循環(huán)流化床鍋爐水冷滾筒冷渣機(jī)選型的研究

魏 靖

（中機(jī)國(guó)能電力工程有限公司，上海 200061）

引言

目前，冷渣機(jī)作為國(guó)內(nèi)流化床鍋爐電廠輔機(jī)的設(shè)計(jì)選型中主要難題之一，一直是一個(gè)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。冷渣機(jī)是流化床鍋爐輔機(jī)設(shè)計(jì)中影響較大的設(shè)備，并在一定程度上影響了鍋爐的安全正常運(yùn)行。

冷渣機(jī)作為鍋爐底渣輸送系統(tǒng)中的前端設(shè)備，是一個(gè)將鍋爐底渣冷卻后導(dǎo)入下游輸送設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，冷渣機(jī)能否安全可靠地將鍋爐底渣進(jìn)行深度冷卻，并順利地導(dǎo)入下游輸送設(shè)備，決定了整個(gè)底渣輸送系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，也是循環(huán)流化床鍋爐正常運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。

經(jīng)專家統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的循環(huán)流化床鍋爐90%以上采用了水冷式滾筒冷渣機(jī)，部分采用風(fēng)水聯(lián)合冷渣機(jī)，水冷式滾筒冷渣機(jī)已經(jīng)成為循環(huán)流化床鍋爐的主流底渣處理設(shè)備，水冷滾筒式冷卻方式已經(jīng)得到電力行業(yè)的普遍認(rèn)同。

1 水冷滾筒冷渣機(jī)主要型式簡(jiǎn)介

1.1 多管式滾筒冷渣機(jī)

多管滾筒（蜂窩）式滾筒式冷渣機(jī)布置形式上分傾斜式和水平式，其基本特征是筒內(nèi)布置多根相互平行的六棱管或圓管，各管間隙中通冷卻水，內(nèi)設(shè)置有螺旋導(dǎo)向片。

當(dāng)滾筒由傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，鍋爐排出的高溫爐渣在各管內(nèi)由螺旋葉片導(dǎo)向前進(jìn)，冷卻水連續(xù)均勻地通過(guò)各管間間隙，使熱態(tài)爐渣逐步冷卻。

該型號(hào)冷渣機(jī)優(yōu)點(diǎn)是：換熱效果強(qiáng)，成本低。

該型號(hào)冷渣機(jī)缺點(diǎn)是：承壓能力小，管程短，堵渣嚴(yán)重，管壁磨損嚴(yán)重，極易漏水且維修難度大，整機(jī)壽命短。

該型號(hào)冷渣機(jī)較適用于小渣量工況。

1.2 夾套式滾筒冷渣機(jī)

夾套式（板式）滾筒冷渣機(jī)基本特征是內(nèi)筒和外筒間形成一個(gè)夾套，中間通以冷卻水；內(nèi)筒內(nèi)壁上焊有螺旋片或其他傳熱元件。

當(dāng)套筒由傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，鍋爐排出的高溫爐渣在套筒內(nèi)由螺旋葉片導(dǎo)向前進(jìn)，冷卻水連續(xù)均勻地通過(guò)套筒封閉夾層，使熱態(tài)爐渣逐步冷卻。

該型號(hào)冷渣機(jī)優(yōu)點(diǎn)是：出力調(diào)節(jié)性能好，不易堵渣；便于檢修，整機(jī)壽命較長(zhǎng)。

該型號(hào)冷渣機(jī)缺點(diǎn)是：承壓能力一般，換熱效果一般，筒體板材較厚，整機(jī)重量較大，磨損嚴(yán)重，運(yùn)行及檢修工作量較大。

該型號(hào)冷渣機(jī)較適用于中小渣量工況。

1.3 膜式壁式滾筒冷渣機(jī)

膜式壁式滾筒冷渣機(jī)基本特征是它的筒體由沿圓周分布的鋼管組成，鋼管間通過(guò)鰭片焊接而成，鋼管內(nèi)腔通以冷卻水。鋼管和鰭片組成的原筒體兼起內(nèi)筒和外筒作用，內(nèi)筒內(nèi)壁上焊有百葉狀葉片或其他傳熱元件。該型號(hào)冷渣機(jī)通常采用分倉(cāng)結(jié)構(gòu)，將筒體分為3～8個(gè)冷卻倉(cāng)以增加冷卻面積。

該型號(hào)冷渣機(jī)優(yōu)點(diǎn)是：換熱效果強(qiáng)，出力調(diào)節(jié)性能好，不易堵渣，承壓能力高，整機(jī)壽命長(zhǎng)。

