风冷干排渣系统对锅炉效率影响分析.docx
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风冷干排渣系统对锅炉效率影响分析
风冷干排渣系统对锅炉效率影响的测试与分析
范仁东张莲莺
（江苏省电力设计院，南京市211102）
〔摘要〕根据华能巢湖电厂风冷干排渣系统的实际运行情况，拟定四种工况进行测试，依据测试数据推算，干排渣系统与水封式除渣装置比较，使锅炉效率降低0.5～0.6个百分点以上。
〔关键词〕风冷干排渣系统锅炉效率巢湖
自河北三河电厂2×350MW机组引进意大利MAGALDI公司风冷干式除渣设备及系统，于1999年12月投人运行以来，在极短的时间内风冷干式排渣系统获得了大规模应用，至2007年，国内有50多座电厂100多台燃煤锅炉采用干式排渣系统，总装机容量约5000万kW，普遍认为该技术具有节能、节水、环保综合效益好的特点，符合国家的产业政策，同时，风冷干排渣系统已被国家经贸委国家税务总局列人“当前国家鼓励发展的节水设备（产品）目录”。
本文结合部分电厂干式排渣系统的实测资料，特别是作者参与的华能巢湖电厂测试数据，对干排渣系统对锅炉效率影响进行探讨。
1.部分电厂干排渣系统测试报告初步分析
1.1、F电厂
（1）项目概况
F电厂#2和#3机组均为200MW，锅炉是武汉锅炉厂生产的单汽包自然循环、具有一次中间再热、固态定期排渣煤粉炉，锅炉底渣系统原为水浸式刮板捞渣机。
#3锅炉在2005年5月份进行了大修，大修中将锅炉原有的底渣系统改为干式排渣机+负压输送系统方式。
（2）测试报告内容〔1〕
#3锅炉改造后的热效率，与同容量的#2锅炉比较，高出0.35个百分点，主要是因为#3锅炉飞灰可燃物含量（2.21%）和炉渣可燃物含量（0.13％）较低，而#2锅炉飞灰可燃物含量（4.97%）和炉渣可燃物含量（2.61%）较高。
#3锅炉炉渣可燃物含量较低，是因为进行了底渣系统改造。
自然冷风在煤粉锅炉炉膛负压作用下，从干式排渣机外部进入干式排渣机内，将高温、含有大量热量的热渣冷却成可以直接贮存和运输的冷渣。
冷却热渣产生的热风直接进入锅炉炉膛，将热渣含有大量的热量回炉膛中，从而减少了锅炉的热量损失，提高了锅炉的效率。
同时,这部分空气还使输送带上的热渣继续燃烧，大大降低渣的含碳率，进一步提高热利用率。
（3）对测试报告数据的分析
●#3锅炉大修后的热效率与未进行大修#2锅炉不具有可比性，#3锅炉经大修后其热效率本来就应该有所提高。
●不同的底渣系统，对煤粉炉飞灰的可燃物含量影响很小；而测试报告给出，采用干式排渣机#3锅炉飞灰可燃物含量（2.21%）比#2锅炉飞灰可燃物含量（4.97%）低得多，从两台炉飞灰可燃物含量的差异上可看出，很难得到#3锅炉的底渣会在输送带上继续燃烧的结论；当然也得不到#3锅炉飞灰可燃物含量和炉渣可燃物含量较低，是因为采用干排渣系统的结论。
●热渣热量回到炉膛，有利于提高锅炉效率；同时，冷却风作为燃烧所需空气从炉底送入，会使经过空气预热器的冷空气量相应减少，锅炉的排烟温度会上升，又会使锅炉效率降低。
●初步分析可看出，很难得出干排渣系统使锅炉效率提高的结论，更不可能提高0.35个百分点。
1.2S电厂2号锅炉
（1）项目概况
S电厂2号锅炉是加拿大Babcock＆Wilcox公司制造的亚临界压力固态排渣锅炉，原炉底除渣系统为水封排渣槽系统，锅炉设计燃用晋中烟煤和阳泉无烟煤的混合煤种，2007年2号炉A级检修时将原水封排渣槽系统改为干式排渣系统。
（2）测试报告内容〔2〕
试验人员在锅炉效率测试前进行了干式排渣系统的预试验与调整，初步测量结果表明炉底入炉风温偏低，为此对干式排渣机两侧冷却风风门进行了关闭，共关闭冷却风门11个，然后对锅炉效率进行测试（正常投运干式排渣系统）。
为了模拟干式排渣系统改造前工况，通过短时间内停运干式排渣系统，并关闭炉底挤压头、干式排渣机箱体冷却风口来模拟，试验进行约一个半小时。
干式排渣系统正常投运以及模拟干式排渣系统停运两个工况测试分析结果如下：
项目名称
单位
干式排渣系统正常运行
干式排渣系统停运
炉渣含碳量
%
10.09
9.79
平均飞灰含碳量
%
3.61
