流化床鍋爐灰渣的冷卻

流化床鍋爐灰渣的冷卻1、前言自六十年代我國大力推廣流化床（包括FBC&CFBC）鍋爐燃燒劣質(zhì)煤以來，由于燃煤的發(fā)熱量只有800?3000Kcal/kg,灰分高達(dá)50?80%,排出的灰渣量大、溫度高，其灰渣物熱損失高達(dá)6?12%。如何處理和綜合利用這些灰渣及其余熱，既是提高鍋爐效率的需要，也是環(huán)境保護(hù)和充分利用資源的需要。為此，國內(nèi)不少能源科技工作者先后做了大量的試驗研究工作，七十年代初，工廠通過技術(shù)革新，創(chuàng)造和移植出單管水套式、擱管式和螺旋式幾種冷渣器。從七十年代中期開始，高等學(xué)校和科研單位開始投入這項探索和研究，“六五”及“七五”期間，國家將灰渣的冷卻與綜合利用列入國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項目。在此期間，旋轉(zhuǎn)筒式、氣力輸送式、立式分配板逆流式和流化床式等一大批冷渣機(jī)相繼問世，并在工廠投入試驗或運(yùn)行。同時還研制出一批有價值的實險裝置，如‘Z'形密孔板式冷渣機(jī)、渣封式冷渣機(jī)和百葉窗式冷渣機(jī)等。但沒有正式產(chǎn)品投放市場。表1列出了這一時期在生產(chǎn)上使用的一些冷渣機(jī)的特性。表1已做過試驗并在鍋爐上應(yīng)用過的冷渣器的特性匯總表序號名稱出口渣溫（°C）鋼耗（t鋼/渣）動力消耗 備注（Kw/t渣）1單管水冷式>700// 冷卻效果差。2擱管水冷式>350// 冷卻效果欠佳、鋼耗大。3螺旋（絞籠）水冷式?350//冷卻效果欠佳、機(jī)械故障較多。4旋轉(zhuǎn)筒風(fēng)冷式?3003.31‘?4.1 冷卻效果欠佳、體積大。5密孔板淺床沸騰式<1300.52>5.9冷卻效果好、電耗高。6風(fēng)帽渣封沸騰式312/?4.7冷卻效果好、電耗太高。7塔式密孔板 259/>2.1 冷卻效果好、電耗較高。8氣力輸送式<30/>6.5楞冷渣與輸渣、電耗太高。九十年代，我國為了環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源和綜合利用資源，推廣使用潔凈煤技術(shù)，流化床鍋爐在過去以燃燒劣質(zhì)煤為主的基礎(chǔ)上，迅速發(fā)展為燃燒多種煤種。現(xiàn)在，35?130t/h級CFBC鍋爐的技術(shù)業(yè)已成熟，并向更大容量鍋爐發(fā)展。因而對冷渣器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能要求越來越高，需求量也在增長。雖然在這一階段市場有螺旋式冷渣機(jī)和風(fēng)水冷旋轉(zhuǎn)筒冷渣出售，但用戶反映不夠理想。在這種情況下，國際供貨商對中國的冷渣機(jī)市場虎視耽耽。回顧過去近三十年走過的歷程，如何借鑒以往的寶貴經(jīng)驗，發(fā)展我國的冷渣機(jī)的優(yōu)良品牌，已是國人義不容辭的責(zé)任。2、各種冷渣設(shè)備概述及歷史的回顧：歸納起來，流化床鍋爐的灰渣冷卻與提高鍋爐效率、資源綜合利用和環(huán)境保護(hù)密不可分。首先，利用灰渣余熱，以提高鍋爐效率或作它用。■加熱鍋爐給水，作省煤器用。有單管水套式、擱管式、螺旋式、旋轉(zhuǎn)筒式和流化床式等。?預(yù)熱空氣，作空氣預(yù)熱器用。有旋轉(zhuǎn)筒式、氣力輸送式、立式分配板逆流式和流化床式等。?干燥煤，以利破碎與篩分。有螺旋式，流化床式和氣力輸送式等。?含塵熱風(fēng)底飼，改善流化質(zhì)量，改善燃燒。有氣力輸送式和流化床式等。?