該型號(hào)冷渣機(jī)缺點(diǎn)是：焊縫較多，內(nèi)應(yīng)力大，加工及裝配精度要求較高。

該型號(hào)冷渣機(jī)較適用于中大渣量工況。

2 水冷滾筒冷渣機(jī)存在問(wèn)題及分析

水冷滾筒冷渣機(jī)主要存在四大問(wèn)題：出力問(wèn)題、泄漏問(wèn)題、安全問(wèn)題、壽命問(wèn)題。此外，水冷滾筒冷渣機(jī)設(shè)計(jì)選型中還存在冷卻水量過(guò)大的問(wèn)題。

2.1 出力問(wèn)題

滾筒冷渣機(jī)的出力是指在設(shè)計(jì)排渣溫度范圍內(nèi)滾筒冷渣機(jī)冷卻熱渣的處理能力。冷渣機(jī)出力大小的本質(zhì)是熱渣的熱傳遞總量大小。在底渣的熱傳遞過(guò)程中，主要有輻射傳熱和傳導(dǎo)傳熱兩種方式。

2.1.1 底渣熱傳遞計(jì)算

根據(jù)傳熱學(xué)計(jì)算底渣熱傳遞總量：

式中：Q為底渣散熱總量，J；Qc為傳導(dǎo)傳熱量，J；Qf為輻射散熱量，J；F為筒體散熱水套總面積，m2；Ff為底渣輻射總表面積，m2；Fz為底渣與筒壁接觸面積，m2；Tz為底渣進(jìn)料溫度，℃；Tg：筒內(nèi)壁溫度（≈水溫），℃；λ為底渣導(dǎo)熱系數(shù)，w／（m·k）；δ為底渣料層厚度，m；ε為底渣與內(nèi)筒的角系數(shù)；a為底渣與筒壁接觸系數(shù)；nf為底渣表面積與筒體總換熱面積的比。各種結(jié)構(gòu)型號(hào)的冷渣機(jī)，nf值不同［1］。

根據(jù)該上述計(jì)算分析，在相同換熱面積的前提下，傳導(dǎo)傳熱量與底渣料層厚度成反比，與底渣與筒壁接觸系數(shù)成正比；輻射傳熱系數(shù)與底渣的總表面積成正比。

因此，水冷式滾筒冷渣機(jī)提高出力主要手段為：增大換熱面積、增大底渣與筒壁接觸系數(shù)、增大底渣總表面積。

增大換熱面積主要采用增大冷渣機(jī)筒體長(zhǎng)度和直徑、采用曲線結(jié)構(gòu)冷卻壁、分倉(cāng)等方式。

增大底渣與筒壁接觸系數(shù)主要采用筒內(nèi)密布百葉狀葉片，降低底渣料層高度等方式。

增大底渣總表面積主要采用采用分管、增大拋灑面積等方式。

2.1.2 各型號(hào)滾筒冷渣機(jī)主要結(jié)構(gòu)特征及適用范圍

1）多管式滾筒冷渣機(jī)的結(jié)構(gòu)上主要采用了曲線結(jié)構(gòu)冷卻壁、管內(nèi)密布螺旋葉片、分管等方式以增大換熱面積、底渣與筒壁接觸系數(shù)和底渣總表面積，該型號(hào)冷渣機(jī)冷卻效果較好。同樣，由于其采用蜂窩式多管結(jié)構(gòu)，排渣量較大時(shí)易堵渣、承壓能力較差、端板易開(kāi)裂、管內(nèi)螺旋焊接難度較大。因此，多管式水冷滾筒冷渣機(jī)筒體長(zhǎng)度及直徑上限制性較大，其在設(shè)備中大型化上有較明顯瓶頸。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該型號(hào)冷渣機(jī)較適宜排渣量小的工況。

2）夾套式滾筒冷渣機(jī)結(jié)構(gòu)上主要采用了增大冷渣機(jī)筒體長(zhǎng)度和直徑、筒內(nèi)密布百葉狀葉片、增大拋灑面積等方式以增大換熱面積、底渣與筒壁接觸系數(shù)和底渣總表面積，該型式冷卻效果一般。同樣，由于采用夾套式結(jié)構(gòu)，在相同處理量時(shí)，它的體積較大，設(shè)備本體質(zhì)量較重，運(yùn)行及檢修成本較高，在設(shè)備大型化上有較明顯瓶頸。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該型號(hào)冷渣機(jī)較適宜排渣量適中的工況。

