馮 斌, 盧 平

(1.華東電力設(shè)計(jì)院有限公司 發(fā)電分公司, 上海 200063; 2.南京師范大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210023)

燃煤鍋爐機(jī)組仍是我國(guó)主要的發(fā)電形式。2019年我國(guó)火電裝機(jī)容量為11.9億kW,位列世界第一。目前國(guó)內(nèi)大型煤粉鍋爐主要采用水力除渣和干除渣兩種排渣系統(tǒng),即采用刮板撈渣機(jī)的水冷濕排渣系統(tǒng)和鋼帶干渣機(jī)的空冷干排渣系統(tǒng)[1]。濕式刮板撈渣機(jī)系統(tǒng)是將爐膛內(nèi)煤粉燃燒并落入鍋爐冷灰斗下方渣井內(nèi)的焦渣,通過水冷爆裂后,經(jīng)撈渣機(jī)破碎、壓力水沖以及灰渣泵輸送等過程儲(chǔ)存于儲(chǔ)灰場(chǎng)。該系統(tǒng)存在水系統(tǒng)復(fù)雜、沖渣水消耗量大、冷渣污水排放、工作環(huán)境差、渣余熱無法回收利用、影響鍋爐熱效率,以及灰渣綜合利用價(jià)值較低等缺點(diǎn)[2-3]。隨著工業(yè)用水價(jià)格的上升、節(jié)能減排的深入以及灰渣深度綜合利用要求的提高,電廠鍋爐逐步放棄傳統(tǒng)的水力排渣方式。

與水力排渣系統(tǒng)相比,風(fēng)冷式干排渣系統(tǒng)具有工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單、布置緊湊、節(jié)水環(huán)保、運(yùn)行維護(hù)工作量小等優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)不但無水蒸氣產(chǎn)生,避免了水蒸氣引入對(duì)鍋爐效率的影響,而且當(dāng)干排渣系統(tǒng)入爐熱空氣溫度大于350 ℃時(shí),可一定程度地回收爐渣余熱,系統(tǒng)能耗較低[4]。然而,該系統(tǒng)存在的主要缺點(diǎn)是燃煤適應(yīng)范圍較窄,系統(tǒng)重要運(yùn)行參數(shù)難以控制,當(dāng)燃用高含硫量、低熔點(diǎn)煤種時(shí),大塊焦渣塌落易造成鋼帶輸送機(jī)損壞和一、二級(jí)碎渣機(jī)卡堵,使得機(jī)組因排渣受阻而降負(fù)荷運(yùn)行,甚至停機(jī)。同時(shí)當(dāng)渣量變化較大時(shí),大量冷卻空氣進(jìn)入鍋爐,也會(huì)對(duì)鍋爐燃燒和鍋爐效率造成不利影響[5-6]。因此,為了確保有效回收底渣熱量,避免冷渣系統(tǒng)對(duì)鍋爐效率產(chǎn)生不利影響,有必要研發(fā)一種造價(jià)低、適應(yīng)性好的新型干排渣系統(tǒng)。

本文在分析現(xiàn)有風(fēng)冷式和水冷式排渣系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了一種新型風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng),建立了風(fēng)水聯(lián)合、濕式排渣等系統(tǒng)的熱平衡模型,并結(jié)合熱平衡分析與案例計(jì)算,分析了新型風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)的節(jié)能效果,以期為風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)的工作原理

風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)由兩級(jí)冷卻系統(tǒng)組成,其工藝流程如圖1所示[7]。

