爐渣處理系統選型分析

張光榮，趙世澤，王 勇，李蜀生，張洪濤，于永強

(1.青島達能環保設備股份有限公司，青島 266300； 2.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013)

0 引 言

鍋爐是重要的能源轉換設備，也是能源消費大戶和重要的環境污染源，是與人類共存的產業。我國鍋爐以燃煤為主，其中火電2019年裝機容量為11.9億千瓦，占世界第一。

鍋爐爐底渣處理系統是指對爐底排出的爐渣進行收集、冷卻、輸送、存儲等的綜合處理系統，主要應用在燃煤、生物質和垃圾等固體燃料鍋爐。爐渣處理系統最早采用水力和簡單的機械除渣，如卷揚機牽引有軌小車、螺旋除渣機、馬丁除渣機等，隨著機組容量的增大和技術發展都已淘汰[1]。爐渣處理系統目前主要有兩種：一是采用水冷的濕排渣系統，二是采用空冷的干排渣系統；其核心冷卻輸送設備詳見表1。

表1 爐渣處理系統分類表

1 濕排渣系統

1.1 濕排渣系統發展

世界行業內火電機組爐底濕排渣系統主要有兩種型式：WAH水力排渣和SSC機械排渣；WAH因技術落后，耗水量大，現已經淘汰。

SSC最早由西德在1957年研制，SSC較WAH具有節水、系統更加簡單等優勢[2]，迅速在西歐火電廠中得到廣泛應用[3]；美國Babcock&Wilcox公司早在1967年便引進了西德Deutsch Babcock Group的SSC技術，美國CE、UCC、艾侖等著名發電設備制造公司也都在積極發展SSC技術；日三菱、東工、石川島插磨等重工公司也在積極發展SSC技術。

我國1974年在元寶山發電廠全套引進了首臺SSC濕式爐渣處理系統；1998-2006年間我國完成了300-1 000 MW的SSC國產化；2010年之后，新建機組均采用水浸式大傾角刮板撈渣機系統[4]。水浸式有利于灰渣冷卻和防止大渣沖擊，大傾角有益于析水和實現一步進倉。

1.2 濕排渣系統優勢

(1)冷卻效果好。水冷卻效率高、速度快；渣量大工況，富水地區可選擇。

(2)磨損小。水冷卻效果好，無高溫影響，磨損小。

(3)基本不漏風。正常運行只有關斷門之間縫隙，漏風量約0.1%～0.2%。

(4)適應能力強。對煤質適應能力強，出力調節范圍大。

1.3 濕排渣系統不足

(1)水耗。SSC主要依靠水冷卻熱渣，耗水量雖然只有WAH的10%～20%，但是1t渣也消耗2～3 t水[2]。隨著國家對電廠污水平排放的環保要求，近年國內各大設計院、生產廠商和業主都在研究零溢流技術，實現零溢流的水耗約1 t水/t渣，節水效果更加顯著[5-6]。

(2)水污染。污水處理系統復雜，污水更是環保問題；嚴寒地區還有寒冰危害。熱渣落入撈渣機水箱后，水被瞬間氣化，蒸汽對爐底設備腐蝕嚴重。所以，選用濕排渣時應采用零排放技術，優選撈渣機零溢流；可采用增加換熱器，設置大渣分離破碎裝置等實現大出力時零溢流。

(3)水爆。水浸式撈渣機冷卻水箱深度1 500～2 500 mm，大渣落入后可被水完全浸沒。水的傳熱系數大，大渣表面疏松多孔，水滲入渣內部產生猝發式蒸發，迅速被氣化、膨脹，形成水爆[7]。湖北鄂州、寧夏靈武、新疆石河子、山東濰坊、河南沁北等電廠等都曾出現水爆引起撈渣機損壞情況。應采用大渣分離破碎技術，防止大渣水爆；同時可適當降低撈渣機水箱深度。

(4)降低鍋爐熱效率。爐底熱輻射會造成大量水分蒸發；300 MW級約1.5 t/h，600 MW級約2.3 t/h，1 000 MW級約3.1 t/h；零溢流1 t熱渣約耗用1 t水。所有水耗會導致大量熱量損失，濕排渣可降低0.3～0.4%的鍋爐熱效率[6]。大渣分離破碎技術有益于減少鍋爐熱效率影響。

(5)布置問題。輸送升角35°，布置受限[4]。

2 干排渣系統

2.1 干排渣系統發展

干排渣技術由日本川崎重工株式會社發明，原理是采用空氣對高溫爐渣進行冷卻，但未得到實際應用。美國UCC公司的PAXTM干式負壓爐底除渣系統，是以高溫碎渣機及氣力輸送為關鍵設備的干排渣系統，目前在美國有少量業績，也沒有得到推廣。市場上得到廣泛應用的干渣系統設備主要有三種類型，根據核心設備干渣機結構方式和原理分為：鋼帶(網帶)干渣機、鏈板(履帶)干渣機和鱗斗干渣機。

鋼帶干渣機由意大利MAGALDI公司在1985年研制，90年代初被國際市場認可；2000年后我國開始自主研發鋼帶干渣機，并迅速在國內得到廣泛應用。鏈板干渣機由英國克萊德貝爾格曼公司在1997年研制開發，自2006年上半年進入中國市場并得到較多應用[8]。鱗斗干渣機由中國青島達能環保股份有限公司在2012年自主研發，是最新技術干式排渣機，近五年占據新建機組50%市場份額[9-10]。

