斗的熱量直接返回鍋爐，熱的灰渣與在鍋爐負壓作用下鋼帶機中逆流的冷卻空氣作用使灰渣再燃燒，同時回收了爐渣地物理顯熱，釋放的化學熱量和輻射熱進入爐膛，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從爐底進入，效果相當于爐底漏風，在鍋爐運行氧量不變的情況下，空氣預熱器的通風量減少，鍋爐的排煙溫度升高，使排煙熱損失增加，對鍋爐經濟性的影響是負面的。

為了定量和精確測算干式排渣系統對鍋爐經濟性的影響，采用試驗測試：通過測量排渣機上通風孔的風速計算漏入爐內的風量，同時通過對通風孔封堵的方式，改變干式排渣機的通風量，對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量，排渣溫度直接用紅外測溫儀測量。

測試在某電廠600 MW機組2 020 t/h的亞臨界壓力鍋爐的干式排渣系統上進行。測試結果見圖4-6。

圖4 爐底漏風率隨負荷的變化圖

圖5 爐底漏風率對排煙溫度和熱風溫度影響圖

圖6 爐底漏風率對鍋爐效率影響趨勢圖

從圖4可以看出，由于干式排渣機的漏風量是根據鍋爐在最大渣量的情況下設計，并且通風孔開度并不能調節，另一方面鍋爐負壓并不會隨著鍋爐負荷而變化，所以隨著鍋爐負荷的降低，干式排渣機的漏風率是逐漸提高。

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

干除渣會造成爐底漏風率升高，在保證鍋爐運行氧量不變的情況下，空氣預熱器的通風量減少，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可以回收爐渣的物理顯熱及爐渣內的可燃物減少。圖6是爐底漏風率對鍋爐效率的影響趨勢，在漏風率較小時，隨著爐底漏風率升高鍋爐效率也升高，當爐底漏風率大于0.75%時，鍋爐效率開始降低。因此，可以看出存在一個最佳爐底漏風率。在確定最佳漏風率時，要綜合測算：漏風使鍋爐排煙溫度升高，排煙熱損失增加；爐底漏風可以回收爐渣地物理熱，減少爐渣地物理熱損失；爐底漏風可以使未燃盡的小顆粒爐渣在鋼帶上繼續燃燒，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 結語

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

爐底干渣具有潛在的火山灰活性，化學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水、節電等優勢，但是也存在漏風量不能調節等一些問題需要進一步改進和優化。

干式排渣機存在一個最佳的爐底漏風率。在一定的負荷下，存在一個合理的漏風率，在小于這個漏風率時，干除渣對鍋爐經濟型的影響是正面的，當漏風率大于最佳的漏風率時，鍋爐的經濟性降低。