圖1 風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)工藝流程示意

第1級(jí)冷卻系統(tǒng)主要由擠壓破碎機(jī)、風(fēng)冷式鋼帶冷渣機(jī)(或鏈板機(jī))和過渡渣斗等組成。通過風(fēng)冷式鋼帶冷渣機(jī)(或鏈板機(jī))冷卻作用,將爐渣初步冷卻至300～400 ℃(即鍋爐鋼帶所能承受的正常運(yùn)行溫度)。這樣既保證了進(jìn)入爐膛的熱風(fēng)溫度遠(yuǎn)大于350 ℃,回收了爐渣排放的熱量,減少了鍋爐不完全燃燒損失,又減少了入爐空氣量,達(dá)到了提高鍋爐效率的目的。第2級(jí)冷卻系統(tǒng)主要由冷卻水系統(tǒng)、間冷式滾筒冷渣器、斗式提升機(jī)和渣倉(cāng)等組成,以溫度合適的冷卻水(如凝結(jié)水等)為冷卻介質(zhì),利用間冷式滾筒冷渣器吸收爐渣輻射和接觸傳遞的熱量。工作時(shí),經(jīng)第1級(jí)冷卻后儲(chǔ)存在過渡渣倉(cāng)中的爐渣,進(jìn)入間接水冷式滾筒冷渣器,在回轉(zhuǎn)作用下高溫灰渣被冷渣器內(nèi)壁和冷卻葉片帶到一定高度后落下,爐渣冷卻和換熱效果得到了進(jìn)一步強(qiáng)化,冷卻后的爐渣經(jīng)斗式提升機(jī)送入渣倉(cāng)儲(chǔ)存。凝結(jié)水可由溫度合適的某級(jí)低壓加熱器引出,通過間接換熱吸收爐渣余熱,升高溫度后,再引回相應(yīng)溫度的凝結(jié)水系統(tǒng),通過低壓加熱器或除氧器等后在汽輪機(jī)中做功發(fā)電,實(shí)現(xiàn)廢熱的再利用。若電廠有采暖供熱需求,加熱后的凝結(jié)水可作為采暖供熱用,其熱效率更高[8]。

風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)采用直接風(fēng)冷和間接水冷相結(jié)合的兩級(jí)聯(lián)合干排渣工藝,不僅對(duì)爐渣冷卻效果好、無渣水循環(huán)、熱風(fēng)量可控,而且顯著增強(qiáng)了對(duì)鍋爐煤種和機(jī)組負(fù)荷變化的適應(yīng)性,在回收底渣余熱的同時(shí),提高了鍋爐效率。此外,通過滾筒冷渣器的間接水冷作用,進(jìn)一步回收了底渣余熱,回收的余熱可進(jìn)入汽水系統(tǒng)做功或直接作為采暖供熱的熱源,實(shí)現(xiàn)了提高機(jī)組的熱效率和降低機(jī)組煤耗的目的。

2 3種排渣系統(tǒng)熱平衡模型的建立與分析

結(jié)合風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)及傳統(tǒng)的濕式和風(fēng)冷排渣系統(tǒng)的工作原理,分別以風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)、濕式刮板撈渣機(jī)系統(tǒng)以及傳統(tǒng)的風(fēng)冷式鋼帶冷渣機(jī)系統(tǒng),建立相關(guān)的熱平衡計(jì)算模型。

2.1 風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)的熱平衡及回收熱

2.1.1 第1級(jí)冷鋼帶冷渣機(jī)的熱平衡

風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)涉及第1級(jí)風(fēng)冷鋼帶冷渣機(jī)和第2級(jí)間接水冷式滾筒冷渣器兩個(gè)熱平衡系統(tǒng)。圖2為第1級(jí)風(fēng)冷式鋼帶機(jī)熱平衡示意圖。由圖2可知,風(fēng)冷式干冷渣系統(tǒng)熱量包括底渣冷卻所釋放的熱量(Q1)、底渣中未燃盡碳所釋放的熱量(Q2)、鋼帶機(jī)散熱量(Q3)和入爐熱空氣的熱量(Q4)4部分[9]。

圖2 風(fēng)冷式鋼帶冷渣機(jī)熱平衡示意

第1級(jí)風(fēng)冷式干排渣機(jī)內(nèi)的底渣放熱量(Qhr)由底渣冷卻所釋放的熱量(Q1)和底渣中未燃盡碳所釋放的熱量(Q2)組成,即

Qhr=Q1+Q2

(1)

Q1=c1mT1-c2mT2

(2)

Q2=32 700mCca

(3)

式中:T1——爐膛底渣的排渣溫度,根據(jù)燃煤鍋爐運(yùn)行工況,取880 ℃;

T2——鋼帶冷卻后的排渣溫度,根據(jù)鋼帶機(jī)運(yùn)行條件,一般取350 ℃;

c1,c2——爐膛高溫排渣和鋼帶冷卻后排渣的比熱容,可由不同溫度下燃煤灰渣比熱容插值計(jì)算得到,根據(jù)文獻(xiàn)[10]以及T1和T2取值溫度確定,其值分別為0.882 9 kJ/(kg·K)和0.805 3 kJ/(kg·K)(以下取值方法相同);

m——底渣質(zhì)量,kg;