3.43
修正后的锅炉效率
%
89.87
90.17
通过就地考察以及相关试验发现，对于上安电厂来说，其燃用煤种和炉型决定了其炉渣不具备在干式排渣机上再燃烧的能力，所以对于改造来说不会改变炉渣含碳量。
（3）对测试报告数据的分析
对上述内容进行简单比较可看出：
●干式排渣系统停运工况，炉底密封情况远不如水封式除渣装置；在关闭干式排渣机两侧冷却风风门后，干式排渣系统降低锅炉效率仍达0.3个百分点以上。
●底渣不会在干式排渣机上产生二次燃烧。
1.3Y电厂
1.3.1项目概况
Y电厂1号机组锅炉为俄罗斯制造的500MW超临界直流锅炉，型号为∏n-1650-25-545BT。
锅炉为单炉体，全悬吊，T型结构。
燃烧地产褐煤，煤种低位发热量2815kcal/kg、灰份12.09%。
1.3.2测试报告内容〔3
（1）冷却风风量和入炉风温
●未对干式排渣机进行堵漏风处理时
关断门状态
全关
全开
炉渣冷却风量
34000Nm3/h
71000Nm3/h
占燃烧总风量比例
2.2%
4.6%
冷却风入炉温度
140℃
110℃
●对干式排渣机进行堵漏风处理后
关断门状态
全关
全开
炉渣冷却风量
23000Nm3/h
56000Nm3/h
占燃烧总风量比例
1.4%
3.3%
冷却风入炉温度
312℃
170℃
●再次对干式排渣机进行堵漏风处理后
关断门状态
全关
全开
炉渣冷却风量
13200Nm3/h
26800Nm3/h
占燃烧总风量比例
0.8%
1.6%
冷却风入炉温度
370℃
210℃
（2）炉渣冷却风对锅炉效率影响
●炉渣冷却风对锅炉效率影响（经两次堵漏后，关断门关闭）
项目
效率相对变化
效率净变化
炉渣冷却风（13200Nm3/h）带入炉膛的热量6000*103kJ/h
+0.125
0.051
空预器侧空气流量减少13200Nm3/h导致排烟温度升高1.12℃
-0.074
●炉渣冷却风对锅炉效率影响（经两次堵漏后，关断门全开）
项目
效率相对变化
效率净变化
炉渣冷却风（26800Nm3/h）带入炉膛的热量7270*103kJ/h
+0.151
-0.001
空预器侧空气流量减少26800Nm3/h导致排烟温度升高2.27℃
-0.152
通过干式排渣机机壳进入炉内的风量越大，冷却风被加热的温度低，空预器侧空气流量减少越多，导致排烟温度升高越多，锅炉排烟热损失增加。
（3）炉渣可燃物
1号炉在干式排渣系统改造前，炉渣可燃物的水平在25～38%之间，造成炉渣可燃物高的原因主要是炉渣中存在大量未燃的焦碳颗粒，这些焦碳颗粒有着很强的继续氧化燃烧能力，能够继续在关断门上和干式排渣机上继续燃烧，放出的热量加热冷却空气，相对于炉渣燃烧放出的热量，炉渣显热约占1/10。
干式排渣系统投运后，500MW负荷下的排渣量约为700kg/h，干式排渣机出口的炉渣可燃物水平为7～14%，炉渣燃烧所放出热量加热了冷却空气。
1.3.3对上述测试数据的分析
●仅进行部分堵漏风工作、关断门打开的工况，是比较符合实际的工况，从上述测试数据可看出，此时炉渣冷却风风量将远大于锅炉效率净变化值为0的风量，会使锅炉效率有所降低。
●由于该厂燃煤的特殊性，炉渣可燃物的含量非常高，会出现复燃现象。
●实际运行的干式排渣机本身漏风非常严重。
2．华能巢湖电厂干排渣系统测试〔4〕和分析
国内不少同行在各种不同的场合，一直强调干式排渣系统可提高锅炉效率；对前面三个电厂测试报告内容初步分析可看出，干式排渣系统会对锅炉效率产生一定的负面影响，但是否真的使锅炉效率降低？
影响有多大？
有必要取得第一手资料，为此我院委托西安热工研究院有限公司苏州华瑞能泰发电技术有限公司对华能巢湖电厂1号机组干排渣系统，进行不预设前提条件的测试。
2.1设备概述
.1.1锅炉为超临界参数变压直流炉，HG-1900/25.4-YM7型，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构π型锅炉。
设计煤种为淮南矿业集团公司烟煤。
.1.2采用正压冷一次风直吹式制粉系统，配六台中速磨煤机。
.1.3机组配备风冷式干排渣系统，布置如图2.1所示。