作生活熱水用。其次，將冷卻后的灰渣進(jìn)行資源綜合利用：如回填坑道、洼地和鋪筑路基等，但有效的用途是生產(chǎn)建筑材料。為此，需要保證灰渣具有好的反應(yīng)活性，故灰渣不能被水直接噴淋冷卻，或用水力沖灰輸送，而要求使用干式冷卻和輸送。第三，減輕工人勞動強(qiáng)度，減少粉塵污染，保護(hù)環(huán)境。下面，扼要介紹已在流化床鍋爐上配套使用，或作為產(chǎn)品在市場銷售的主要冷渣設(shè)備的基本情況，然后針對灰渣的特點(diǎn)、熱平衡和熱傳導(dǎo)進(jìn)行分析，從中找出規(guī)律，用于發(fā)展我國冷渣機(jī)的名牌產(chǎn)品。2-1、單管水套式冷渣器：這是最原始，也是最簡單的一種冷渣器，就是冷渣管和溢流管外面加一層水套，充當(dāng)省煤器用。它的傳熱面積小，傳熱系數(shù)低，渣在冷渣器中停留時間短，冷卻效果差，一般只能使渣溫降低100多度。2-2、擱管式冷渣器：這也是作省煤器用的一種形式。在溢流口下擱置許多鍋爐鋼管，水從管內(nèi)流過，熱渣在管間流過。水被加熱后送至鍋爐的給水系統(tǒng)。擱管有橫與豎向兩種布置方式，前者的傳熱系數(shù)為23.4Kcal/m2h°C，可使渣溫由800°C左右降至400C左右；后者的傳熱系數(shù)為24.14Kcal/m2hC，渣溫可降至380C左右。這種冷渣器體積大，消耗的鋼材多，冷卻效果達(dá)不到要求。以上兩種冷渣器均不需消耗電力，無轉(zhuǎn)動部件，結(jié)構(gòu)簡單。2-3、螺旋(絞籠)式冷渣機(jī)：七十年代一些工廠的流化床鍋爐是由鏈條鍋爐改裝而成，他們沿過去的螺旋出渣機(jī)冷卻流化床鍋爐的溢流渣，結(jié)果是冷卻效果不理想，而且螺旋葉片易磨損，還有卡死等現(xiàn)象，故障多。后來在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，主要是中心軸改用鋼管制造，用水冷卻；外殼制作水夾套；螺旋葉片改用耐磨材料等。由于熱渣在絞籠內(nèi)停留時間t短，充滿系數(shù)中低，它們分別可由下列公式計算：t=60XL/nXS(秒)(1)及中二4B/[n(D2—d2)SXnXr](2)式中B、L、n、S、D、d和r分別代表輸渣量(Kg/h)，絞籠的有效長度(m)，絞籠的轉(zhuǎn)速(r.p.m)，螺旋片之間的節(jié)距(m)，螺旋直徑(m),中心軸外徑(m)和渣的比重。(Kg/m3)o由式(1)可見，欲延長灰渣在絞籠中的停留時間，只有降低轉(zhuǎn)速，加長絞籠的長度。再考慮式(2),必然使設(shè)備不緊湊。又因它的冷卻受熱面積有限，傳熱系數(shù)低，所以改進(jìn)后的螺旋式冷渣機(jī)的冷卻效果仍不理想，冷卻后的渣溫仍在350C左右，不但達(dá)不到冷渣要求，而且在這種溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)的絞籠常出故障。如螺旋葉片與中心軸之間的焊接應(yīng)力消除問題、磨損問題和卡機(jī)現(xiàn)象等。近年從用戶處了解到，他們在九十年代中期購置的螺旋式冷渣機(jī)，運(yùn)行一個多月后就被迫停用就是例證。2-4、旋轉(zhuǎn)筒風(fēng)水冷式冷渣機(jī)：旋轉(zhuǎn)筒式冷渣機(jī)是一個支承在托輪裝置上成4。?7。傾角的旋轉(zhuǎn)筒，以1?10轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，由單獨(dú)的電機(jī)帶動。筒體直徑為900?1600mm,長度為5000?9000不等。