循环流化床锅炉底渣余热的高效利用

2021-07-29李建锋李健奇蔡新春孙海军吕俊复

电力学报 2021年2期

李建锋，于斌，丰斌，李健奇，蔡新春，冷杰，孙海军，吕俊复

（1.中国电力企业联合会，北京 100761；2.北京国电电力有限公司萨拉齐电厂，内蒙古自治区包头 014100；3.北京中电长峰节能科技有限公司，北京 100020；4.北京国科天迅科技有限公司，北京 100022；5.格盟国际能源有限公司，太原 030002；6.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，沈阳 110006；7.北京清新环境技术股份有限公司，北京 100142；8.清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084）

0 前言

随着我国政府对碳减排的日益重视，低碳发展将会成为趋势，而低碳社会也将成为我国今后的主要发展目标。不过，就我国目前的能源供应结构来看，在一段时期内，燃煤所具有的主导地位不会发生改变。

随着原煤入选比例及洗选技术日益提高，在煤炭生产中所洗选出来的优质燃煤将会被大量用于煤化工、煤制油等产业［1］，以部分替代石油制品，降低我国的原油消耗及碳排放；与此同时，洗选过程将会产生大量的低热值燃煤，由于循环流化床锅炉所具有的燃煤适应性广和低排放特性，这些低热值燃煤利用的主要途径是采用循环流化床锅炉机组燃烧发电。这种方式一方面充分利用了资源，降低了煤炭消耗；另一方面也给循环流化床锅炉机组发展带来了更大的空间［2］。

不过由于循环流化床锅炉机组燃用煤的灰分较高，灰渣量很大，因此灰渣的物理热损失比较高［3］，如不加以利用，将明显影响锅炉热效率。所以对循环流化床锅炉所排出的灰渣物理热进行必要的回收利用可以显著改善能源利用率，同时实现文明生产。

1 冷渣设备的主要型式

为了回收底渣的热量，曾经出现过各种类型的冷渣器［3-5］。经过长期的实践检验，CFB锅炉使用的冷渣器从多种形式逐步集中成两个主要类型：风水联合冷渣器［6-7］和滚筒冷渣器［8-13］。二者在使用过程中优缺点的比较如表1所示［14］。

表1 两种冷渣设备优缺点的比较Fig.1 Comparison of the advantages and disadvantages of two cold slag equipment

从表1中可以看出，两种冷渣设备各有优缺点。不过就目前市场的实际使用情况看，由于风水联合冷渣器可靠性差且能耗较高，正在服役的风水联合冷渣器数量较少，正处于被淘汰的状态。

滚筒冷渣机尽管具有结构简单，可靠性高的特点，但是其出水温度较低，也在一定程度上影响了其能效指标。

2 底渣余热两级利用系统介绍

如表1所示，在使用过程中，风水联合冷渣器的缺点主要是换热管易磨损导致可靠性差，专设流化风机导致电耗较高，内部布置换热管导致大颗粒底渣容易堵塞结焦，冷却水吸热导致热风温度不高，以及与空气预热器抢风导致排烟温度升高等。但是其优点也很明显，就是可以实现选择性排渣回收细颗粒，同时回收热量直接回送炉膛，降低燃料消耗等。

为了克服风水联合冷渣器的缺点，可以采用以下方式改进：取消换热管，避免了磨损、大颗粒底渣堵塞及风温不高的问题；采用热一次风作为流化风，不影响锅炉的排烟温度，改善其系统效率低的问题［14］。

但是，采用热一次风作为流化风，一方面将会导致底渣冷却能力不足，会造成排渣温度很高；另一方面，底渣中没有完全燃烧的碳粒可能会进一步燃烧，使得排渣温度有所升高。为了进一步利用流化床冷渣器的排渣余热，可以在流化床冷渣器的出口安装滚筒冷渣机，利用凝结水吸收排渣余热。由于滚筒冷渣机本身的出水温度有限制，所以才有滚筒冷渣机进一步利用流化床冷渣器的排渣，以实现底渣余热的能量梯级利用。二者相结合的底渣余热两级利用系统见图1。

在图1中，底渣由锅炉炉膛排出之后首先进入流化床冷渣器内被热一次风冷却降温，在此过程中，由于底渣中有未燃尽碳粒，在遇到热风之后这些碳粒会有一部分进一步燃烧放热，因此在流化床冷渣器内需要考虑该部分未燃尽碳粒的放热。

图1 底渣余热两级利用系统Fig.1 Two-stage utilization system of bottom slag waste heat

3 系统性能计算

3.1 系统热效率

在如图1所示的系统中，假定流化床锅炉炉膛的排渣温度为tash1，℃；流化床冷渣器的出渣温度为tash2，℃；热一次风温度为tair1，℃；流化床冷渣器的出风温度为tair2，℃。在忽略掉流化床冷渣器表面的散热以及细颗粒回送后，那么流化床冷渣器的热平衡关系式为：