炉底渣经渣井及排渣装置落在风冷式钢带排渣机的输送钢带上，在输送过程中通过自然冷风将热渣冷却成可以直接储存和运输的冷渣，冷却后的炉底渣破碎后经斗式提升机输送至渣库。
图2.1干排渣系统布置图
.1.4煤质数据
表2-1煤质资料
序号
项目
代号
单位
设计煤种
（淮南矿）
校核煤种1
（平顶山矿）
校核煤种2
（淮北矿）
1
全水分
Mt
%
5.7
6
8
2
空气干燥基水分
Mad
%
1.44
1.02
3
收到基灰份
Aar
%
28.0
30.8
30.62
4
干燥无灰基挥发份
Vdaf
%
42.5
35
38.88
5
收到基碳
Car
%
54.2
53
50.89
6
收到基氢
Har
%
3.60
3.4
3.36
7
收到基氮
Nar
%
1.10
1.0
0.89
8
收到基氧
Oar
%
7.00
5.3
5.76
9
全硫
St,ar
%
0.4
0.5
0.41
10
收到基高位发热量
Qgr,ar
MJ/kg
22.2
/
/
11
收到基低位发热量
Qnet,ar
MJ/kg
21.3
20.93
19.82
12
哈氏可磨系数
HGI
/
55
70
73
2.2试验目的
在干排渣系统不同冷却风量下，测试锅炉运行参数，比对排烟温度、灰渣可燃物的变化趋势以及对锅炉效率和燃烧工况的整体影响。
2.3试验工况设置
以逐步开启干排渣机两侧的冷却风小风门和观察孔门为风量调节手段，观察进入炉膛的冷却风温度，从而进行试验工况的设置。
工况设置如表2.2所示。
表2.2试验工况设置表
工况
工况描述
负荷
试验内容
试验时间
T00
锅炉辅助性试验
500MW
空预器进出口烟温、氧量代表点标定
8小时
T01
风门全关
540MW
锅炉效率
1小时
T02
小风门全开
540MW
锅炉效率
1小时
T03
小风门全开＋4个观察门
540MW
锅炉效率
1小时
T04
小风门全开＋10个观察门
540MW
锅炉效率
1小时
注：
（1）限于无法调节，所有工况下图2.1中的钢带（头部）风门均处于开启状态。
（2）T03工况为现场的实际运行工况。
冷却风小风门和观察孔门对称布置在排渣机的前、后面，从水平段、上升段至排渣机出口连续布置，其结构和数量如图所示。
图2.2冷却风小风门（27×2个）图2.3排渣观察门（28×2个）
2.4干排渣系统试验
2.4.1煤、灰渣分析
表2.3煤、灰渣分析结果
项目
符号
单位
T01
T02
T03
T04
全水
Mt
%
6.10
5.00
6.40
5.50
内水
Md
%
1.90
1.80
1.84
1.78
干燥基灰份
Ad
%
26.42
27.65
27.09
29.00
干燥基挥发分
Vd
%
31.04
29.23
30.98
27.76
分析基硫分
Sad
%
0.52
0.60
0.46
0.71
分析基固定炭
Fcad
%
41.74
42.34
41.16
42.46
收到基低位发热量
Qnet,v,ar
kj/kg
22260
22090
21830
21670
炉渣可燃物
Cmad
%
1.59
1.11
1.26
0.95
飞灰可燃物（A/B）
Cmad
%
0.60/0.72
0.75/1.12
0.48/0.66
0.58/1.04
随着干排渣系统冷却风量的增加，灰渣可燃物的变化规律不太明显。
通过就地考察发现，炉渣不具备在干式排渣机上再燃烧的能力。
2.4.2冷却风风温测量
表2.4进入炉膛的冷却风温度测量结果
试验工况
冷却风温度，℃（均值）
一室
二室
三室
T01
201.9
214.1
176.9
T03
162.6
143.3
104.3
T04
145.1
112.7
76.9
T02
187.2
174.6
139.9
由上表可以看出，按照T01-02-03-04的顺序，随着冷却风量的增加，混合后风温迅速降低。
2.4.3排渣温度及渣量测量
540MW稳定负荷下，清空渣仓内的存渣后开始计时收集，两个小时后放出积存的渣量并计量称重，两小时收集的总渣量为8.06t，即排渣量为4.03t/h。
按照燃煤量230t/h、燃煤灰分26%（收到基，四个工况的平均值）估算，灰渣比例约为93%：
7%。
