滚筒冷渣机的研究、设计和故障对策

刘柏谦

（北京科技大学 机械工程学院，北京 100083）

中国从上世纪80年代初中期开始研究发展循环流化床锅炉，到现在已经拥有世界上容量最大、参数最高的循环流化床锅炉.可以认为中国已经解决了循环流化床燃烧技术的几乎全部技术问题.但始终存在一个外围问题，这个问题涉及到如何保证锅炉效率的问题，涉及到锅炉（电厂）节能问题，涉及到锅炉岛工作环境，涉及到安全生产……这个问题是灰渣物理显热回收问题.国外循环流化床锅炉技术进入中国时，带来了流化床冷渣器.流化床冷渣器无论在原理还是技术成熟程度都无可挑剔，国外也曾广泛采用过.但进入中国后，受到了煤质（是quality而不是rank）的干扰.当流化床冷渣器无法将大颗粒灰渣流化起来时，大颗粒会累积到冷渣器内，迫使流化床冷渣器停机，导致锅炉被迫停机.滚筒冷渣机可以对灰渣物理显热进行回收，直接节省了发电燃料.

1 滚筒冷渣机的经济意义

1.1 灰渣物理热损失与冷渣器对锅炉效率的贡献

锅炉灰渣物理热损失的多少取决于燃料灰分、锅炉炉型和运行操作过程.前者属于燃煤特性，随电厂进场燃料特性而变，后者主要反映燃料灰分中能够进入冷渣器冷却的灰量和锅炉排灰温度.按照锅炉原理教科书的物理概念，这部分热量可按下式计算：

其中冷渣器回收部分，即冷渣器对锅炉效率的贡献是：

式中 q6——锅炉灰渣物理热损失；

q6，r——冷渣器提高的锅炉效率；

Aar——燃料收到基灰分；

αda——锅炉排渣份额；

Cda——锅炉排渣比热；

Qash，in——冷渣器进口灰渣温度；

Qash，out——冷渣器出口灰渣温度；

K1——由灰渣温度、燃料热值和灰渣比热等物理参数确定的常数；

K2——由灰渣温度、燃料热值和灰渣比热等物理参数确定的常数.

1.2 入炉燃料品质

入炉燃料质量不是指rank，而是指quality，即灰分含量和最大颗粒尺寸（图1）.主要受破碎机和筛分尺寸决定（图2）.但电厂燃料来源多变，而破碎和筛分系统是固定的.

图1 平均颗粒尺寸12.5mm、25mm和50mm的颗粒分布

图2 CFB锅炉设计燃料尺寸分布（连续曲线）和实际使用燃料尺寸分布

1.3 灰渣物理显热

灰渣物理显热量既决定于灰渣温度，也决定于锅炉的运行时间.灰渣表面温度和中心温度的关系见图3［1］.这部分热量根据前面给出的计算公式可知，灰渣物理显热可以达到锅炉输入热量的1%～3%，对300 MW机组意味着每年不少于500～750万元的经济损失.因此，灰渣物理显热回收技术始终是循环流化床锅炉研究的重要内容.

300MW机组灰渣物理显热估算：

2 滚筒冷渣机研究历史和现状

伴随着循环流化床锅炉，灰渣物理显热回收出现了很多技术流派.早期的技术可以参阅岑可法院士的《循环流化床锅炉原理设计和运行》［2］.这些技术主要是风冷、风水联合冷却.

陈松灵［3］设计出滚筒冷渣机后，迅速打开了市场，短短几年时间里，流化床冷渣器几乎完全退出了市场.发电循环流化床锅炉唯一能接受的灰渣物理显热回收装置是滚筒冷渣机.

2.1 滚筒冷渣机的企业研究

滚筒冷渣机起源于电力生产的迫切需要.因此，最初的研究也是发自企业.但由于相关专业知识的不平衡，来自企业的研究，如松灵厂、巨鼎厂出现了明显的物理错误.典型的错误包括：灰渣比热选为高温灰渣比热、错误认识传热温差、将冷渣机传热面积当作纯几何量……这些错误对滚筒冷渣机的技术发展，既没有促进作用也没有体现出任何妨碍.其原因是这些厂家完全依赖经验设计，几乎没有理论的指导作用.

