SC型气槽式冷渣机.doc

全国化工热工设计技术中心站年会论文集 119
SC型气槽式冷渣机
在韶钢热电厂140t/h流化床锅炉上的应用

王广生 刘耀辉 余广才 彭建泰 毛鸿禧

[内容提要] 文中就SC型气槽式冷渣机在韶钢热电厂140t/h流化床锅炉上的应用中，遇到的炉底渣的颗粒特性和管道连接系统的设计要求等问题进行了分析。同时，还探讨了它的运行特点和传热特性，并对SC型气槽式冷渣机进行评价，在渣量为1.04 ~2.03 t/h时,渣温由800°C 冷却至56~67°C，它的热效率为92~95%，冷却效率为93.8%。它的冷却效果好，无转动部件，维修工作量少。运行稳定、安全可靠，便于实现自动化与大型化。
[关 键 词] 气槽式冷渣机 应用

1、概述：
韶关钢铁集团公司热电厂现有一台140 t/h流化床锅炉，由东方锅炉股份（集团）有限公司设计制造，于1999年投入运行。该炉的出渣系统配有三台江苏靖江合金钢厂生产的水冷螺旋式冷渣机，要求将炉底渣冷却至200 °C以下，然后用斗式输渣机送至渣仓，再用汽车运送出厂。该系统投入运行一年多以来，暴露出水冷螺旋式冷渣机的问题不少。螺旋轴及叶片磨损十分严重，经常是一个月左右就磨穿，不但维修工作量大，而且维修费用高，一年消耗的备件费用就高达10万元左右1）。此外，冷却水量虽达90 t/h，而冷却后的渣温却远远高于200 °C，水温升高不到10 °C.
有鉴于此，韶关钢铁集团公司热电厂组织厂内有关科技人员进行攻关，经过多方了解和查阅资料，尚无成熟的设备可替代。2000年6月，深圳天士达能源有限公司到韶关钢铁集团公司热电厂进行技术交流，介绍该公司新近研制的专利产品——SC型气槽式冷渣机的工作原理、性能及特点，引起韶关钢铁集团公司热电厂领导与工程技术人员的兴趣，表示愿意采用该专利产品。双方共同商定，一方面进一步进行考查，编写出可行性研究报告；另一方面向韶关钢铁集团公司领导汇报，争取集团公司领导的支持。2000年月10月，韶关钢铁集团公司批准立项，11月初，韶关钢铁集团公司与深圳天士达能源公司签订了²韶钢热电厂140 t/h锅炉冷渣机系统技术改造²的技术协议。技术协议的要求如下：
· 经气槽式冷渣机冷却后的渣温£ 200 C°；
· 回收灰渣余热，提高锅炉效率；
· 不因冷渣机故障影响锅炉的安全运行；
· 只需少量常规备件即可满足运行、维修要求，维修工作量少；
· 具有保护环境、改善劳动卫生条件。

2、安装与试运行工作情况：
SC型气槽式冷渣机设计的着眼点不仅仅是冷却炉底渣，而要求其工作与流化床锅炉的燃烧工况能有机地结合在一起：利用炉底渣的余热，改善燃烧工况，提高锅炉效率，确保锅安全与经济运行。因此，气槽式冷渣机与锅炉及锅炉烟风系统的管道连接就有一定的要求，需要有专业技术人员进行系统设计。韶钢热电厂由于长期重视科技工作，不但有强有力的技术班子，还有强有力的检修队伍。因此，系统设计由该厂设备科承担，安装工作由电厂检修班完成。
2000年月11月15日，他们完成了全部的安装工作，次日即投入试运行，但结果不理想。究其原因，主要是对炉底渣颗粒特性认识不足，颗粒太粗，不能形成气槽；再加之管道系统布置不甚合理，给风不正常,无法投入运行。
经过改进后，12月21日再次投入试运行，取得了十分令人满意的结果。稳定运行三星期后，组织现场测试，渣温一直被冷却到56~67 °C，；冷却渣量为1.24~2.03 t/h 1）,2）， 全面达到和超过技术协议规定的各项指标，保证了140t/h流化床锅炉安全、经济、满发的运行要求。