3）膜式壁式滾筒冷渣機(jī)結(jié)構(gòu)上采用了增大冷渣機(jī)筒體長(zhǎng)度和直徑、采用曲線結(jié)構(gòu)冷卻壁、分倉(cāng)、筒內(nèi)密布百葉狀葉片，降低底渣料層高度、增大拋灑面積以增大換熱面積、增大底渣與筒壁接觸系數(shù)、增大底渣總表面積，該型式冷渣機(jī)冷卻效果較好。同樣，由于采用模式壁結(jié)構(gòu)，在具備了夾套式和多管式滾筒冷渣機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，還采用了分倉(cāng)結(jié)構(gòu)，在設(shè)備大型化上沒(méi)有明顯瓶頸。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該型式冷渣機(jī)較適宜排渣量較大的工況。

2.2 泄漏問(wèn)題

水冷滾筒式冷渣機(jī)主要泄漏點(diǎn)有：旋轉(zhuǎn)接頭處漏水、進(jìn)渣箱與筒體之間漏渣、出渣箱與筒體之間漏渣、鍋爐渣管與進(jìn)渣斗之間漏渣。

2.2.1 旋轉(zhuǎn)接頭處漏水

冷卻水旋轉(zhuǎn)接頭技術(shù)幾年來(lái)雖然有了很大的進(jìn)步，但在運(yùn)行可靠性上仍然存在問(wèn)題。目前，采用機(jī)械密封的旋轉(zhuǎn)接頭，以波紋管作彈性元件，磨損后可自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，抗振性好，對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)、偏擺以及對(duì)密封性腔的偏斜不敏感，因此使用壽命長(zhǎng)，漏水現(xiàn)象得到很好控制，此外降低筒體轉(zhuǎn)速也是提高旋轉(zhuǎn)接頭的有效措施。

2.2.2 底渣泄漏

底渣泄漏問(wèn)題的主要原因在于冷渣機(jī)設(shè)備的特殊性，冷渣機(jī)既是一個(gè)熱力設(shè)備又是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)備，還是輸送設(shè)備。冷渣機(jī)在工作狀態(tài)下，由于熱膨脹及轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，本體部件很難直接采用接觸式精密密封結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于冷渣機(jī)內(nèi)部在運(yùn)行過(guò)程中處于正壓狀態(tài)，因此密封問(wèn)題比較突出。目前，各冷渣機(jī)廠家主要采用迷宮密封、間隙密封、脹套密封、間隙密封與疏通返料相結(jié)合等方式。其中，在達(dá)到設(shè)計(jì)工況的前提下，間隙密封與疏通返料相結(jié)合的方式可較好地控制動(dòng)靜結(jié)合部底渣泄露。

2.3 安全問(wèn)題

水冷式滾筒冷渣機(jī)主要的安全隱患為：漏紅渣、爆管、筒體爆裂等。其中較大的事故為江西分宜電廠滾筒冷渣機(jī)爆裂，撞壞下降管底部至水冷壁下聯(lián)箱的分配管，導(dǎo)致大量汽水混合物噴出，造成3人死亡和6人燙傷的事故。事故調(diào)查初步分析及近年CFB鍋爐運(yùn)行情況表明：冷渣機(jī)作為CFB爐重要的輔助設(shè)備，在運(yùn)行中容易發(fā)生冷卻水流量不足，從而造成冷渣機(jī)筒體爆裂，引發(fā)事故。

目前，水冷式冷渣機(jī)大多采用閉式循環(huán)水、除鹽水及凝結(jié)水，水壓一般在1.2MPa～2.6MPa，而在冷渣機(jī)事故狀態(tài)下，冷卻水會(huì)迅速汽化，水壓會(huì)突然升高，因而冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力一般要求大于4.0MPa，這就要求水冷式滾筒冷渣機(jī)的承壓能力必須滿足系統(tǒng)要求［2］。

夾套式水冷滾筒冷渣機(jī)換熱采用內(nèi)外筒體夾套結(jié)構(gòu)，在夾套中間水壓較高時(shí)容易出現(xiàn)內(nèi)筒失穩(wěn)和端板失效現(xiàn)象。夾套式水冷滾筒冷渣機(jī)換熱筒體設(shè)計(jì)的瓶頸在于內(nèi)筒的失穩(wěn)保護(hù)、端板的應(yīng)力釋放以及端板的制造工藝上。

多管式水冷滾筒冷渣機(jī)換熱筒體采用多管蜂窩式結(jié)構(gòu)，承壓能力較低，瓶頸在于端板承壓設(shè)計(jì)，無(wú)法在結(jié)構(gòu)上保證設(shè)備安全運(yùn)行。

膜式壁式冷渣機(jī)換熱筒體采用壓力管系結(jié)構(gòu)，承壓能力高，理論最高承壓能力可高達(dá)到8.0MPa左右，水容積較小，即使在人為故障、冷卻水中斷等極端事故工況下，均不會(huì)造成嚴(yán)重的筒體爆炸等安全事故，具有較高的使用安全保證系數(shù)。