Cca——底渣中未燃盡碳含量,按1%計(jì)算。

第1級(jí)風(fēng)冷式鋼帶機(jī)的放熱量(Qha)由鋼帶機(jī)散熱量(Q3,其值按鋼帶機(jī)內(nèi)底渣放熱量的15%計(jì)算,即Q3=0.15Qhr)和入爐熱空氣的熱量(Q4)組成,即

Qha=Q3+Q4

(4)

Q4=caVTf

(5)

式中:ca——入爐熱空氣比熱容,取1.350 8 kJ/(kg·K);

V——入爐熱空氣量,其值為入爐總空氣量(Va)的0.5%～0.6%,kg/s;

Tf——入爐熱空氣溫度,其值約為350～400 ℃。

根據(jù)鋼帶機(jī)的熱平衡關(guān)系,存在Qhr=Qha,即Q4=Q1+Q2-Q3,進(jìn)一步變換可得

Q4=caVTf=0.85(c1mT1-

c2mT2+32 700mcca)

(6)

因此,根據(jù)式(6)可計(jì)算出爐膛吸熱量Q4和入爐熱空氣溫度Tf。

2.1.2 第2級(jí)間接水冷式滾筒冷渣器的熱平衡

滾筒冷渣器的放熱量(Qhr,d)是指滾筒間冷水冷過程中底渣冷卻所釋放的熱量,即

Qhr,d=ηd(c2mT2-c3mT3)

(7)

式中:ηd——滾筒冷渣器的熱轉(zhuǎn)化率,取0.8;

T3——滾筒冷渣器排渣溫度,取100 ℃;

c3——T3=100 ℃下的底渣比熱容,取0.768 7 kJ/(kg·K)。

2.1.3 風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)總回收熱量的計(jì)算

若第2級(jí)滾筒冷渣器加熱后的冷凝水回到低壓加熱器繼續(xù)做功,則可按式(7)計(jì)算,若第2級(jí)滾筒冷渣器作為采暖供熱的熱源,則有Q采暖回收>Q低加回收。本文暫按低壓加熱器回收熱量計(jì)算。

因此,風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)總回收熱量(Qt1)由入爐熱空氣的熱量(Q4)和滾筒冷渣器的放熱量(Qhr,d)組成,即

Qt1=Q4+Qhr,d

(8)

進(jìn)而,可根據(jù)總回收熱量(Qt1)折算出標(biāo)準(zhǔn)煤耗。

2.2 濕式刮板撈渣機(jī)系統(tǒng)的總吸熱量

由于濕式刮板撈渣機(jī)水封系統(tǒng)的作用,底渣冷卻過程中產(chǎn)生的蒸汽全部進(jìn)入爐膛,進(jìn)而吸收爐膛的熱量,最終對(duì)鍋爐效率產(chǎn)生負(fù)面影響。刮板撈渣機(jī)入爐蒸汽量如圖3所示。

圖3 刮板撈渣機(jī)入爐蒸汽量

圖3中,進(jìn)入爐膛的蒸汽由兩個(gè)部分組成:一是鍋爐輻射熱產(chǎn)生的蒸汽量q1(kg/s);二是熱渣與水接觸所產(chǎn)生的閃蒸蒸汽量q2(kg/s)。

q1=FtE

(9)

式中:Ft——鍋爐排渣口面積,m2;

E——槽體單位面積水的蒸發(fā)量,根據(jù)美國(guó)A-S-H公司的工程標(biāo)準(zhǔn),可取2.03×10-2kg/(m2·s)。

落入撈渣機(jī)的熱渣所釋放的熱量(Q2,c)和產(chǎn)生閃蒸蒸汽的吸熱量(Q2,s)分別為

Q2,c=c1mT1-c4mT4

(10)

Q2,s=cwq2(100-60)+q2Qr

(11)

式中:c4——T4=60 ℃下冷渣比熱容,取0.762 8 kJ/(kg·K);

T4——冷渣溫度,取60 ℃;

cw——60～100 ℃下水的平均比熱容,取4.19 kJ/(kg·K);

Qr——水的氣化潛熱,取2 256 kJ/kg。

熱渣放出的顯熱部分用于產(chǎn)生閃蒸蒸汽,根據(jù)熱平衡原理,存在(1-ηf)Q2,c=Q2,s。其中,ηf為閃蒸的熱損失,取0.2。根據(jù)式(10)和式(11)即可以計(jì)算出閃蒸蒸汽量q2。