3、流化床锅炉炉底渣的特性分析：
燃烧宽筛分煤的流化床锅炉（包括FBC&CFBC），在正常情况下要求入炉煤颗粒度为0~8 mm。实际上，不同的用户入炉煤的颗粒度差别很大，最大的颗粒远远超过8 mm。特别是宽筛分煤进入流化床锅炉后，因扬析导致锅炉燃烧效率的降低引起了广泛的关注，采取了各种措施进行改进，如各种各样的燃烬措施和循环装置等逐步得以解决。而对于长期停留在床内的大颗粒给流化床锅炉的安全与经济运行带来的危害，认识不足。我厂140t/h流化床锅炉系鼓泡床，本应设有溢流口，后来因燃烧优质煤，溢流渣量不大，锅炉制造厂在设计制造中就取消了溢流口，用排放泠渣来代替。在这种情况下，应有连续自动排放与冷却炉底渣装置及时排出长期停留在床内的炉底渣，以确保锅炉安全、经济运行。然而，我厂在建厂时由于没有合适的冷渣机可供选用，不得已选用了螺旋式冷渣机。如前所述，这种冷渣机在机械故障方面的毛病使我们用户十分头痛。但它是以机械转动方式为主的冷却方式，它的设计与运行时对灰渣的颗粒特性要求不高。现在，我们选用了气槽式冷渣机，它是以气-固两相流理论为基础建立起来的冷却方式，对炉底渣的颗粒特性提出了一定的要求。
通常流化床锅炉入炉煤及溢流渣的颗粒平均当量直径大致为：dcp £ 2.5 mm3）。我们这次在SC型气槽式冷渣机的试运行过程中，对炉底渣进行了筛分分析，结果如表1所示2）。
用重量平均直径方法进行计算。
令: di ——某一筛网的孔径，m：
di+1 ——为与di相邻的上一筛网的孔径，m。
则此区间的平均孔径为：
dcpo = Ö di * di+1 （1）
那么，炉底渣的平均颗粒直径dcp为：
dcp = å Xi * dcpo ，m （2）
颗粒当量平均直径dcpk为：
dcpk = j * dcp ，m （3）
计算出来的颗粒平均直径dcp = 5.74 mm，考虑到形状系数j = 0.63，则颗粒当量平均直径dcpk = 3.62 mm，与已有的资料提供的数椐相差甚远。
针对流化床锅炉炉底渣这一新的颗粒特性进行调整后，取得了十分满意的冷却效果，炉底渣能迅速地及时排放与冷却，从800 C°以上冷却至56 ~ 67 C°，运行稳定，安全可靠。

4、管道系统的连接设计：
气槽式冷渣机用空气作工质，要求的风量为3800~4500Nm3/h，风压为4200~6000Pa。由于我们的锅炉一次风机尚有余量，便从一次风机抽出部分空气供冷渣机用。为了保证锅炉正常运行不受影响，最初，我们设计的风道直径较小，也没有注意三个进气口的分配要求，致使在第一次试运行中，出现三个进风口中的第一进口抡风，第三进口供风不足现象，形成不了气槽。针对第一次试运行中暴露出来的管道系统存在的的问题，我们加大了风道直径，设置进风口平衡联箱。第二次试运行一举成功。后来，我们还采取了一些密封措施，经过两个月来的运行实践表明，实际运行风量只有3000~3500Nm3/h，最大风压没有超过4500Pa，没有发生过因气槽式冷渣机的投入运行而影响锅炉正常运行现象。
我们认为，合理地进行风道与配风设计对气槽式冷渣机是很很重要的。如果一次或二次风机容量有富裕，抽出部空气供给气槽式冷渣机作工质，不会影响锅炉的正常运行。而且还可节省投资，节省电耗。

