李建鋒 ，于 斌 ，豐 斌 ，李健奇 ，蔡新春 ，冷 杰 ，孫海軍 ，呂俊復(fù)

（1.中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)，北京 100761；2.北京國(guó)電電力有限公司 薩拉齊電廠，內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭 014100；3.北京中電長(zhǎng)峰節(jié)能科技有限公司，北京 100020；4.北京國(guó)科天迅科技有限公司，北京 100022；5.格盟國(guó)際能源有限公司，太原 030002；6.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，沈陽(yáng) 110006；7.北京清新環(huán)境技術(shù)股份有限公司，北京 100142；8.清華大學(xué) 熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

0 前言

隨著我國(guó)政府對(duì)碳減排的日益重視，低碳發(fā)展將會(huì)成為趨勢(shì)，而低碳社會(huì)也將成為我國(guó)今后的主要發(fā)展目標(biāo)。不過(guò)，就我國(guó)目前的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，在一段時(shí)期內(nèi)，燃煤所具有的主導(dǎo)地位不會(huì)發(fā)生改變。

隨著原煤入選比例及洗選技術(shù)日益提高，在煤炭生產(chǎn)中所洗選出來(lái)的優(yōu)質(zhì)燃煤將會(huì)被大量用于煤化工、煤制油等產(chǎn)業(yè)［1］，以部分替代石油制品，降低我國(guó)的原油消耗及碳排放；與此同時(shí)，洗選過(guò)程將會(huì)產(chǎn)生大量的低熱值燃煤，由于循環(huán)流化床鍋爐所具有的燃煤適應(yīng)性廣和低排放特性，這些低熱值燃煤利用的主要途徑是采用循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組燃燒發(fā)電。這種方式一方面充分利用了資源，降低了煤炭消耗；另一方面也給循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組發(fā)展帶來(lái)了更大的空間［2］。

不過(guò)由于循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組燃用煤的灰分較高，灰渣量很大，因此灰渣的物理熱損失比較高［3］，如不加以利用，將明顯影響鍋爐熱效率。所以對(duì)循環(huán)流化床鍋爐所排出的灰渣物理熱進(jìn)行必要的回收利用可以顯著改善能源利用率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)文明生產(chǎn)。

1 冷渣設(shè)備的主要型式

為了回收底渣的熱量，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)各種類型的冷渣器［3-5］。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐檢驗(yàn)，CFB鍋爐使用的冷渣器從多種形式逐步集中成兩個(gè)主要類型：風(fēng)水聯(lián)合冷渣器［6-7］和滾筒冷渣器［8-13］。二者在使用過(guò)程中優(yōu)缺點(diǎn)的比較如表1所示［14］。

表1 兩種冷渣設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)的比較Fig.1 Comparison of the advantages and disadvantages of two cold slag equipment

從表1中可以看出，兩種冷渣設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)。不過(guò)就目前市場(chǎng)的實(shí)際使用情況看，由于風(fēng)水聯(lián)合冷渣器可靠性差且能耗較高，正在服役的風(fēng)水聯(lián)合冷渣器數(shù)量較少，正處于被淘汰的狀態(tài)。

滾筒冷渣機(jī)盡管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高的特點(diǎn)，但是其出水溫度較低，也在一定程度上影響了其能效指標(biāo)。

2 底渣余熱兩級(jí)利用系統(tǒng)介紹

如表1所示，在使用過(guò)程中，風(fēng)水聯(lián)合冷渣器的缺點(diǎn)主要是換熱管易磨損導(dǎo)致可靠性差，專設(shè)流化風(fēng)機(jī)導(dǎo)致電耗較高，內(nèi)部布置換熱管導(dǎo)致大顆粒底渣容易堵塞結(jié)焦，冷卻水吸熱導(dǎo)致熱風(fēng)溫度不高，以及與空氣預(yù)熱器搶風(fēng)導(dǎo)致排煙溫度升高等。但是其優(yōu)點(diǎn)也很明顯，就是可以實(shí)現(xiàn)選擇性排渣回收細(xì)顆粒，同時(shí)回收熱量直接回送爐膛，降低燃料消耗等。

為了克服風(fēng)水聯(lián)合冷渣器的缺點(diǎn)，可以采用以下方式改進(jìn)：取消換熱管，避免了磨損、大顆粒底渣堵塞及風(fēng)溫不高的問(wèn)題；采用熱一次風(fēng)作為流化風(fēng)，不影響鍋爐的排煙溫度，改善其系統(tǒng)效率低的問(wèn)題［14］。