熱渣由高位端進(jìn)入筒內(nèi)，從低位端排出。在筒體內(nèi)，冷卻用空氣與渣的流向相反，所加熱的空氣被送入煙道，未利用余熱。它出現(xiàn)于七十年代，最初是風(fēng)冷，作空氣預(yù)熱器用。由于渣溫降低有限，發(fā)展為水、風(fēng)冷卻。把筒殼做成夾層水套，水被加熱后送入鍋爐給水系統(tǒng)。這時，以水冷為主，充當(dāng)省煤器用。為了提高冷卻效果，有的筒體內(nèi)加螺旋圈，有的加拋撒板等，形成各種系列產(chǎn)品。幾種產(chǎn)品的性能指標(biāo)見表2。旋轉(zhuǎn)筒冷渣機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)能力調(diào)節(jié)范圍大，操作較方便、穩(wěn)定。但體積大而重，填充系數(shù)小，轉(zhuǎn)速低，傳熱系數(shù)不高，實際運(yùn)行的冷卻效果與表1中的指標(biāo)有一定的差距。由于有轉(zhuǎn)動部件，不免有機(jī)械故障發(fā)生。表2幾種旋轉(zhuǎn)筒風(fēng)水冷式冷渣機(jī)性能指標(biāo)序號項目名稱單位性能指標(biāo)1型號 /風(fēng)冷FSG0770-1FS-2XPL-32冷渣量t/h10.8?5.00.5?5.033排渣溫度C200 <200 <190 <1504冷卻風(fēng)量m3/t渣h16133003002675排風(fēng)溫度C<3007570?852006冷卻水量t/t渣h/4347排水溫度C/40?5040?6040?758筒體轉(zhuǎn)速r.p.m30.8?920.8?82?109電機(jī)功率Kw/t渣4.11.10.880.7310外形尺寸m9.7X1.6X1.458.525X1.6X1.5688.725x1.5x1.654.958x1.216x1.76811單重t/t渣3.31.21.2/2-5、氣力輸送冷渣輸渣機(jī)：七十年代浙江大學(xué)在某廠作了溢流渣的負(fù)壓氣力輸送試驗，利用鼓風(fēng)機(jī)吸入口的負(fù)壓，將435Kg/h,769°C的溢流渣送入直徑為中250,長7米的氣力輸送管道內(nèi)，最后經(jīng)水封重力沉降室對渣進(jìn)行分離。試驗結(jié)果是渣溫降至130C，被加熱的空氣從風(fēng)室經(jīng)風(fēng)帽送入沸騰床內(nèi)，風(fēng)量為1733m3/h，管道阻力31.4mmH20。特別值得一提的是，當(dāng)送入床層的熱風(fēng)停止而改送冷風(fēng)時，床溫竟從890C降到800C。通過布風(fēng)裝置送含塵熱風(fēng)對改善流化質(zhì)量、提高燃燒效率的效果是多么顯著。八十年代西安熱工所在某廠進(jìn)行煤的破碎-干燥-氣力分選沸騰燃燒半工業(yè)性試驗，它用灰渣余熱將空氣加熱到350C，用于干燥煤進(jìn)行破碎，用氣力輸送方式對煤進(jìn)行篩分，分選為粒徑為0.5?8mm和0?1mm兩組，分別送入流化床鍋爐燃燒。該系統(tǒng)出力為4.5?5.0t/h,采用三級氣-固分離和兩級輔助分離，分離設(shè)備加管道系統(tǒng)總阻力為295mmH20。排風(fēng)機(jī)為22kw。一般來說，氣力輸送系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，輸送量大，清潔衛(wèi)生，自動化程度高。但它的電力消耗多，管道與設(shè)備易磨損。2-6、立式分配板逆流冷渣器：在一個立式筒體內(nèi)，沿高度方向布置一組分配板，熱渣由上而下通過分配板播撒往下流動，而空氣由下往上流動，與熱渣逆向直接接觸。