5、SC型气槽式冷渣机的运行：
SC型气槽式冷渣机自投入运行至今，已二月有余，运行稳定、安全可靠，没有因设备故障而影响正常运行，满足了锅炉排放与冷却炉底渣的需要。
SC型气槽式冷渣机的启动十分简单。首先，打开进出口水阀，向冷渣机内的冷却水管进水。此时，用出口水联箱放气阀放气，直至有水流出，表示冷却水管已进满水。接着就是开启总进风门，调节前、中后三个进风门的开度，依次为4/5，3/5和2/5。同时，用出口风门调节溢流口处压力为±0.0Pa。最后，开启进渣门，将炉底渣送入冷渣机中进行冷却。约十分钟后，冷渣机的出渣口慢慢有被冷却的炉底渣排出。直至进出渣量达到平衡，即可转入转入正常运行。
在正常运行期间，只需根椐锅炉风室压力调节的炉底渣的排放量，监视冷却后的炉底渣温度、出口风温和出口水温。若冷却后的炉底渣温过高，可适当增冷却水量和风量。冷却风量的调节，主要是决定于排出的热空气温度，若出口风温太高，可适当增加给风量。若出口水温太高，应加大供水量和适当加大风量，使之不致沸腾。在正常运行中，应保持后风室压力为4200±200Pa，溢流口压力为±0∽50Pa。
SC型气槽式冷渣机的停运程序是： 关闭进渣阀； 5∽10分钟后放出冷渣机内残渣； 依次关闭进口风门和出口风门； 最后，关闭出、进口水阀门。若停运时间超过7天，应及时放干冷却水管内的积水，关好检查门，作好相应的保养。
SC型气槽式冷渣机在两个多月的运行中，没有出现过渣温冷却不下来、不排渣和气槽内结焦等运行故障。
由于它没有机械转动另部件，因而也没有机械磨损等机械故障发生，气槽上面的冷却水管也未出现磨损问题。总之，它的运行稳定，无事故，安全可靠。

6、冷渣机的冷却效果分析：
首先，要把炉底渣的温度由800～950 ℃降至安全温度以下，这就要求冷渣机必须把排出的炉底渣所拥有的热量被冷却介质带走。由传热公式及热平衡公式得知，
Q = K * F * DT （4）
Qz = Qz¢ - Qz² = jL( Qk + Qs ) （5）
式中：Q、K、F及DT分别代表热交换量（Kcal / h）、传热系数（Kcal / m2 h ℃）、传热面积（ m2）和传
热温差（℃）。
Qz¢ 和Qz²分别代表进出冷渣机前后的炉底渣拥有的热量，（Kcal / h）。
Qk 和 Qs分别代表冷却介质空气和水所带走的热量，（Kcal / h）。
jL 为冷渣机的保温系数，jL=0.92~0.95。
在传热温差DT有限的情况下，要求在有限的容器内实现炉底渣的冷却，就要有足够多的传热面积F或尽可能高的传热系数K。几种冷渣机的传热系数列于表23),4)。显而易见，只有选择传热系数高的传热方式，才是减少传热面积，缩小冷渣机体积，实现大型化，减少材料与劳动力消耗，节省投资的关键。这次我们选用的气槽式冷渣机就具有传热系数高的特性，因而满足了这一要求。
根据现场对SC型气槽式冷渣机的测试结果，冷却的炉底渣量平均为1.68 t/h，由800°C冷却至62 °C，炉底渣应释放的热量为Qz=287673 Kcal/h。空气被加热后的的温度为138 °C，消耗的空气量为3800 ~ 4500 m3/h，取平均值为4150 m3/h 。那么，空气带走的热量为Qk = 139900 Kcal/h5）,6)。
水应带走的热量为Qs = js (Qz - Qk )= 0.95(28763 – 139900) = 147773 Kcal/h。由于水量没有计量，无法对水侧进行核算，但水温升高了10 °C左右。椐此可推算出冷却量约为14.8t/h，根椐我们的运行经验，这与实际情况基本相符。

表1 韶钢热电厂炉底渣筛分分析2） 表2 几种冷渣机传热系数比较表3）4）
序号
颗粒范围(mm)
重量分额(%)
1
2
3
4
5
d < 2
2 < d < 5
5 < d < 10
10 < d < 22
d > 22
18.46
32.31
37.23
11.38
0.62
序号
冷渣机名称
传热系数(kcal / m2h ℃)
1
2
3
4
5
单管式
多管式
螺旋式
滚筒式
流化床式
<10
<20
<10
<20
50~200

