電站鍋爐干式排渣改造研究及效益分析

中國能源建設集團科技發展有限公司 李文科

2021年國家執行最新《一般工業固體廢物貯存和填埋污染控制標準》（GB18599-2020），對火電廠的灰渣排放處置也提出了更高的環保要求。在火電廠的眾多設備中，燃煤鍋爐的排渣系統作為其中的一項重要輔助設備，在電廠生產中發揮著關鍵的作用[1]。從20世紀八十年代開始，灰渣分除的濕式除渣系統在燃煤電廠得到廣泛的應用[2-3]。我國從20世紀九十年代引入干式除渣技術[4]，干式排渣技術與水力排渣系統相比，具有系統維護簡單、節水環保、干渣活性好等優點，為燃煤電站排渣系統在節水、節能及綜合利用方面開辟了新的途徑[5]。

1 設備概況

某電站現有2臺350MW 和4臺140MW 燃煤機組。其中，3、5、6號機組鍋爐均為上海鍋爐廠設計制造的超高壓、中間一次再熱、單汽包自然循環、平衡通風、四角切圓燃燒、固態排渣煤粉爐，采用全鋼雙排柱構架懸掛結構方式，爐本體采用露天布置。配套雙室四電場高效電除塵器。鍋爐除渣系統采用水力除渣，鍋爐排渣后爐渣經碎渣機破碎后排至渣溝，然后經渣漿池和渣漿泵輸送至灰場或脫水倉。

1.1 排渣系統改造必要性

目前，除渣及脫水倉設備已運行多年，運行設備陳舊，故障頻發，需耗費大量人力物力，去灰場排渣水污染重且消耗水量大，如對含渣廢水進行處理，投資費用大，運行維護成本高。市環保局要求電廠沖渣水不能外排。脫水倉和濃縮機的分級水處理系統進行修復治理，恢復原有功能，經測算須投資500余萬元，投資大，且不能徹底解決除渣設備老舊和環保面臨的問題。電廠輸灰管線埋于地下，經過多年輸送灰漿，現管道經常出現腐蝕泄漏，嚴重影響了機組的生產運行，且泄漏時對管道沿線的居民及公園區域造成污染，嚴重影響周圍居民生活。綜上可以看出，電廠需要取消3、5、6號機組鍋爐水力沖渣系統，采用干式除渣系統輸送到渣倉。

1.2 排渣設備現狀

3、5、6號機組鍋爐渣斗排出的渣漿經灰渣溝匯入渣漿池內，通過渣漿泵將渣漿送入脫水倉或貯灰場。現除渣系統設兩臺脫水倉，一臺接受渣漿，一臺進行脫水、卸渣。渣在脫水倉中經4～8h 的脫水后由汽車拉走，脫水倉的溢流水、析水進入高效濃縮機進行沉淀，沉淀后的渣漿由立式泥漿泵打入脫水倉再脫水，較干凈的溢流水進入濃縮機后，進入緩沖池，干凈的溢水進入補水池，由管道泵將水打至脫水倉后做反沖洗用。脫水倉的有效容積約180m3。

目前的濕式排渣系統為國內20世紀八十年代技術，存在耗水量大、系統龐大復雜，故障率高和沖渣系統管道易堵塞等問題。電廠350MW 機組粉煤灰全部綜合利用，采用罐車裝運，可銷售到周邊水泥廠和攪拌站。銷售價格受季節影響略有波動，全年平均價格約為67元/t。140MW 機組采用水力除渣，由于脫水倉脫水效果不好，無法直接利用，受環保檢查影響，無法晾曬，目前采用與干渣搭配銷售的方法，免費裝車外運，干渣搭配銷售價格約為5元/t，銷售利潤較低。