式中：mash为底渣流量，kg/s；cash为底渣比热，k J/（kg·K）；ε为底渣烧失比例，即底渣中再次燃烧的未燃尽碳粒质量与炉膛排渣量的比例；q为未燃尽碳粒的热值，k J/kg；mair为热一次风流量，kg/s；cair为空气定压比热，kJ/（kg·℃）。

同样地，假定滚筒冷渣机的排渣温度为tashe，℃；滚筒冷渣机的凝结水进水温度为tw1，℃；出水温度为tw2，℃。在忽略滚筒冷渣机表面散热后，滚筒冷渣机的热平衡为：

式中：mw为凝结水流量，kg/s；cw为凝结水比热，kJ/（kg·K）。

系统的总热效率为：

式中：t0为环境温度，℃；λ为底渣含碳量。

3.2 系统发电量增加值

式（3）给出了系统的热效率，由于采用该系统后，底渣一部分热量回送炉膛，另一部分热量被凝结水带走，所以其对机组发电量的影响并不相同。

假定机组的锅炉效率为ηb，那么由流化床冷渣器送入炉膛内的热量所发电量为：

式中：Q1为流化床冷渣器回收的总热量，kW；ηp为管道效率；ηs为汽轮机循环效率，其中，

式中，Qs为汽轮机热耗率，k J/（kW·h）。

但是由于流化床冷渣器需要用热一次风，在经过冷渣器后作为锅炉的二次风进入炉膛，那么与二次风相比，风机多耗电量为：

或者，

式中：V为流化风量，m3/s；p1、p2分别是一次风机与二次风机出口压力，Pa；η1、η2分别是一次风机与二次风机运行效率；w1、w2分别是一次风机与二次风机单位能耗，k W/m3。

对滚筒冷渣机而言，由于回水温度的差异，在其接入热力系统不同位置时，带来的收益也有不同，如图2所示，滚筒冷渣机的出水可以接入任一低压加热器的出口。如需准确地计算滚筒冷渣机的能效指标，则要综合考虑其对接入系统的影响，为了简便计算，在本文中认为冷渣机所回收的热量是对汽轮机抽汽热量进行了等量替换，如图3所示。

图2 冷渣机接入热力系统示意Fig.2 Schematic diagram of roller slag cooler accessing thermal system

图3 滚筒冷渣机能效计算示意图Fig.3 Schematic diagram of energy efficiency calculation of drum slag cooler

在图3中，ti（i=5，6，7，8，9）代表各级低压加热器的出口温度和凝结水泵出口温度，同时也代表滚筒冷渣机相应的出水温度，℃；mi（i=5，6，7，8）代表各级低压加热器抽汽流量，kg/s。

在图3所示的滚筒冷渣机能效计算示意图中，相当于把滚筒冷渣机分成Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ段，代表分别替代不同级数的低压加热器，由此可以计算出所替代的各级部分抽汽量。假定滚筒冷渣机的出水并入第k级低压加热器出口，那么可以列出下列方程组求解滚筒冷渣机所节省的各级抽汽量。

式中：k∈{ 5，6，7，8}，当k=5时，代表滚筒冷渣机出水接入第5级低压加热器出口，其替代了共4级部分抽汽量，因此需要求解4个方程；当k=6时，代表滚筒冷渣机出水接入第6级低压加热器出口，此时滚筒冷渣机只是部分替代了3级抽汽量，因此只需要求解前3个方程即可，以此类推。hk代表该级低压加热器出水焓，k J/kg。hck为该级低压加热器抽汽焓，kJ/kg。h9为凝结水焓，kJ/kg。

因此，汽轮机增加的功率为：

式中，he为汽轮机排汽焓，k J/kg。

因此，系统的发电量增加值可由式（10）计算：

4 计算结果

4.1 计算条件

以某350 MW等级的超临界循环流化床锅炉机组的技术参数为依据［15］，对底渣余热两级利用系统的能效水平进行了计算，机组的部分技术参数见表2，一次风、二次风参数见表3，低压加热器部分技术参数见表4，机组煤质分析见表5。计算中底渣比热容取值为1.2 k J/（kg·℃）［6］，飞灰底渣比为1∶1，环境温度取15℃，滚筒冷渣机最终的排渣温度为120℃［16］，由于底渣含碳量的成分接近焦炭，因此其热值取焦炭的热值，即33 727 kJ/kg［17］。另外，在系统效率及发电量增加值计算过程中不考虑底渣细颗粒回收的影响。

表2 机组技术参数Tab.2 Parameters of unit technical

表3 一次风与二次风技术参数Tab.3 Technical parameters of primary air and secondary air

表4 低压加热器技术参数Tab.4 Technical parameters of low pressure heater

表5 机组煤质分析Tab.5 Unit coal quality analysis

4.2 计算结果

4.2.1 效率计算结果

图4给出了底渣余热两级利用系统热效率计算结果，由于锅炉的排渣温度较高，而计算所取的排渣温度为120℃，所以计算出的系统效率较高，最低也超过了60%。随着底渣烧失比例的不断增加，系统效率也随之提高，最高则超过了96%。