因此,進(jìn)入鍋爐總吸熱量(Qft)為

Qft=cwq2(100-60)+q2Qr+

csq1(Tpy-100)

(12)

式中:cs——水蒸氣比熱容,取2.1 kJ/(kg·K);

TPy——鍋爐的排煙溫度,取120 ℃。

最終,根據(jù)進(jìn)入爐膛總吸熱量可折算成標(biāo)準(zhǔn)煤耗。

2.3 風(fēng)冷鋼帶冷渣機(jī)系統(tǒng)的熱平衡

傳統(tǒng)風(fēng)冷式鋼帶冷渣機(jī)系統(tǒng)的熱平衡與風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)的第1級(jí)風(fēng)冷式干排渣熱平衡類似。在某些工況(煤種、負(fù)荷、含硫量等變化較大)下,會(huì)造成風(fēng)冷式鋼帶機(jī)的冷卻風(fēng)量過大,進(jìn)而對(duì)鍋爐燃燒及熱效率產(chǎn)生較大的不利影響,但由于因素較為復(fù)雜,具體影響難以統(tǒng)計(jì)獲得。范仁東[11]認(rèn)為,風(fēng)冷鋼帶機(jī)對(duì)鍋爐熱效率存在負(fù)面影響,且在不利工況下,其鍋爐熱損失遠(yuǎn)大于濕式刮板撈渣機(jī)系統(tǒng)。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)上述熱平衡模型及回收熱計(jì)算方法,以常熟電廠1 000 MW燃煤發(fā)電機(jī)組為例,進(jìn)行了3種排渣系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算。具體計(jì)算條件如下:爐膛高度為20.715 m,爐膛寬度為1.357 m,排渣量為12 t/h,入爐總空氣量為976.1 kg/s,熱渣溫度為880 ℃,耗煤量為406.7 t/h,底渣含碳量按照1.0%計(jì)算(即為繼續(xù)燃燒的底渣含量),煤的低位發(fā)熱量為21 374 kJ/kg。將上述已知參數(shù)分別代入相應(yīng)的熱平衡模型方程,其計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 3種排渣系統(tǒng)煤耗和蒸汽量的計(jì)算結(jié)果

由表1可知,3種排渣系統(tǒng)中,風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果,而另外兩種冷渣系統(tǒng)均會(huì)不同程度地增加煤耗。就風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)而言,其第1級(jí)鋼帶冷渣機(jī)回?zé)峁?jié)約煤耗的效果十分顯著,占總節(jié)約煤耗的86.8%,與濕式刮板撈渣機(jī)系統(tǒng)相比,其節(jié)約煤耗約為0.35 g/kWh。究其原因在于,風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)可以有效控制入爐風(fēng)量,從而在保證干渣系統(tǒng)有效回收底渣熱量的前提下,提高了鍋爐的熱效率。

基于熱平衡模型分析還可以看出,入爐空氣量越少,鍋爐回收熱量越高。因此,在進(jìn)行風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),可對(duì)現(xiàn)有鋼帶機(jī)頭部滾筒和托輥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),確定優(yōu)化耐溫參數(shù),同時(shí)擴(kuò)大滾筒冷渣器入口的管徑,以確保碎渣機(jī)高溫運(yùn)行的穩(wěn)定性和系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。此外,本文提出的風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng),僅需增加2臺(tái)間冷式滾筒冷渣器(1臺(tái)運(yùn)行,1臺(tái)備用),其中滾筒冷渣機(jī)的市場(chǎng)價(jià)約為60萬元/臺(tái),對(duì)600 MW或1 000 MW燃煤機(jī)組而言,該系統(tǒng)所增加的設(shè)備和土建安裝的投資額不超過180萬元,因此其對(duì)排渣系統(tǒng)的總投資影響不大。

4 結(jié) 語

本文構(gòu)建了一種新型風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng),基于傳熱學(xué)基本理論和運(yùn)行實(shí)踐,建立了該系統(tǒng)以及濕式排渣系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算模型,并以1 000 MW燃煤發(fā)電機(jī)組為例,分析了風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)性。研究結(jié)果表明,風(fēng)水聯(lián)合干排渣系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果,與濕式刮板撈渣機(jī)系統(tǒng)相比,其節(jié)約煤耗約為0.35 g/kWh,與風(fēng)冷式鋼帶冷渣機(jī)(鏈板機(jī))相比,其能耗降低更多。