1.3 濕式排渣系統存在的問題

一是水耗高。年耗水約5萬t/臺機組，水耗費用6萬元/臺機組，若進行水處理建造設備費用2.4萬元/臺機組，廢水處理費用2.25萬元/臺機組，四臺機組水費每年33萬元。二是能量浪費。濕渣系統很難回收底渣中的熱量。而干渣系統可回收爐底渣殘余熱量，提高鍋爐熱效率。三是故障率高。設備老化檢修維護費用高；檢修維護工作量大；配件庫存量大；檢修和維護不便。四是灰渣綜合利用低。灰渣經過水融合后，活性降低，綜合利用差。干渣系統中灰渣燃燒充分、碳含量低，保留了爐渣的活性，利于灰渣綜合利用，提高公司效益。五是環境污染。由于濕式除渣無利用價值，需做填埋處理造成環境污染。

2 干式排渣改造方案

2.1 干式排渣系統

干式排渣方案和濕式排渣系統在技術上較可靠的，使用壽命較長。干式排渣系統簡單，不需要用水，故不存在結垢問題。排渣外運是用密閉運渣汽車外運供綜合利用或運到灰場碾壓貯存。為了不破壞渣的原有活性，干排渣外運還可用干渣廂式貨車輸送，提高渣綜合利用率。

采用風冷式鋼帶干排渣機的除渣系統簡單，占地面積小，運行費用低，干渣綜合利用價值高，隨著鋼帶輸渣機國產化設備技術的不斷完善，價格下降等因素，促使其在國內大型火力發電機組的應用有強勁遞增的勢頭。根據相關資料，截至2018年年底國內已有500余個燃煤電廠簽訂了近千臺鋼帶輸渣機訂貨合同，其中已投產約600臺套，包括600～1000MW 機組已投產約200臺套。干式除渣系統正在逐步取代原來的濕式撈渣機系統。

干式除渣系統是在不用水的條件下采用空氣自吸入處理爐底渣的系統。爐底改干式排渣機后，爐底渣（約800～950℃）在干式輸渣機內與冷空氣進行熱交換，進入爐內的空氣可加熱到約400℃。能提高鍋爐效率約0.32%（初步理論估算值）。爐底渣在冷卻的過程中進一步燃燒，爐底渣的含碳量改造前后大約能降低到0.2%～0.3%；燃煤電廠濕渣系統改為干渣系統適合我國節能減排，保護環境的指導方針政策。

2.2 干式排渣系統原理

干式排渣系統的流程如圖1所示。

圖1 干式排渣系統流程圖

機械密封：用于渣井與鍋爐連接處的密封，能承受高溫且能滿足鍋爐各個方向的熱膨脹量。渣井：用于鍋爐與渣井之間的過渡連接，呈錐形漏斗狀，渣井內襯需澆筑耐火澆注料，主要起到爐渣緩沖和暫時儲渣的作用。液壓破碎關斷門：油缸驅動，設置密集格柵，有效防止大渣直接落到干渣機輸送帶對干渣機造成破壞；在有大渣時，起到破碎作用；關閉門體時，起到隔絕渣井與干渣機的作用，便于后續環節設備的檢修。風冷干渣機：干除渣系統的主要設備，其作用為渣的冷卻和輸送。碎渣機：二級破碎，將渣塊進一步破碎至約25mm×25mm 小塊，便于渣倉儲存。渣倉：儲渣。布袋除塵器：對斜渣過程的含塵空氣進行有效過濾，保證達標排放。干卸料：貯存在渣倉的灰渣直接通過此設備裝入自卸車，該設備排出的灰渣不含水，可用于二次利用。濕式卸料：貯存在渣倉的灰渣直接通過此設備裝入自卸車，該設備排出的灰渣不揚塵但適量含水，不造成二次污染可直接堆放至灰場。干式排渣系統的原理如圖2所示。

圖2 干式排渣系統原理圖

3 干式排渣改造后性能效果分析

3.1 干式排渣系統低負荷與高負荷運行對比

對2號爐進行了低負荷和高負荷試驗。根據試驗數據分析，干排渣系統高負荷時有利于提高鍋爐效率，低負荷時降低鍋爐效率。所以，根據不同的負荷和不同的環境溫度，通過對干排渣各進風口的風量調節和液壓關斷門的開關，提高鍋爐效率約0.3百分點。

