炉渣处理系统发展现状与解决方案

2020-09-12张光荣李蜀生赵世泽于永强张洪涛

应用能源技术 2020年7期

张光荣，李蜀生，赵世泽，王勇，于永强，张洪涛，王杏

(1.青岛达能环保设备股份有限公司，青岛 266300；2.山东电力工程咨询院有限公司，济南 250000)

0 引言

炉渣也称“炉底渣”，是固体燃料在锅炉等燃烧设备的炉膛中燃烧后，从炉底出渣口排出的灰渣[1]。炉渣是我国主要大宗工业固体废物之一，2019年12月，生态环保部发布的《全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》中提到：2018年，重点发表调查工业企业的炉渣产生量为3.1亿吨，占重点发表调查工业企业一般固体废物产生量的9.6%。炉渣产生量最大的行业是电力、热力生产和供应业，其产生量为1.6亿吨；我国工业固体废物炉渣产生量约等于我国200个大、中城市生活垃圾总量的1.48倍。

2019年底全国全口径发电装机容量20.1亿kW，火电装机容量11.9亿kW占59.2%，位于世界之首[2]；据不完全统计，我国火电装机锅炉约3 200台套，其中干式除渣系统约910余套[3]。

1 国外炉渣处理系统发展概况

锅炉除渣(排渣)系统包括水力除渣、机械除渣、气力除渣；其中机械除渣又包括卷扬机牵引有轨小车、螺旋除渣机、马丁除渣机、斜轮除渣机、捞渣机、干渣机[4]。

电站锅炉领域炉渣处理系统有水力和机械除渣系统，广泛应用的技术有三类：①WAH水力除渣系统，上世纪40年代初，美国采用了水力除渣技术处理锅炉灰渣，基本原理是炉底设置水浸式除渣斗，渣斗出口设置碎渣机，破碎后的炉渣再经水力喷射器利用水力运输至渣池；系统间断运行[5]。②SSC刮板捞渣机除渣系统，1957年西德采用焊接链环和刮板在水舱里沿着固定滑槽移动带走灰渣的刮板捞渣机技术，系统连续运行[6]。③MAC风冷干式除渣系统，1985年意大利MAGALDI公司研制并在意大利Pietaficta电站2×35 MW燃煤机组应用[7]。

表1 炉渣处理系统发展

西欧法国、波兰、南斯拉夫等火电厂锅炉除渣是以SSC为主。北美在八十年代虽尚以WAH为主，但SSC依据其更优的技术参数和性能慢慢发展壮大；美国巴布考克·威尔科克斯(Babcock&Wilcox)公司早在1967年便引进了西德巴布考克集团(Deutsch Babcock Group.)的SSC技术，该技术在美国占据了60%的市场，该公司原在泰国设计的WAH式除渣也改为SSC式除渣了；美国CE(Combustion-Engineering)、UCC(United ConveryorCorporation)、艾仑(Allen-Allen-Sherman-Hoff)等著名发电设备制造公司也都在积极发展SSC技术，并一致肯定SSC比WAH优越，CE公司还认为SSC技术是电站渣灰处理原理的创新。日本三菱、东工、石川岛插磨等重工公司的SSC技术发展也很快；南非40台400 t/h锅炉和6台600 MW机原订WAH式除渣，后也改为SSC式。发展至今，刮板捞渣机除渣系统是最典型、可靠的湿式除渣系统技术。

MAC干渣技术与水力和SSC技术不同，是采用风冷却热炉渣，回收炉底余热返回锅炉应用，该技术在美国、希腊、西班牙等国的燃煤电厂广泛使用。1997年，英国克莱德贝尔格曼电力集团研发的DRYCON链板式(履带)干除渣技术开始投入商业运行，也得到广泛应用[7]。

SSC和干除渣技术的主要应用市场和技术发展进步都在我国。

2 我国炉渣处理系统发展

我国锅炉炉渣处理系统是随着电力及电站装备一起发展的。从建国初期到上世纪50年代末，是我国电站锅炉发展的初始阶段。从无到有，依赖前苏联、捷克斯洛伐克、波兰等国的技术。在国家投资、全国各地支援并在前苏联及捷克斯洛伐克的援助下建立了以大型电站锅炉生产为主的哈尔滨锅炉厂和上海锅炉厂，以中、低压锅炉生产为主的武汉锅炉厂。1960 年到1980 年的20年中，我国的锅炉制造业发扬独立自主、自力更生的精神，设计技术、制造工艺、生产装备都得到明显的提高。随着我国工业发展，东方锅炉厂从四川盆地崛起，在我国迅速形成哈尔滨、上海、东方三大锅炉集团及武汉锅炉集团共同发展的格局[8]。