但是，采用熱一次風(fēng)作為流化風(fēng)，一方面將會(huì)導(dǎo)致底渣冷卻能力不足，會(huì)造成排渣溫度很高；另一方面，底渣中沒(méi)有完全燃燒的碳粒可能會(huì)進(jìn)一步燃燒，使得排渣溫度有所升高。為了進(jìn)一步利用流化床冷渣器的排渣余熱，可以在流化床冷渣器的出口安裝滾筒冷渣機(jī)，利用凝結(jié)水吸收排渣余熱。由于滾筒冷渣機(jī)本身的出水溫度有限制，所以才有滾筒冷渣機(jī)進(jìn)一步利用流化床冷渣器的排渣，以實(shí)現(xiàn)底渣余熱的能量梯級(jí)利用。二者相結(jié)合的底渣余熱兩級(jí)利用系統(tǒng)見圖1。

在圖1中，底渣由鍋爐爐膛排出之后首先進(jìn)入流化床冷渣器內(nèi)被熱一次風(fēng)冷卻降溫，在此過(guò)程中，由于底渣中有未燃盡碳粒，在遇到熱風(fēng)之后這些碳粒會(huì)有一部分進(jìn)一步燃燒放熱，因此在流化床冷渣器內(nèi)需要考慮該部分未燃盡碳粒的放熱。

圖1 底渣余熱兩級(jí)利用系統(tǒng)Fig.1 Two-stage utilization system of bottom slag waste heat

3 系統(tǒng)性能計(jì)算

3.1 系統(tǒng)熱效率

在如圖1所示的系統(tǒng)中，假定流化床鍋爐爐膛的排渣溫度為tash1，℃；流化床冷渣器的出渣溫度為tash2，℃；熱一次風(fēng)溫度為tair1，℃；流化床冷渣器的出風(fēng)溫度為tair2，℃。在忽略掉流化床冷渣器表面的散熱以及細(xì)顆?；厮秃?，那么流化床冷渣器的熱平衡關(guān)系式為：

式中：mash為底渣流量，kg/s；cash為底渣比熱，k J/（kg·K）；ε為底渣燒失比例，即底渣中再次燃燒的未燃盡碳粒質(zhì)量與爐膛排渣量的比例；q為未燃盡碳粒的熱值，k J/kg；mair為熱一次風(fēng)流量，kg/s；cair為空氣定壓比熱，kJ/（kg·℃）。

同樣地，假定滾筒冷渣機(jī)的排渣溫度為tashe，℃；滾筒冷渣機(jī)的凝結(jié)水進(jìn)水溫度為tw1，℃；出水溫度為tw2，℃。在忽略滾筒冷渣機(jī)表面散熱后，滾筒冷渣機(jī)的熱平衡為：

式中：mw為凝結(jié)水流量，kg/s；cw為凝結(jié)水比熱，kJ/（kg·K）。

系統(tǒng)的總熱效率為：

式中：t0為環(huán)境溫度，℃；λ為底渣含碳量。

3.2 系統(tǒng)發(fā)電量增加值

式（3）給出了系統(tǒng)的熱效率，由于采用該系統(tǒng)后，底渣一部分熱量回送爐膛，另一部分熱量被凝結(jié)水帶走，所以其對(duì)機(jī)組發(fā)電量的影響并不相同。

假定機(jī)組的鍋爐效率為ηb，那么由流化床冷渣器送入爐膛內(nèi)的熱量所發(fā)電量為：

式中：Q1為流化床冷渣器回收的總熱量，kW；ηp為管道效率；ηs為汽輪機(jī)循環(huán)效率，其中，

式中，Qs為汽輪機(jī)熱耗率，k J/（kW·h）。

但是由于流化床冷渣器需要用熱一次風(fēng)，在經(jīng)過(guò)冷渣器后作為鍋爐的二次風(fēng)進(jìn)入爐膛，那么與二次風(fēng)相比，風(fēng)機(jī)多耗電量為：

或者，

式中：V為流化風(fēng)量，m3/s；p1、p2分別是一次風(fēng)機(jī)與二次風(fēng)機(jī)出口壓力，Pa；η1、η2分別是一次風(fēng)機(jī)與二次風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率；w1、w2分別是一次風(fēng)機(jī)與二次風(fēng)機(jī)單位能耗，k W/m3。