3.2 鍋爐熱效率對比

利用反平衡熱效率法對鍋爐的效率進行計算，當鍋爐中燃料燃燒時，各項熱損失越少，鍋爐效率越高。計算式如式（1）：

其中：ηgl為鍋爐熱效率，%；q2為排煙熱損失百分比；q3為可燃氣體未完全燃燒熱損失百分比；q4為固體未完全燃燒熱損失百分比；q5為鍋爐散熱損失百分數；q6為灰渣物理熱顯熱熱損失百分數。

干式排渣系統改造前鍋爐的散熱損失、排煙損失、機械未完全燃燒熱損失都要高于改造后的熱損失。其中，煤中灰分的90%進入煙氣成為飛灰，但是由于排出爐外的飛灰溫度約等于排煙溫度，而大、中型鍋爐的排煙溫度通常為150～160℃，且飛灰的比熱僅為0.82kJ/（kg），所以，飛灰的物理熱損失通常小于千分之一而忽略不計。改造后的鍋爐總熱損失為9.38%，改造前的平均總熱損失為9.645%，熱損失平均減少0.265%，所以鍋爐的總效率升高0.265%。根據運行記錄，改造前鍋爐效率平均約為90.5%，改造后鍋爐效率可增加為90.765%。

4 效益分析和預期效果

4.1 效益分析

按照正常排渣量設計煤種10t/h；水價格2元/t；廠用電價0.4元/kWh；干爐渣每噸售價根據當地區20元/t，濕渣10元/t（委托處理費用）；鍋爐按年運行時間5000h 計算，干、濕卸渣設備出力100t/h。

水資源。原濕式除渣費用為：2元/t×（10×30%（濕渣帶走）＋2（蒸發））t/h×5000h/年=5萬元/年。若采用干渣系統干式排放，無水耗；若采用加濕卸渣，25%含水率。可采用脫硫廢水進行加濕攪拌卸料，無額外費用增加，且有其余社會效益增加。

爐渣利用。濕式除渣：-10元/t×10t/h×5000h/年＝-50萬元/年。干式除渣：20元/t×10t/h×5000h/年＝100萬元/年。

年配件費用。濕式除渣：平均約30萬元/年。干式除渣：15萬元/年。

人工費用。取檢修維護人工10萬元/人（含工資、福利、保險等）。濕式除渣檢修維護人員4人/爐總計為40萬元。干式排渣系統檢修維護人員2人/爐，為20萬元/年。

4.2 預期效果

性能提升。排渣無水耗；回收熱量，提高鍋爐熱效率；灰渣綜合利用高；無污染和危害。

節省費用。一是年節約水費5萬，且無水污染，有巨大的社會效益。二是每年爐渣可再次利用，減少原處理濕渣費用約50萬元，且可以出售干渣獲得收益約100萬元，此項總收益約150萬元。三是配件費用由濕渣30萬元/年，減低至15萬元/年，此項效益15萬元。四是人工費用由濕渣40萬元/年，減低至20萬元/年，此項效益20萬元。

綜上，總收益約190萬元/年/爐，總投資約468萬元/臺爐（均價），即468/190≈2.46年可完全回收設備投資成本。本計算未考慮濃縮機、冷卻水泵、溢流水泵等水循環取消后節省的電費。即使考慮到DCS 改造費用，按常規經驗，大約3年即可回收成本。

5 結論

一是干式排渣系統改造符合環保要求，同時在一定條件下可提高鍋爐熱效率，對電廠生產管理、節能環保有較大改善。二是干式排渣系統改造可帶來較客觀的運行費用節省以及灰渣的綜合利用收益，投資回收期限短，適合國內大部分老舊電站鍋爐的排渣系統改造。三是干排渣系統在國內的運行經驗較濕排渣系統而言，時間短，業績少，有待進一步地運行考察和試驗數據分析。