图3 灰渣表面温度和中心温度的实测值（10mm灰渣颗粒）

2.2 滚筒冷渣机的实验室研究

2.2.1 滚筒冷渣机传热模型的问题

滚筒冷渣机的实验室研究传热模型的问题主要表现在以下几个方面：1）借用旋转机械的传热模型（如回转窑）——忽略了热过程的区别，没有火焰，没有耐火材料，但忘记了滚筒冷渣机不是回转窑；2）假设灰渣颗粒床温度均匀，但实际上存在运动核心区和高温核心区，温差有数百度；3）没有认识到实际传热温差内容.实际传热温差应该是参与传热的灰渣温度与冷却水温度之差，采用平均灰渣颗粒床温度 或单根热电偶测量温度与冷却水温度之差作为传热温差是不对的；4）没有意识到传热面积是物理量，只有在稳定运行时，才可以按比例划分传热性质；5）没有认识到传热系数不仅是操作参数和系统的函数（常规换热器），还是灰渣处理量、滚筒几何结构、排渣温度的函数.

传热学基本计算不外乎3个计算公式.即

灰渣放热量：

冷却水吸热量：

滚筒传热量：

方程（1）的辨析：

比热cp，ash是一个受到忽视的量，是所有冷渣机厂都取作高温灰渣的比热.按物理意义，应该取作灰渣进出口平均温度下的比热.

1.3 差异表达基因筛选 利用R软件limma包[10]筛选差异表达基因，得到肾透明细胞癌与正常肾组织间差异表达基因用于共表达网络的构建，筛选条件为：FDR<0.05，| log2 FC|≥1.0，其中FC为fold change即两组间差异表达倍数。

t是滚筒冷渣机进出口温度.应该说明的是，灰渣温度采用热电偶测量，实际测量得到的是气固两相流温度，而不是代表灰渣热量的温度.因此，热电偶数据时一个估计值.

方程（2）的辨析：

冷却水的流量表准确，水的比热基本是常数，进出口温度测量技术可靠.

方程（3）的辨析：

从传热基本过程看，方程（3）右侧的3个变量都不能按照常规换热器来理解.传热系数是设计结构、操作参数（转速和填充率）、运行状态（灰渣进出口温度）的函数.需要说明的是，传热系数应该统一用冷渣机表观传热系数表述，而不能用局部传热系数或瞬时传热系数表述.否则将误导滚筒冷渣机的设计.

2.2.3 实验室测量的物理意义辨析

2.2.3.1 灰渣温度

滚筒冷渣机设计需要的是代表灰渣携带热量的温度.因此，实际测量时应该关照热量的表述.由于灰渣是假冷的，即灰渣冷却时首先冷却的灰渣颗粒表皮，热电偶测量的温度不能准确标示灰渣携带的热量.因此，需要用灰渣颗粒的冷却曲线（实测的灰渣表皮温度与灰渣核心温度随时间变化曲线）修正.

另一方面，由于滚筒旋转形成灰渣床的高温核心区，如果没有相应措施，高温核心区与周边区域很难混合，这种灰渣床的温度不均匀将延续到滚筒出口.这样，滚筒冷渣机热电偶测点位置的选取需要照顾到单位时间（可以以小时为单位）的平均值，即只能在滚筒冷渣机的出渣罩下游测量灰渣温度，但此时灰渣已经开始向大气散失热量一段时间，需要进行散热修正.

2.2.3.2 滚筒运动导致的高温核心区

计算机模拟和实验室测量都显示，滚筒旋转形成了运动核心区.这种核心区以小尺寸颗粒、密度轻颗粒为主.对于滚筒冷渣机，运动核心区得不到及时冷却，成为高温核心区，这个核心区妨碍灰渣热量回收.图4给出了模拟的运动核心区和200mm水冷滚筒上实测的灰渣颗粒床温度分布，证明确实存在这样的核心区.图4（a）运动核心区［1］图4（b）实测的滚筒颗粒床温度分布.