图4 系统热效率Fig.4 System efficiency

4.2.2 发电量增加值计算结果

图5给出了流化床冷渣器发电量增加值计算结果，图中曲线的标识数字代表流化床冷渣器的排渣温度（图6—图8中的曲线标识数字意义相同），即滚筒冷渣机的进渣温度。

图5 流化床冷渣器发电量增加值Fig.5 Increased value of power generation of fluidized bed slag cooler

从图5中可以看出，随着底渣烧失比例的增加，流化床冷渣器的发电量增加值不断变大，这是底渣中的碳粒进一步燃烧所释放的热量又回到了炉膛所致。另一方面，随着流化床冷渣器排渣温度的增加，其发电量增加值变小的原因是此时回收的底渣余热量减少了。

图6给出了滚筒冷渣机发电量增加值计算结果，图中横坐标代表滚筒冷渣机出水接入的相应级数的低压加热器出口，比如5代表接入5级低压加热器出口。

从图6中可以看出，随着接入低压加热器级数的增加，滚筒冷渣机所增加的发电量值不断减少，这是因为接入低压加热器级数越高，说明滚筒冷渣机出水温度越低，那么凝结水所含热量的品位就越低，汽轮机的发电量也越低。另一方面，随着进渣温度的提高，滚筒冷渣机发电量增加值不断增加，这是由进入滚筒冷渣机内底渣余热量增加所致。

图6 滚筒冷渣机发电量增加值Fig.6 Increased value of power generation of drum slag cooler

由于利用一次热风作为流化床冷渣器的流化风，一次风在吸收热量以后作为锅炉的二次风进入炉膛，相当于用高压头的一次风替代了低压头的二次风，在总风量不变的情况下，必然会引起风机电耗的增加，图7给出了风机电耗的增加值。

图7 风机电耗增加值Fig.7 Added value of wind power consumption

在图7中可以看出，随着底渣烧失比例的增加，风机电耗不断增加，这是因为若要防止流化床冷渣器结焦，流化床冷渣器的出风温度不能高于炉膛的燃烧温度（即850℃），而烧失比例的增加意味着需要更多的流化风带走热量，因此所用一次风量增加，电耗随之上升。随着流化床冷渣器排渣温度的增加，风机电耗增加值会减少，这是因为此时需要带走的热量降低。另外，由底渣余热及底渣含碳量燃烧所产生的热量均需要热一次风带走，所以流化床冷渣器所需要的单位流化风量较大，超过文献［6］中的单位流化风量，所以流化床冷渣器正常流化运行没有问题。

图8给出了整个系统发电量增加值的最大值，即在图8中，滚筒冷渣机的出水接入5级低压加热器出口。从图8中可以看出，系统发电量增加的规律与图5中类似，这是因为该系统发电量增加值以流化床冷渣器为主。

图8 系统电量增加值Fig.8 Increased value of power generation of system

5 分析与讨论

从前面的计算结果与分析来看，底渣余热两级利用系统的效率很高，所带来的发电量收益较大，与文献［15］中的计算结果相比，系统发电量增加值超过了3.6 MW，远远超过文献［15］中单纯使用滚筒冷渣机所带来的1.1 MW的发电量增益。

采用热一次风回收底渣余热不仅可以回收底渣显热，还可以将底渣中的部分飞灰含碳量的燃烧热回收，所以效益更高，因此其发电量增加值超过了滚筒冷渣机。另一方面，流化床冷渣器的外壁可以采用防磨浇注料制作，大大提高了其系统的可靠性。

为了提高滚筒冷渣机的发电量增加值，一方面需要控制水量提高其出水温度，使其能够接入更低级的低压加热器出口，以取得更高的经济效益；另一方面也需要进一步提高其自身的换热效率，增加其有效换热面积，这样可使其平均换热系数增加，相同的出力可以减小体积和占地面积，或者相同的体积与占地面积可以提高其出力或降低排渣温度来增加回收余热量。

图9给出了一种新型高效滚筒冷渣机［18］。从图9中可以看出：①新型滚筒冷渣机在壳体外面覆盖有保温层以降低其表面热损失，同时降低外表面的温度，避免发生烫伤事故的发生；②其外层换热管通过肋片与壳体相连接，解决了现有膜式滚筒冷渣机外层换热管的外表面无法参与换热的问题，使其外层下部换热管可以完全埋到热渣里面，提高了换热效果；③在内部换热管屏上焊接前弯与后弯翅片，可以有效承接扬渣板所携带的热渣，使得内部换热管与热渣充分接触换热，同样提高了换热效果；④在滚筒内部仅布置4片内部换热管屏，不会给滚筒内部的维修带来更大的困难，设备维修方便。当然，为防止中心管在长期的运行中所受到的磨损，可以在其外面进行相应的表面处理，以增加其耐磨性。