對(duì)滾筒冷渣機(jī)而言，由于回水溫度的差異，在其接入熱力系統(tǒng)不同位置時(shí)，帶來(lái)的收益也有不同，如圖2所示，滾筒冷渣機(jī)的出水可以接入任一低壓加熱器的出口。如需準(zhǔn)確地計(jì)算滾筒冷渣機(jī)的能效指標(biāo)，則要綜合考慮其對(duì)接入系統(tǒng)的影響，為了簡(jiǎn)便計(jì)算，在本文中認(rèn)為冷渣機(jī)所回收的熱量是對(duì)汽輪機(jī)抽汽熱量進(jìn)行了等量替換，如圖3所示。

圖2 冷渣機(jī)接入熱力系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of roller slag cooler accessing thermal system

圖3 滾筒冷渣機(jī)能效計(jì)算示意圖Fig.3 Schematic diagram of energy efficiency calculation of drum slag cooler

在圖3中，ti（i=5，6，7，8，9）代表各級(jí)低壓加熱器的出口溫度和凝結(jié)水泵出口溫度，同時(shí)也代表滾筒冷渣機(jī)相應(yīng)的出水溫度，℃；mi（i=5，6，7，8）代表各級(jí)低壓加熱器抽汽流量，kg/s。

在圖3所示的滾筒冷渣機(jī)能效計(jì)算示意圖中，相當(dāng)于把滾筒冷渣機(jī)分成Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ段，代表分別替代不同級(jí)數(shù)的低壓加熱器，由此可以計(jì)算出所替代的各級(jí)部分抽汽量。假定滾筒冷渣機(jī)的出水并入第k級(jí)低壓加熱器出口，那么可以列出下列方程組求解滾筒冷渣機(jī)所節(jié)省的各級(jí)抽汽量。

式中：k∈{ 5，6，7，8}，當(dāng)k=5時(shí)，代表滾筒冷渣機(jī)出水接入第5級(jí)低壓加熱器出口，其替代了共4級(jí)部分抽汽量，因此需要求解4個(gè)方程；當(dāng)k=6時(shí)，代表滾筒冷渣機(jī)出水接入第6級(jí)低壓加熱器出口，此時(shí)滾筒冷渣機(jī)只是部分替代了3級(jí)抽汽量，因此只需要求解前3個(gè)方程即可，以此類推。hk代表該級(jí)低壓加熱器出水焓，k J/kg。hck為該級(jí)低壓加熱器抽汽焓，kJ/kg。h9為凝結(jié)水焓，kJ/kg。

因此，汽輪機(jī)增加的功率為：

式中，he為汽輪機(jī)排汽焓，k J/kg。

因此，系統(tǒng)的發(fā)電量增加值可由式（10）計(jì)算：

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 計(jì)算條件

以某350 MW等級(jí)的超臨界循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組的技術(shù)參數(shù)為依據(jù)［15］，對(duì)底渣余熱兩級(jí)利用系統(tǒng)的能效水平進(jìn)行了計(jì)算，機(jī)組的部分技術(shù)參數(shù)見表2，一次風(fēng)、二次風(fēng)參數(shù)見表3，低壓加熱器部分技術(shù)參數(shù)見表4，機(jī)組煤質(zhì)分析見表5。計(jì)算中底渣比熱容取值為1.2 k J/（kg·℃）［6］，飛灰底渣比為1∶1，環(huán)境溫度取15℃，滾筒冷渣機(jī)最終的排渣溫度為120℃［16］，由于底渣含碳量的成分接近焦炭，因此其熱值取焦炭的熱值，即33 727 kJ/kg［17］。另外，在系統(tǒng)效率及發(fā)電量增加值計(jì)算過(guò)程中不考慮底渣細(xì)顆?；厥盏挠绊?。

表2 機(jī)組技術(shù)參數(shù)Tab.2 Parameters of unit technical

表3 一次風(fēng)與二次風(fēng)技術(shù)參數(shù)Tab.3 Technical parameters of primary air and secondary air