图4 不同时刻不同转速下的物料运动状态

2.2.3.3 滚筒热效率

可以模仿热力设备的定义方法给出

但实际上，离开滚筒冷渣机的灰渣热量Qash无法准确得到的.因此，方程（4）的物理意义就大打折扣.原因是前面提到的灰渣假冷.如果不能准确给出冷渣机的排渣温度，则无法得到滚筒热效率.

由此可见，由于滚筒冷渣机是旋转工作的，传热学的基本原理不能直接使用，需要按照滚筒工作状态确定基本传热原理的使用方法.

2.3 滚筒冷渣机的工业产品

2.3.1 灰渣处理量

各机组灰渣处理量见表1.以300MW机组为例.如果锅炉最大燃煤量200t／h，灰分40%，则总灰渣量为80t／h.如果飞灰占总灰量的50%，进入冷渣机的灰渣量只有40t／h.若平均分配到3个滚筒冷渣机则每个冷渣机的平均灰渣处理量只有10～15t／h.考虑到极端情况，只有2台冷渣机工作，有25t／h灰渣处理能力也足够了.

2.3.2 出渣温度

滚筒冷渣机的出渣温度是决定下游出渣设备选择的关键参数.冷却到100℃以下的灰渣可以安全的用皮带输送，但需要保证任何情况下滚筒冷渣机出渣温度都不高于皮带耐受温度.

表1中燃用灰分35%的煤种，飞灰和底渣各占50%时，每台冷渣机的灰渣处理量不超过30t／h.

表1 不同机组灰渣处理情况对比 ／（t／h）

3 滚筒设计的基本方法

滚筒冷渣机设计的关键是总体尺寸确定，即滚筒有效长度和有效传热直径的确定.滚筒冷渣机是旋转的圆柱体，目前没有理论给出滚筒结构尺寸（半径和长度）的确定方法.设计上完全依赖于经验（实验室经验、设计经验和运行经验）.事实上，无论物理意义还是数学方法上已经具备确定滚筒关键尺寸的条件，仅仅需要有人确认某种方法的有效性和准确性.

3.1 滚冷渣机长度的确定

滚筒中进行的是一个高温灰渣冷却过程，一旦灰渣冷却到不需要再冷却或无法进一步冷却的温度，则应该终止冷却过程.事实上，灰渣在滚筒中是假冷的.为尽可能多的提取灰渣携带的热量送回发电循环过程，需要在理论上准确确定滚筒有效长度.

滚筒冷渣机的有效长度可按有效冷却温差为零的理论准则确定.即灰渣温度与冷却水温度接近或相等为准则.但事实上由于灰渣比热很小和灰渣假冷的关系，灰渣温度（不论是模型计算的平均温度还是实验室测量值）在远高于冷却水温度时的变化速率逐渐减小，灰渣运动一定距离后表现出接近常数的冷却曲线.滚筒冷渣机有效长度应采用灰渣冷却曲线出现随时间变为常数时的长度为理论长度.即使灰渣温度仍在下降，但为了回收很小比例的热量而大量使用金属将失去经济意义.

3.2 滚筒冷渣机直径的确定

滚筒直径决定了滚筒冷渣机的关键尺寸.滚筒冷渣机直径的确定目前没有理论方法，笔者探索一个简易方法可以试用于工业实践.

传热速率，即单位时间、单位传热面积上的传热量仍然是一个与所在位置有关的量.所以，只能就滚筒整体来讨论平均传热速率，而不能说特定传统面积的传热速率.不论实验室测量结果还是工业运行结果，平均传热速率只能是特定工况下的运行值，运行参数变化后传热速率随之变化.

在一个直径200mm的水冷滚筒上实验测量了不同填充率下的传热速率，并建立了相应的数学描述.图5给出了不同填充率下的传热速率测量结果.这个曲线图给出了两个内容，一个是特定结构下的滚筒存在一个最佳填充率，能获得最大传热速率.一个是传热速率受滚筒转速的制约，填充率相同但不同转速下的传热速率相差很大.

图5 运行条件（滚筒转速和填充率F）对传热速率的影响

得到准确的传热速率后，根据传热系数（经验值或相近工况的实测值）可以获得特定滚筒冷渣机的传热面积要求，结合滚筒结构和工程经验可以获得滚筒直径.根据150MW机组实测结果推算，NACT滚筒冷渣机在实际运行转速下的传热速率0.7kJ／s，比实验室测量值高出很多.其原因可能在于装置尺寸增大后滚筒结构对颗粒运动的限制显著减小，灰渣有更多机会释放热量.