因此，夾套式水冷滾筒冷渣機(jī)及多管式水冷滾筒冷渣機(jī)，由于結(jié)構(gòu)的限制，都存在著一定的安全隱患；同樣，膜式壁式冷渣機(jī)由于結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，在安全性上有了較大的提高。此外，由于膜式壁式冷渣機(jī)焊縫較多，如何在設(shè)備大型化的過(guò)程中減少焊縫、提高焊接質(zhì)量、減小焊接變形和消除內(nèi)應(yīng)力等方面還需要做進(jìn)一步研究。

2.4 壽命問(wèn)題

多管式滾筒冷渣機(jī)由于結(jié)構(gòu)形式上的瓶頸，該型號(hào)冷渣機(jī)一旦出現(xiàn)管內(nèi)嚴(yán)重堵渣或漏水故障，整機(jī)將報(bào)廢。而影響夾套式及膜式壁式滾筒冷渣機(jī)使用壽命因素主要為筒內(nèi)磨損、支撐輪和滾齒圈的磨損 、動(dòng)靜結(jié)合部的磨損，該兩種型號(hào)冷渣機(jī)整機(jī)壽命一般較長(zhǎng)。

2.4.1 筒內(nèi)磨損

筒內(nèi)磨損主要為機(jī)械磨損和高溫?zé)龘p。

夾套式和膜式壁式冷渣機(jī)內(nèi)部均采用百葉式葉片內(nèi)筒，底渣夾持在葉片于筒體之間基本不動(dòng)，一直到筒體頂端時(shí)拋灑而下。在此過(guò)程中底渣與筒體幾乎無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而拋灑而下的底渣不但速度非常低，而且落點(diǎn)是鋪滿底渣的筒體底部，避免了對(duì)筒體的直接沖擊，從而在根本上解決葉片及筒體機(jī)械磨損。

當(dāng)質(zhì)點(diǎn)溫度超過(guò)材料的蠕變溫度時(shí)發(fā)生燒損。夾套式和膜式壁式冷渣機(jī)內(nèi)部葉片的溫度及其材質(zhì)決定其高溫?zé)龘p壽命。而一般葉片的材質(zhì)為Q345，蠕變溫度為480℃，因此，如何在運(yùn)行時(shí)保證葉片處于該溫度以下，是決定其燒損壽命的核心問(wèn)題。

根據(jù)部分設(shè)備廠家的經(jīng)驗(yàn)，底渣溫度在小于1 000℃時(shí)，葉片溫度可按下列公式估算：

葉片溫度≈水溫＋葉片高度×3.5

2.4.2 支撐輪和滾齒圈的磨損

支撐輪和滾齒圈的磨損主要為機(jī)械磨損。

夾套式和膜式壁式冷渣機(jī)的支撐輪和滾齒圈機(jī)械磨損壽命主要受到其材質(zhì)、承重線寬度、裝配精度及轉(zhuǎn)速等因素影響。解決機(jī)械磨損措施主要圍繞以上因素綜合考慮。

2.4.3 動(dòng)靜結(jié)合部的磨損

動(dòng)靜結(jié)合部的磨損主要為旋轉(zhuǎn)接頭磨損、進(jìn)渣箱與筒體之間磨損、出渣箱與筒體之間磨損。解決動(dòng)靜結(jié)合部磨損最主要的措施是降低筒體轉(zhuǎn)速。

2.5 冷卻水問(wèn)題

水冷式滾筒冷渣機(jī)冷卻水主要有兩大問(wèn)題，即冷卻水水壓?jiǎn)栴}和冷卻水水量問(wèn)題。

2.5.1 冷卻水水壓?jiǎn)栴}

國(guó)內(nèi)電廠多臺(tái)冷渣機(jī)實(shí)際使用效果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，多管式滾筒冷渣機(jī)適用冷卻水水壓為不大于1.25MPa，夾套式滾筒冷渣機(jī)適用冷卻水水壓為不大于2.5MPa，膜式壁式冷渣機(jī)適用冷卻水水壓為不大于4.0MPa。

2.5.2 冷卻水水量問(wèn)題

冷渣機(jī)冷卻水量計(jì)算依據(jù)為：能量守恒定律。即：冷卻水吸收熱量（Q1）＋設(shè)備本體散熱總量（Q2）＝底渣熱傳遞總量（Q3）。

由于設(shè)備本體散熱總量（Q2）較小，故冷卻水量可按下列公式估算：

式中：W1為冷卻水量，t；W2為底渣總量，t；T2為出水水溫，℃；T1為進(jìn)水水溫，℃；T3為出渣渣溫，℃；T4為入渣渣溫，℃；C1為水比熱容，J／（kg·℃）；C2為渣比熱容，J／（kg·℃）［3］。