熱渣被冷卻至200°C左右，空氣被加熱到350C左右。八十年代初，西安熱工所應(yīng)用這種裝置在某廠用于鍋爐的底飼鼓風(fēng)給煤，運(yùn)行表明，這種裝置采用直接接觸傳熱，較之間接傳熱的冷卻設(shè)備傳熱效果要高得多。2-7、流化床冷渣設(shè)備：流化床的傳熱效果是勿容置疑的，一般地說來，流化床的傳熱系數(shù)要高于前述的幾種冷渣機(jī)。因此用流化床冷卻灰渣，不但已作過大量的試驗研究和應(yīng)用，而且，還研制出多種型式的冷渣機(jī)。但作為一種產(chǎn)品推向市場，過去未見報導(dǎo)，但投入試驗和工業(yè)應(yīng)用的有幾處。表3列出了它們的基本特性。它的冷卻效果好，鋼材消耗少，只有旋轉(zhuǎn)發(fā)筒式冷渣機(jī)的六分之一。無轉(zhuǎn)動部件，機(jī)械故障少。它所存在的問題是電耗較高，還有磨損和規(guī)范化問題等。表3流化床冷渣機(jī)能匯總表序號項目名稱單位流化床冷渣設(shè)備的型式單床風(fēng)帽式塔式密孔板式QL型淺床式SCT型1余熱利用方式/ ；省煤器空氣預(yù)熱器空氣預(yù)器省煤器、空氣預(yù)熱器2冷卻渣量t/m2h3.844.571.385.23冷卻后渣溫C31225921804冷卻風(fēng)量m3t渣h11470138159499775加熱后風(fēng)溫C3122831131706冷卻水量t/t渣h鍋內(nèi)循環(huán)//2.947加熱后水溫C鍋內(nèi)循環(huán)//?658總阻力帕72602663328015609電力消耗Kw/t渣6.22.15.910.8810單重t/t渣///0.3除上述各種冷渣設(shè)備之外，還有許多待轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的實驗裝置，它們雖未在工業(yè)上投入運(yùn)行，但很有開發(fā)前景，如“Z”密孔板式冷渣機(jī)、渣封式冷渣機(jī)和百葉窗冷渣機(jī)等。表4列出我國已開發(fā)出來的冷渣機(jī)的特性表4各種冷渣機(jī)性能及消耗指標(biāo)比較表序號冷渣機(jī)名稱型號外形尺寸長X寬X高冷渣量(t/h)出口渣溫(C)冷卻風(fēng)(m2/h)出口風(fēng)溫(C)冷卻水(t/h)出口水溫(C)傳熱系數(shù)(kcal/m2C)鋼耗(t鋼/t渣)電耗(kw/t渣)1多擱管式水冷//10?16?400////23.4//螺旋式水冷LLZ6008.86*1.59*1.764<200//28.0<65//2.75滾筒式風(fēng)冷//12001613<300//27.6*3.44.1滾筒式風(fēng)水冷FS-28.725*1.5*1.655<190150070?8515.0?55/1.20.88滾筒式風(fēng)水冷FSG07708.525*1.6*1.565<2001500?7020.0?55/?1.21.1拋灑式風(fēng)水冷XPL-34.96*1.22*1.763<150800?20012.0?75//0.73密孔板淺床式QL/0.83214926113//31.50.52<5.9密孔板式//4.62596312283//45.21/2.1氣力輸送式//4.4<130//////>6.5注：表中2?6項所列數(shù)據(jù)為設(shè)計值，7?9三項為實測值。*為容積放熱系數(shù)，Kcal/mh°C綜上所述，我國流化床鍋爐冷渣設(shè)備經(jīng)過近三十年探索、試驗和實踐，積累了十分寶貴的經(jīng)驗，應(yīng)該說已達(dá)到成熟的發(fā)展階段。