T01～T04工况下排渣温度测试结果如表2.5所示。
表2.5排渣温度测量结果
项目
单位
T01
T02
T03
T04
排渣温度（平均值）
℃
55.6
49.7
34.3
29.1
2.4.4锅炉效率计算
实测各工况下的锅炉效率及经大气条件、煤质等修正后的锅炉效率如下表所示。
表2.6锅炉效率计算结果
项目
单位
T01
T02
T03
T04
试验负荷
MW
539.8
555.3
542.0
547.6
给煤量
t/h
229.8
230.2
230.2
230.2
空预器进口氧量
%
3.6
3.2
3.8
3.5
空预器进口烟温
%
341.5
344.4
343.9
344.8
空预器出口氧量
%
4.9
4.6
5.1
4.8
排烟温度
℃
121.8
125.0
127.2
130.4
飞灰可燃物
%
0.66
0.94
0.57
0.81
炉渣可燃物
%
1.59
1.11
1.26
0.95
未燃碳热损失
%
0.275
0.384
0.244
0.342
干烟气热损失
%
4.169
4.233
4.477
4.503
锅炉效率
%
94.71
94.50
94.40
94.28
修正后的排烟温度
℃
117.5
121.0
122.6
125.9
修正后的锅炉效率
%
94.573
94.368
94.294
94.089
由上表可以看出，随着冷却风量的增大，排烟温度逐渐升高，锅炉效率越来越低。
2.4.5冷却风量计算
忽略干排渣系统的散热损失，由热平衡法估算冷却风量的计算表如下所示。
表2.7冷却风量计算表
项目
单位
T01
T02
T03
T04
渣量
t/h
4.03
4.03
4.03
4.03
渣入口温度
℃
850
850
850
850
渣出口温度
℃
55.6
49.7
34.3
29.1
入口风温
℃
26.6
24.2
27.25
25.75
出口风温
℃
197.6
167.2
133.4
111.6
风量
t/h
17.7
21.3
28.4
36.5
总风量
t/h
2248.8
2189.8
2251.4
2173.4
冷却风比例
%
0.79
0.97
1.26
1.68
注：
此处总风量为理论计算值。
需要说明的是，由于炉底三室进风不均匀（根据表2.4三室的温度变化可知，三室温度变化幅度要大很多），出口风温按平均值计算得出的冷却风量与真实值可能存在偏差。
2.4.6主要参数对比分析
根据表2.2的工况设置表，四个工况下的锅炉及干排渣机的主要运行参数变化情况汇总出如下表所示。
表2.8主要参数对比表
项目
单位
T01
T02
T03
T04
冷却风量
t/h
17.7
21.3
28.4
36.5
总风量
t/h
2248.8
2189.8
2251.4
2173.4
冷却风量比例
%
0.79
0.97
1.26
1.68
试验负荷
MW
539.8
555.3
542.0
547.6
给煤量
t/h
229.8
230.2
230.2
230.2
飞灰可燃物
%
0.66
0.94
0.57
0.81
炉渣可燃物
%
1.59
1.11
1.26
0.59
修正后排烟温度
℃
117.5
121.0
122.6
125.9
修正后锅炉效率
%
94.573
94.368
94.294
94.089
排渣温度
℃
55.6
49.7
34.3
29.1
图2.4排烟温度随冷却风量的变化关系
图2.5锅炉效率随冷却风量的变化关系
由表2.8和图2.4～2.5可以明显看出：
随着冷却风量的增大，排烟温度逐渐升高，锅炉效率逐渐降低。
各工况下的灰渣可燃物无明显变化规律。
排渣温度和排渣机壳体温度随着冷却风量的增大而降低。
2.5炉底无漏风状态锅炉效率
炉底无漏风工况，相当于水封排渣槽、刮板捞渣机等水封式除渣装置运行工况。
根据试验数据，假设煤质、运行氧量、灰渣可燃物含量、磨煤机运行方式等在同样运行条件下，推算无漏风状态下的排烟温度和计算锅炉效率。
（1）排烟温度推算
下图为冷却风量与排烟温度的关系图，根据四个工况（试验真实值）得出的冷却风量比例与排烟温度的关系曲线推算出的无漏风状态下的排烟温度约为113.4℃（R2＝0.95）。