表4 低壓加熱器技術(shù)參數(shù)Tab.4 Technical parameters of low pressure heater

表5 機(jī)組煤質(zhì)分析Tab.5 Unit coal quality analysis

4.2 計(jì)算結(jié)果

4.2.1 效率計(jì)算結(jié)果

圖4給出了底渣余熱兩級(jí)利用系統(tǒng)熱效率計(jì)算結(jié)果，由于鍋爐的排渣溫度較高，而計(jì)算所取的排渣溫度為120℃，所以計(jì)算出的系統(tǒng)效率較高，最低也超過(guò)了60%。隨著底渣燒失比例的不斷增加，系統(tǒng)效率也隨之提高，最高則超過(guò)了96%。

圖4 系統(tǒng)熱效率Fig.4 System efficiency

4.2.2 發(fā)電量增加值計(jì)算結(jié)果

圖5給出了流化床冷渣器發(fā)電量增加值計(jì)算結(jié)果，圖中曲線的標(biāo)識(shí)數(shù)字代表流化床冷渣器的排渣溫度（圖6—圖8中的曲線標(biāo)識(shí)數(shù)字意義相同），即滾筒冷渣機(jī)的進(jìn)渣溫度。

圖5 流化床冷渣器發(fā)電量增加值Fig.5 Increased value of power generation of fluidized bed slag cooler

從圖5中可以看出，隨著底渣燒失比例的增加，流化床冷渣器的發(fā)電量增加值不斷變大，這是底渣中的碳粒進(jìn)一步燃燒所釋放的熱量又回到了爐膛所致。另一方面，隨著流化床冷渣器排渣溫度的增加，其發(fā)電量增加值變小的原因是此時(shí)回收的底渣余熱量減少了。

圖6給出了滾筒冷渣機(jī)發(fā)電量增加值計(jì)算結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)代表滾筒冷渣機(jī)出水接入的相應(yīng)級(jí)數(shù)的低壓加熱器出口，比如5代表接入5級(jí)低壓加熱器出口。

從圖6中可以看出，隨著接入低壓加熱器級(jí)數(shù)的增加，滾筒冷渣機(jī)所增加的發(fā)電量值不斷減少，這是因?yàn)榻尤氲蛪杭訜崞骷?jí)數(shù)越高，說(shuō)明滾筒冷渣機(jī)出水溫度越低，那么凝結(jié)水所含熱量的品位就越低，汽輪機(jī)的發(fā)電量也越低。另一方面，隨著進(jìn)渣溫度的提高，滾筒冷渣機(jī)發(fā)電量增加值不斷增加，這是由進(jìn)入滾筒冷渣機(jī)內(nèi)底渣余熱量增加所致。

圖6 滾筒冷渣機(jī)發(fā)電量增加值Fig.6 Increased value of power generation of drum slag cooler

由于利用一次熱風(fēng)作為流化床冷渣器的流化風(fēng)，一次風(fēng)在吸收熱量以后作為鍋爐的二次風(fēng)進(jìn)入爐膛，相當(dāng)于用高壓頭的一次風(fēng)替代了低壓頭的二次風(fēng)，在總風(fēng)量不變的情況下，必然會(huì)引起風(fēng)機(jī)電耗的增加，圖7給出了風(fēng)機(jī)電耗的增加值。

圖7 風(fēng)機(jī)電耗增加值Fig.7 Added value of wind power consumption

在圖7中可以看出，隨著底渣燒失比例的增加，風(fēng)機(jī)電耗不斷增加，這是因?yàn)槿粢乐沽骰怖湓鹘Y(jié)焦，流化床冷渣器的出風(fēng)溫度不能高于爐膛的燃燒溫度（即850℃），而燒失比例的增加意味著需要更多的流化風(fēng)帶走熱量，因此所用一次風(fēng)量增加，電耗隨之上升。隨著流化床冷渣器排渣溫度的增加，風(fēng)機(jī)電耗增加值會(huì)減少，這是因?yàn)榇藭r(shí)需要帶走的熱量降低。另外，由底渣余熱及底渣含碳量燃燒所產(chǎn)生的熱量均需要熱一次風(fēng)帶走，所以流化床冷渣器所需要的單位流化風(fēng)量較大，超過(guò)文獻(xiàn)［6］中的單位流化風(fēng)量，所以流化床冷渣器正常流化運(yùn)行沒(méi)有問(wèn)題。

圖8給出了整個(gè)系統(tǒng)發(fā)電量增加值的最大值，即在圖8中，滾筒冷渣機(jī)的出水接入5級(jí)低壓加熱器出口。從圖8中可以看出，系統(tǒng)發(fā)電量增加的規(guī)律與圖5中類似，這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)發(fā)電量增加值以流化床冷渣器為主。