其次，要确保冷却后的炉底渣温度在安全温度以下。根椐劳动法的规定，为了保护人身和运输设备的安全，人身可直接接触的温度是60℃。若人身不直接接触，可达80 ℃。被冷却后的渣若用埋刮板机或斗式输送机送出锅炉房，它们可承受的温度一般是120~150°C，由此可以确定冷却后的渣温定为两个挡次：即80°C和150°C。
我们双方在签订技术协议时，由于受到原先使用螺旋式冷渣机冷却温度高于200℃影响，虽然气槽式冷渣机可降到150℃以下，我们仍按£200℃的在求签订协议。实际运行结果，只有56~67℃，我们双方都十分满意。
第三，冷渣机的热效率和冷却效率评价。若进出冷渣机前后的炉底渣拥有的热量为Qz¢ 和Qz²，空气和水从炉底渣中带走的热量为 Qk 和 Qs ，按照热平衡，炉底渣所拥有的热量Qz，必须被冷却工质带走，即：
Qz = Qz¢ - Qz² = jL( Qk + Qs )
冷渣机的热效率hr和冷却效率hl分别表示如下：
Qk + Qs
hr = ————— （6）
Qz¢

Qz¢ - Qz²
hl = ————— （7）
Qz¢
由此可计算出SC型冷渣机在目前运行条件下的热效率和冷却效率：
hr = 92~95 %，
hl = 93.8 %。
足见它的热效率与冷却效率是很高的。
值得一提的是冷却介质的选择和应用，对于能否有效的利用灰渣余热，能否与流化床锅炉的燃烧工况有机地结合，促进燃烧，提高燃烧效率，确保床层安全、稳定与经济运行也很重要。同时，它还影响冷渣机本身的动力消耗。SC型气槽式冷渣机利用空气作工作介质，加热后送入炉膛，改善燃烧；冷却介质水是用化学水，加热后送入除氧器，提高锅炉效率。
通过第一台气槽式冷渣机的应用，说明SC型气槽式冷渣机还有很大的冷却余量未被利用，我们准备将其它两台螺旋式冷渣机全部拆除，重新布置，用两台气槽式冷渣机替代原三台螺旋式冷渣机，将加热后的热空气作送入炉膛作二次风使用。预计这一工作将在今年5月分可以完成。我们将在140 t/h 流化床锅炉全部采用SC型气槽式冷渣机正式投产后，组织专业测试队伍进行正规测试，以得出详细而正确结论，便于进一步改进和利于推广应用。

7、结论：
SC型气槽式冷渣机满足了韶钢热电厂140 t/h 流化床锅炉排放炉底渣的要求，它不但具有流化床传热系数高、冷却效果好的优点。而且，它能有效地利用灰渣余热，与流化床锅炉的燃烧与传热工况有机地结合，促进燃烧，提高燃烧效率。特别是SC型气槽式冷渣机没有机械转动另部件，运行中无机械故障，没有其它机械转动式冷渣机存在的检修频繁、维护费用高之患。它与QD型自动排渣阀配合使用，可以保证自动、连续、安全排放炉底渣，实现远动或自动化。

[参考资料]
【1】彭建泰 余广才 王广生 刘耀辉 吴 疑 毛鸿禧，韶钢热电厂140t/h流化床锅炉采用SC型气槽式冷渣机工作报告，韶关钢铁集团公司科技部，2001年1月17日，。
【2】王广生 刘耀辉 骆耀林，韶钢热电厂140t/h流化床锅炉采用SC型气槽式冷渣机测试报告，韶关钢铁集团公司科技部，2001年1月15日，。
【3】毛鸿禧，沸腾锅炉，湖南科学技术出版社，1979.6.。
【4】岑可发等，循环流化床锅炉理论 设计与运行，中国电力工业出版社，1998.5.。
【5】毛鸿禧 陈中波，流化床锅炉灰渣的冷却，面向21世纪的热电联产论文集，P.270~277，2000年5月宁波。
【6】毛鸿禧 张吉堂等，气槽式炉底渣输渣机（SCT）的开发，面向21世纪的热电联产论文集，P.278~282，