与传热速率对应的滚筒冷渣机的灰渣处理量是一个重要的考核指标，也是决定滚筒直径的重要因素.但由于滚筒是一个传热装置，灰渣运动与灰渣传热耦合紧密联系，所以灰渣处理量在物理上服从传热速率.只要滚筒结构能保证合适的轴向前进速度，传热速率、排渣温度和灰渣处理量这3个最重要的性能指标是协调一致的.

3.3 滚筒冷渣机选型使用的主要依据

图6给出了灰分含量超过20%的几种燃煤的入炉煤颗粒尺寸分布与底渣颗粒尺寸分布的实测值对比［4］.可见，灰分含量高的煤种形成的底渣尺寸分布更接近于原煤的颗粒尺寸分布，颗粒尺寸越大，底渣与原煤颗粒尺寸就越接近.图7给出软煤和硬煤的底渣表现.表明软煤底渣颗粒尺寸变化比硬煤大.

图6 底渣尺寸分布和煤尺寸分布与灰分关系

图7 软煤和硬煤生成的底渣尺寸分布

每种入炉煤都有自己的运行特征，需要用户自己摸索来.有了成灰特性和底渣特性，可以指导运行.表2为不同煤种燃煤量和锅炉冷渣份额图.

表2 按照煤种和燃煤量排列的锅炉冷渣份额

续表2

根据表2和不同煤种在不考虑石灰石前提下的灰渣与石灰分配比例建议［5］，考虑不同燃料热值、灰分含量和锅炉排渣份额等技术条件，图8给出了发热量为6.280MJ／kg（1500kcal／kg）、12.560MJ／kg（3000 kcal／kg）、16.747MJ／kg（4000kcal／kg）和20.90MJ／kg（5000kcal／kg）、灰分为10%～50%的燃煤、锅炉排渣份额介于30%～70%条件下，冷渣器提高锅炉效率的有效值.

图8 不同燃料热值和排渣份额下的冷渣器提高锅炉效率的有效值

用户决定采用滚筒冷渣机后，重要的是确定最合适的产品.第一，能保证最大限度的回收灰渣物理显热；第二，能保证最简洁的锅炉到设计；第三，能为下游送灰系统提供设计方便；第四，能为运行、检修提供足够的方便.

4 滚筒冷渣机的故障对策

1）漏渣：漏渣的主要原因是灰渣进口密封不好.螺旋回送密封技术，设计简单，密封效果好，基本可以消除漏渣现象.

2）漏水：如果滚筒冷渣机不出现磨损减薄导致压力水外泄，则漏水主要发生在旋转接头.目前已有产品可以保证3年不漏水，只要选对生产厂家，漏水已经不是问题.

3）穿渣：穿渣主要是由于炉膛压力直接传导到滚筒冷渣机内.通常炉膛压力在10～20kPa数量级上，如果经过锅炉排渣系统传导到滚筒冷渣机中，压力至少在10kPa数量级，足以将灰渣直接送到冷渣机出口.穿渣不仅造成文明生产环境的破坏，还浪费了本应回收的热量.机械拦截可以有效消除穿渣现象.

［1］刘柏谦，谭培来，刘怀伟，等.滚筒机械和滚筒冷渣机［C］.鄂尔多斯：第三届循环流化床燃烧学术会议，2012.

［2］岑可法，倪明江，池涌.循环流化床锅炉原理设计及运行［M］.北京：中国电力出版社，1998.

［3］陈松灵.如何防止滚筒冷渣机爆炸事故［C］.黄山：全国电力行业CFB机组技术交流服务协作网第七届年会议，2008.

［4］Chaudhuri B，Muzzio F J，Tomassone M S.Experimentally validated computations of heat transfer in granular materials in rotary calciners［J］.Powder Technology，2010，198（1）：6-15.

［5］陈春元.循环流化床锅炉飞灰份额的选择研究［C］.海口：第一届中国循环流化床燃烧理论与技术学术会议，2007.