圖8 系統(tǒng)電量增加值Fig.8 Increased value of power generation of system

5 分析與討論

從前面的計(jì)算結(jié)果與分析來(lái)看，底渣余熱兩級(jí)利用系統(tǒng)的效率很高，所帶來(lái)的發(fā)電量收益較大，與文獻(xiàn)［15］中的計(jì)算結(jié)果相比，系統(tǒng)發(fā)電量增加值超過(guò)了3.6 MW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)文獻(xiàn)［15］中單純使用滾筒冷渣機(jī)所帶來(lái)的1.1 MW的發(fā)電量增益。

采用熱一次風(fēng)回收底渣余熱不僅可以回收底渣顯熱，還可以將底渣中的部分飛灰含碳量的燃燒熱回收，所以效益更高，因此其發(fā)電量增加值超過(guò)了滾筒冷渣機(jī)。另一方面，流化床冷渣器的外壁可以采用防磨澆注料制作，大大提高了其系統(tǒng)的可靠性。

為了提高滾筒冷渣機(jī)的發(fā)電量增加值，一方面需要控制水量提高其出水溫度，使其能夠接入更低級(jí)的低壓加熱器出口，以取得更高的經(jīng)濟(jì)效益；另一方面也需要進(jìn)一步提高其自身的換熱效率，增加其有效換熱面積，這樣可使其平均換熱系數(shù)增加，相同的出力可以減小體積和占地面積，或者相同的體積與占地面積可以提高其出力或降低排渣溫度來(lái)增加回收余熱量。

圖9給出了一種新型高效滾筒冷渣機(jī)［18］。從圖9中可以看出：①新型滾筒冷渣機(jī)在殼體外面覆蓋有保溫層以降低其表面熱損失，同時(shí)降低外表面的溫度，避免發(fā)生燙傷事故的發(fā)生；②其外層換熱管通過(guò)肋片與殼體相連接，解決了現(xiàn)有膜式滾筒冷渣機(jī)外層換熱管的外表面無(wú)法參與換熱的問(wèn)題，使其外層下部換熱管可以完全埋到熱渣里面，提高了換熱效果；③在內(nèi)部換熱管屏上焊接前彎與后彎翅片，可以有效承接揚(yáng)渣板所攜帶的熱渣，使得內(nèi)部換熱管與熱渣充分接觸換熱，同樣提高了換熱效果；④在滾筒內(nèi)部?jī)H布置4片內(nèi)部換熱管屏，不會(huì)給滾筒內(nèi)部的維修帶來(lái)更大的困難，設(shè)備維修方便。當(dāng)然，為防止中心管在長(zhǎng)期的運(yùn)行中所受到的磨損，可以在其外面進(jìn)行相應(yīng)的表面處理，以增加其耐磨性。

圖9 新型滾筒冷渣機(jī)Fig.9 New drum slag cooler

在本文所提的底渣余熱兩級(jí)利用系統(tǒng)中，由于部分或大部分余熱被熱一次風(fēng)所帶走，所以滾筒冷渣機(jī)的出力大幅度降低，一方面可以減小其體積與占地面積；另一方面也可以大大緩解部分機(jī)組所面臨的滾筒冷渣機(jī)冷卻凝結(jié)水流量不足的問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上述分析可以看出：

（1）流化床冷渣器由于采用熱一次風(fēng)作為流化風(fēng)，同時(shí)取消了內(nèi)部的水冷換熱管，使其可靠性大大增加，同時(shí)大大增加了熱風(fēng)溫度，其所帶來(lái)的發(fā)電量增加值最高可超過(guò)3 MW。

（2）由于流化床冷渣器回收的底渣余熱直接進(jìn)入爐膛，所以其產(chǎn)生的效益更高，因此需要盡可能降低其排渣溫度。

（3）對(duì)于滾筒冷渣機(jī)而言，盡可能多地提高其出水溫度，接入更低一級(jí)的低壓加熱器出口是提高其能效的有效方法。

（4）綜上所述，本文所提出的底渣余熱兩級(jí)利用系統(tǒng)具有熱效率高、發(fā)電量增加值大等優(yōu)勢(shì)，其熱效率最高可超過(guò)96%，系統(tǒng)發(fā)電量增加值最高可超過(guò)3.6 MW，值得進(jìn)一步研究。