2.2 干排渣系統優勢

(1)節水。空冷無水耗，在世界缺水地區具有巨大經濟和社會效益。

(2)節能。系統耗電少，運營維護費低。

(3)余熱回收。回收爐底熱量提高鍋爐熱效率。

(4)底渣利用。殘碳能繼續燃燒，底渣有活性，可制造水泥、加氣磚、鋪路等。

(5)安全環保。無水爆、水汽腐蝕、水污染等危害[6-12]。

2.3 干排渣系統不足

(1)降低鍋爐效率[13-15]。干排渣系統最大的爭議就是鍋爐熱效率，有的工程提高爐效，有的降低爐效；降低爐效主要原因有：①部分產品技術落后，產品質量差、配置低，導致運行不穩定，故障時人工排渣打開過多人孔門，冷卻空氣不受控；②傳統控風方式和冷卻技術問題；③檢修維護人員采用外包制度，部分技能弱和管理不到位。通過選用先進技術、優質產品，提高管理技能等可解決此問題[6-16]。

(2)設備問題。大出力時，網帶機會打滑、跑偏[17]，尤其是長距離干渣機；鏈板變形卡塞、脫開并導致干渣機過流跳閘，圓環鏈、接手易磨損、冷卻效果差，維護量大等問題[18-19]。

(3)布置問題。升角33°，布置受到限制[4]。

3 按煤質選型

3.1 選型分析

爐渣渣量和結焦程度是選擇爐渣處理系統的最重要指標，按表2選型。無論是濕排渣還是干排渣，在處理易結焦煤時，應配置大渣分離破碎裝置(液壓破碎關斷門，水平對擠式)代替液壓關斷門(垂直搖臂式)。

表2 爐渣系統按煤質選型表

結焦程度可按如下三種方法判定。

3.2 按ST和Qnet，v，ar判定結焦性

ST和Qnet，v，ar判定結焦性，見表3。

表3 按ST和Qnet，v，ar判定結焦性界定[1]

3.3 按煤灰成分質量百分數判定結焦性

按煤灰成分質量百分數判定結焦性，見表4。

表4 按煤灰成分質量百分數判定結焦性界定

Rz=1.24RBA+0.28R-2.3×10-3ST-19×

10-3Sp+5.4

其中按各物質的質量分數計算。

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 ℃長渣，灰渣的液態和固態共存時間長容易結焦；FT-ST<100 ℃為短渣[22]。

3.5 濕排渣工程應用

表5是濕式刮板撈渣機系統配置大渣分離破碎技術在易結焦煤質近幾年應用業績表，項目均由我國西北電力院設計或總包。由表可以得出，在缺水地區濕式排渣技術也有應用。

3.6 干排渣工程應用

表6是干式排渣系統配置大渣分離破碎裝置在易結焦煤質應用統計表，均采用大渣分離破碎技術。分析得，無論褐煤、煙煤、貧煤、無煙煤，灰分高低程度，結焦程度等，業主和設計院更愿意采用節水節能的干排渣系統。東南亞水資源豐富的國家目前也大量采用干排渣系統。

表5 大渣分離破碎裝置濕排渣業績表

表6 干排渣技術應用于結焦煤質統計表

4 按布置結構選型

4.1 布置結構分類

爐渣系統主要布置結構可分為：一級進倉、二級進倉、斗提機進倉。濕排渣系統中，受冬季溫度影響，斗提機進倉應用很少。干排渣系統中，氣力輸送進倉形式應用也較少。

4.2 濕排渣布置結構

撈渣機一級進倉是目前最先進布置形式，除了空間受限的改造系統外，均采用一級進倉，見表7。

表7 部分長距離一級進倉濕排渣業績

4.3 干排渣布置結構

干渣機種類較多，布置結構較靈活。據不完全統計，近五年的部分招標信息總結見表8。

表8 部分干排渣系統布置結構統計表

續表8

電廠名稱及機組號機組/MW長度/m出力/t·h-1升角/°布置結構山東莒南力源熱電350483～835一級山東莒南力源二期350483～835一級酒鋼集團酒嘉風電350506～1530一級華能仙人島發電廠368 t/h28/203～830/90斗提山東鵬翔集團臨淄320 t/h20/301.5～530/35兩級江陰熱電有限公司220 t/h192～630一級錫林郭勒盟東烏旗170 t/h22/182.5～1038/90斗提

總結見表9，得干渣機一級進倉也是主流的布置結構，且許多斗提機進倉已改造為一級進倉[10]。

表9 布置結構總結分析

5 結束語

(1)撈渣機濕式排渣和干渣機干式排渣技術各有優勢和不足，可根據實際需求靈活選用具有先進技術的高質量產品。

(2)根據濕與干排渣系統特點選型時，缺水地區優選干排渣技術；富水地區可選擇濕排渣技術，應采用零排放，優選零溢流技術。

(3)按煤質選型，無論褐煤、煙煤、貧煤、無煙煤，灰分高低程度，結焦程度等，均可選用干排渣系統；濕式和干式排渣系統均應采用大渣分離破碎技術。

(4)按布置結構選型，濕式和干式排渣系統，均優選一級進倉布置結構。