現(xiàn)在需要企業(yè)家們與科技人員密切合作，開發(fā)出中國的冷渣機(jī)名牌產(chǎn)品，不但要占領(lǐng)中國市場，還應(yīng)打進(jìn)國際市場。為此，下面將冷渣機(jī)開發(fā)中需要認(rèn)識的幾個基本問題進(jìn)行分析，以利于新產(chǎn)品的開發(fā)3、流化床鍋爐灰渣的基本特性：流化床鍋爐排出的灰渣，系顆粒物料。它分為細(xì)灰（包括除塵灰和沉降灰）及大渣（包括冷渣和溢流渣）兩大類。流化床鍋爐灰渣的物理特性、比熱及1噸灰渣所擁有的物理熱分別見表5—7?？梢姡?xì)灰與大渣溫度與顆粒直徑大致分別為：■細(xì)灰：Dcp<0.8mm,T<150?450C；■大渣：DcpN2.5mm,T<850?900C由于大渣溫度高達(dá)850?900C，灰渣的冷卻主要指的是大渣。由于灰渣量大，對于劣質(zhì)煤，灰分高達(dá)50?80%，其中大渣量約占總灰量的40?50%?，F(xiàn)代大型循環(huán)流化床鍋爐燃用發(fā)熱量為3000?5000Kcal/Kg的煤，灰分也有15-30%。其中大渣量占總灰量的20?35%。這么多的灰渣，出路在何方?過去，大多是回填坑道、洼地和鋪筑路基，但有效的用途是生產(chǎn)建筑材料。為了保證灰渣具有好的反應(yīng)活性，灰渣不能被水直接噴淋冷卻，或用水力沖灰輸送，而要求使用干式冷卻和輸送。表5流化床鍋爐灰渣特性匯總表煤種粒徑范圍（mm）真實比重Yz（Kg/m3）堆積比重Yd（Kg/m3）推積空隙率E=1-（yd/yz）煤矸石：大同煙煤加開灤煤矸石（1：2）無煙煤：京西乙末茂名頁巖0?1.5,dcp=0.97423129550.5880?2.5,dcp=1.4052372 9700.5810?10,dcp=2.00231211000.5250?1.5,dcp=0.825228011300.5050?2.5,dcp=1.19229011600.4920—10,dcp=2.56235512600.4650—12,dcp=3.6313006800.477表6灰渣的比熱溫度(^)100200300400500600700800900100011001200比熱(Kcal/Kg°C)0.1930.2020.2100.2150.2190.2230.2260.2290.2320.2350.2380.240表71噸渣釋放的熱量溫度(C)比熱kcal/kgC擁有熱量Qy(kcal/t)當(dāng)渣溫由t‘=900C降至t"時，1噸渣所釋放的熱量Qz,kcalt"=400Ct"=350Ct"=300Ct"=250Ct"=200Ct"=150Ct"=100Ct"=80C900800700600500400350300250200150100800.2320.2290.2260.2230.2190.2150.2130.2100.2060.2020.1980.193208.800183.200158.200133.800109.50086.00074.55063.00051.50040.40029.70019.30015.440令：t‘二900°C,Qy‘二208,800kcal/t,Qz=Qy-Qy"式中，Qy'-流化床鍋爐排渣擁有的熱量，kcal/t。Qy"-被冷卻后的渣擁有的熱量，kcal/toQz-冷渣器應(yīng)帶走的熱量，kcal/to134.250157.300168.400178.910193.360冷卻灰渣的溫度下限以多少溫度為宜?根據(jù)勞動法的規(guī)定，為了保護(hù)人身和運(yùn)輸設(shè)備的安全，人身可接觸的溫度是60C。