1974年元宝山发电厂全套引进了我国首台300 MW发电机组，随主机配套刮板捞渣机湿式炉渣处理系统；八十年以来，上海锅炉厂、哈尔滨锅炉厂等开始研制670 t/h和1 000 t/h锅炉配套的刮板捞渣机系统，单炉配置两台刮板捞渣机，直到1998年，由青岛四洲公司开发了300 MW一炉一机，相继在贵州安顺电厂、西柏坡发电厂等投运[10]，随后国内又将600 MW和1 000 MW捞渣机国产化。但到目前，SSC刮板捞渣机核心部件“圆环链条”在大型机组中仍依靠进口。2019年青达环保公司开发了模锻链刮板捞渣机并成功投入商业运行。

1999年，我国河北三河2×350 MW燃煤电厂首次引进了意大利MAC干式除渣技术。2000年后，我国开始研制钢带干渣机并用于100 MW和200 MW燃煤机组。2006年克莱德DRYCON技术进入中国市场；2007年由国网北京电力建设研究院和华能集团联合研发的国产大容量风冷型干排渣技术成功用于华能上安300 MW和华能伊敏500 MW机组[7]。2009年由原阿尔斯通四洲公司研发的网带干渣机成功在山西轩岗660 MW投运。2013年由青达环保公司自主研发的鳞斗干渣机在神华哈密大南湖350 MW机组正式投入商业运行[9]。

3 炉渣处理系统主要技术

3.1 主要技术节点

炉渣处理系统重大技术发展主要经历了三个阶段：①起步阶段，主要是在欧美工业发达国家，随着锅炉的发展而发展；②大范围推广应用阶段，发达国家技术输出到发展中国家，全球范围内大力推广发展；③节能环保技术创新阶段，主要是在中国，中国具有庞大的市场，随着中国经济发展和节能环保要求提高，不断出现技术革新。总结主要技术发展节点见表2。

表2 炉渣处理系统主要技术节点

3.2 主要技术分类

炉渣处理系统按冷却方式分为水冷和空冷，即湿式和干式；按输送方式不同，又分为水力输送、机械输送等，气力输送炉渣目前应用较少，见表3。

表3 炉渣处理系统分类

由上表可以看出，水力除渣技术较少，湿式和干式机械除渣技术较多，也是目前最先进技术。

3.3 主要技术工作流程

炉渣处理系统主要技术的典型工作工艺流程详见表4。

表4 炉渣处理系统典型工艺流程

3.4 主要技术参数

根据上述分析知炉渣处理系统按冷却方式分为湿式水冷和干式空冷；水冷分为冷却水溢流和零溢流，空冷又分为自然空气表面换热和风机驱动冷风穿透换热，见表5。

表5 炉渣处理系统主要技术参数

4 技术主要问题

4.1 炉渣与渣水成份

炉渣的主要成份有SiO2、Al2O3和Fe2O3等[13]，总结我国不同地区炉渣成份见表6。

表6 我国不同地区炉渣主要成份表

国内对粉煤灰(炉飞灰和炉底渣)污水做了大量研究。绿色和平估算，中国火电行业一年排放的粉煤灰中共含有镉358.75 t、铬10 054.25 t、砷9 410 t、汞4.25 t和铅5 345.5 t，总计约2.5万t。长时间的水浸泡令粉煤灰中的重金属等有害物质渗入水中，产生的污水对附近的浅层地下水和地表水造成污染。对6家火电厂灰场附近的地表水进行检测，其中有4家检测的项目浓度超过了《地表水环境质量标准》和《农田灌溉水质标准》；相比《地表水环境质量标准》，陡河电厂的氟化物超标233%，赤峰热电厂的氟化物超标187%；相比《农田灌溉水质标准》，陡河电厂的氟化物超标67%，赤峰热电厂的硼超标29%，氟化物超标43%，丰镇电厂的硼超标400%，大同第二电厂的硼超标17%。对8家火电厂灰场附近的地下井水进行了检测，其中有3家检测的项目浓度超过了《生活饮用水卫生标准》。其中，陡河电厂的硝酸盐超标36%，赤峰热电厂的硼超标80%，元宝山电厂的硼超标270%，钼超标103%，硝酸盐超标74%，氟化物超标180%[14]。