根據(jù)該上述計(jì)算分析，冷卻水水量與底渣總量成正比，與水溫差、渣溫差成函數(shù)關(guān)系。

冷渣機(jī)選型根據(jù)規(guī)范要求，不宜小于燃用設(shè)計(jì)煤種排渣量的150%，不宜小于燃用校核煤種排渣量的135%。

冷渣機(jī)正常工況排渣溫度應(yīng)小于150℃，故障時(shí)冷渣機(jī)排渣溫度應(yīng)小于200℃。

故冷渣機(jī)的設(shè)計(jì)出力大于實(shí)際出力，冷渣機(jī)為了達(dá)到設(shè)計(jì)出力，其熱交換面積及冷卻水量需按設(shè)計(jì)值計(jì)算。

鍋爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)排渣量達(dá)不到設(shè)計(jì)值時(shí)，多管式及板式冷渣機(jī)受到其承壓能力較低的限制，需保證冷卻水流量以防止排渣量突然增大時(shí)，筒體間隙內(nèi)冷卻水迅速汽化，筒體內(nèi)壓力增大引發(fā)爆裂事故。因而，多管式及板式冷渣機(jī)冷卻水水量需按冷渣機(jī)設(shè)計(jì)銘牌出力供給。而膜式壁式冷渣機(jī)采用壓力管系設(shè)計(jì)，承壓能力較高，在排渣量突然增大時(shí)，管內(nèi)可形成一定壓力下的飽和水而不會(huì)汽化引發(fā)爆裂事故。因而，在冷卻水量不足時(shí)，膜式壁式冷渣機(jī)冷卻水量可根據(jù)鍋爐實(shí)際排渣量供給。

根據(jù)電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合各設(shè)備廠家提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，冷卻水量渣水比約為：（t／t）

多管式滾筒冷渣機(jī)：渣∶水＝1∶4.0～4.9

夾套式滾筒冷渣機(jī)：渣∶水＝1∶3.5～4.2

膜式壁式滾筒冷渣機(jī)：渣∶水＝1∶2.5～3.2。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

1）多管式滾筒冷渣機(jī)較適用于冷卻水水壓不大于1.25MPa，設(shè)計(jì)出力小于6t／h的工況；

2）夾套式滾筒冷渣機(jī)較適用于冷卻水水壓不大于2.5MPa，設(shè)計(jì)出力小于15t／h的工況；

3）膜式壁式滾筒冷渣機(jī)較適用于冷卻水水壓不大于4.0MPa，設(shè)計(jì)出力大于15t／h的工況；

4）在選用水冷式滾筒冷渣機(jī)時(shí)，冷卻水量宜按設(shè)計(jì)銘牌出力計(jì)算供給；

5）在設(shè)計(jì)選型過(guò)程中，冷卻水量嚴(yán)重不足的情況下，膜式壁式滾筒冷渣機(jī)冷卻水量可根據(jù)鍋爐實(shí)際排渣量計(jì)算供給。必要時(shí)，可采用冷卻水二次循環(huán)的辦法，保證冷渣機(jī)冷卻水流量充足。

3.2 建議

1）冷渣機(jī)設(shè)備選型應(yīng)在設(shè)計(jì)煤種的基礎(chǔ)上充分考慮到今后煤種變化的趨勢(shì)，至少考慮一臺(tái)冷渣機(jī)的備用；

2）中大型冷渣機(jī)選型宜優(yōu)先選擇膜式壁式滾筒冷渣機(jī)，并優(yōu)化冷卻水系統(tǒng)；

3）依據(jù)水冷式冷渣機(jī)的傳熱計(jì)算方法計(jì)算灰渣傳熱曲線，得出冷渣機(jī)選型可按二級(jí)冷卻的方案設(shè)計(jì)，即：高溫段采用水冷滾筒式冷渣機(jī)冷卻，低溫段采用風(fēng)水聯(lián)合冷渣機(jī)冷卻的組合方式，以達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

［1］ 岑可法.循環(huán)流化床鍋爐原理設(shè)計(jì)及運(yùn)行［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1998.

［2］ 蔡淵.火力發(fā)電廠除灰設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程［M］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012.

［3］ 張曉杰.循環(huán)流化床水冷式冷渣機(jī)的傳熱計(jì)算方法探討［M］.東北電力技術(shù)，1999（2）：20－21.