若人身不直接接觸，可達(dá)80Co如何用干式方法將灰渣冷卻至80C以下，回收的熱量能有效利用，以提高鍋爐效率，并能安全而方便地運(yùn)出廠外，此乃研制冷渣設(shè)備的基本要求。4、熱平衡與熱傳遞：冷卻灰渣就是要把灰渣的物理熱帶走。目前，廣泛使用的冷卻工質(zhì)是水和空氣。1000m3的空氣和1噸水可帶走的熱量列入表8及表9。按照熱平衡，冷渣機(jī)的熱效率n r和冷卻效率n 1分別表示如下：nr=〖SX(〗Qs+Qk[]Qy‘(3)n1=[SX(]QY〃[]QY'[SX)][JYH4)式中Qs和Qk分別為水和空氣的吸熱量(Kcal/h)o表81000m3空氣可帶走的熱量溫度(C)比熱kcal/kgC擁有熱量Qk(kcal1000m3)當(dāng)空氣溫度由t'=30C升至t〃時，1000m 3空氣所帶走的熱量Qk,kcal

=200°Ct〃=150°Ctt〃=400Ct〃=350Ct〃=300Ct〃=200°Ct〃=150°Ct〃=100C4000.246127.231117,921令：t‘=30CQk‘=9310kcal1000m3Qk二Qk-Qk‘3500.2445110.648Qk'-進(jìn)口空氣擁有熱量kcal/1000m3101,3383000.24394.26084,9502500.241578.065Qk〃-出口空氣擁有熱量kcal/1000m368,7552000.24262.581Qk-空氣帶走熱量，kcal/1000m353,2711500.24146.80737,4971000.24031.03221,722表91噸水可帶走的熱量當(dāng)水溫度由t'=30C升至t"時，1噸水所帶走的熱量Qs,kcal/tt〃=80Ct〃=75Ct〃=70Ct〃=65Ct〃=60Ct〃=50Ct〃=40C50,000令：t‘=30CQS‘=30,000kcal/t45,00040,000Qk'-進(jìn)口水擁有熱量，kcal/t35,000Qk〃-出口水擁有熱量，kcal/t30,000Qk-水帶走熱量，kcal/t 20,00010,000渣所擁有的熱量能否被冷卻工質(zhì)帶走，由傳熱公式?jīng)Q定：Q=K-F-AT(5)式中Q、K、F及AT分別代表熱交換量(Kcal/h)、傳熱系數(shù)(Kcal/m 2hC)、傳熱面積(m 2)和傳熱溫差(C)。這就是說，在傳熱溫差A(yù)T已確定的情況下，要求在有限的容器內(nèi)，要有足夠多的傳熱面積F或盡可能高的傳熱系數(shù)K。顯而易見，提高傳熱系數(shù)可以減少傳熱面積，從而減少材料與勞動力消耗，節(jié)省投資。因此，如何提高冷渣機(jī)的傳熱效率，乃是冷渣機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵。5、流化床冷渣機(jī)的開發(fā)：5-1、合理確定灰渣余熱利用目標(biāo)：如前所述，灰渣余熱主要有三個方面的用途：加熱鍋爐給水、加熱空氣和干燥煤。最理想的情況是前兩者在鍋爐制造時作為鍋爐整體一部分出廠，后者則在鍋爐房設(shè)計時由設(shè)計單位統(tǒng)一設(shè)計。我們期待著這一天的到來。然而，就現(xiàn)在情況，只能由用戶自己選擇方案作出技術(shù)改造的決策了。一般地說來，沒有裝空氣預(yù)熱器的鍋爐，應(yīng)首先用于加熱空氣。對于裝有空氣預(yù)熱器的鍋爐，除非空氣預(yù)熱溫度很低，灰渣余熱可作為補(bǔ)充者外，主要的應(yīng)作為省煤器來利用余熱。再則，水的冷卻效果優(yōu)于空氣。一般說來，應(yīng)采用水、風(fēng)兩者兼而有之的冷卻。幾種熱交換性能比較好的冷渣機(jī)，都有熱空氣