（2）锅炉效率计算
根据推算得出的排烟温度，计算无漏风状态下的锅炉效率如下表（对比T01工况）。
项目名称
符号
单位
干排渣系统性能试验
工况编号
/
/
T01
无漏风工况
修正后的热效率
ηc
％
94.573
94.884
2.6小结
（1）随着干排渣系统冷却风量的增加，排烟温度会明显升高，排烟热损失增加，锅炉效率降低。
不同工况下锅炉效率如下：
项目
单位
无漏风工况
T01
T02
T03
T04
冷却风量比例
%
0
0.79
0.97
1.26
1.68
修正后锅炉效率
%
94.884
94.573
94.368
94.294
94.089
锅炉效率比较
百分点
0
-0.311
-0.516
-0.590
-0.795
由表中数据可知，干排渣系统与水封式除渣装置比较，华能巢湖电厂的实际运行工况（T03）会使锅炉效率降低约0.6个百分点，即使在进风量最小的工况（T01）也会使锅炉效率降低0.3个百分点以上，T02工况（小风门全开始）是比较符合干排渣系统设计运行工况的，此时使锅炉效率降低0.5个百分点以上。
（2）随着干排渣系统冷却风量的增加，灰渣可燃物的变化规律不太明显，其主要原因是试验期间氧量充足，灰渣可燃物整体较低，变化规律不明显。
另外，灰渣可燃物受煤质和锅炉运行参数变化的影响可能比少量的冷却风变化带来的影响要大些。
通过就地考察发现，炉渣不具备在干式排渣机上再燃烧的能力。
3．几点看法
3.1关于渣中碳的复燃
从上述电厂的相关测试试验和就地考察发现，对于燃用烟煤和无烟煤的锅炉，渣中含碳量低、可燃物的挥发份低，且可燃物外部被灰所包围，在干式排渣机上所处的温度环境又远低于炉膛，因此在运转的干式排渣机上产生二次燃烧的可能性极低，一般不具备在干式排渣机上再燃烧的能力。
除非像Y煤电有限责任公司发电厂一样的底渣，由于燃煤的特殊性，渣的可燃物含量非常高，且渣中存在大量未燃的、有着很强的继续氧化燃烧能力焦碳颗粒，才可能能够继续在关断门上和干式排渣机上继续燃烧。
3.2对锅炉效率的影响
根据实测数据分析，干排渣系统与水封式除渣装置比较，现有的干式排渣机的结构型式和干式排渣系统的布置方案，干式排渣系统会使锅炉效率有所降低，一般情况下可能会降低0.5个百分点以上，即使对干式排渣机进行适当的堵漏，同时将干式排渣机两侧冷却风风门关闭，仍会使锅炉效率降低0.3个百分点左右。
为了保证在所有工况，干式排渣机的排渣温度不至过高，以满足后续设备的运行要求，冷却风量是按最大渣量进行设计和调整的，而锅炉实际时，由于锅炉负荷的变化、煤质变化、锅炉是否吹扫等的影响，大部分时段锅炉的排渣量会远少于最大渣量；现场实际运行时，运行人员更多的是关注系统排渣是否超温；尽管目前部分设备有一定的进风量调节手段，但由于干式排渣机本身漏风非常严重，且调节机构的可调性差，不能做到有效的调节进风量；因此，锅炉运行的大部分时段，冷却风被加热的温度会远低于前述的实测值，对锅炉效率的影响会比上面所述的更严重。
对于2×1000MW容量的电厂，年耗煤量约320万吨（标煤），按锅炉效率降低0.5个百分点计算，采用干排渣系统约多耗标煤1.6万吨，按标煤600元/t计，一年的经济损失将达960万元。
3.3干排渣系统漏风
在正式测试前，初步测量结果普遍表明炉底入炉风温偏低，从而普遍对干式排渣系统进行了堵漏、关闭干式排渣机两侧冷却风风门、关闭关断门等工作，这说明干排渣系统本身漏风严重，在设备正常运行时，势必对锅炉效率产生较大的负面影响。
在入炉总燃烧空气量（氧量）保持不变的情况下，干排渣系统冷却风作为燃烧所需空气从炉底送入，经过空气预热器的空气量会相应减少。
经空预器后进入炉膛的二次风的热风温度通常为340～360℃，因此只有在保证由锅炉底部进入炉膛的风温不低于340～360℃时，才能基本上不影响锅炉效率。
二十世纪八十年代中期之前的电站锅炉，普遍采用漏风严重水力排渣槽，此后，普遍采用水封排渣槽和刮板捞渣机等水封式除渣装置，解决了漏风问题，提高了锅炉效率。
干式排渣系统体积庞大、运转部件多，从结构和原理上解决不了漏风问题。
3.4干式排渣系统国外应用情况
据不完全统计，到目前为止，除中国外其他国家煤电装机容量超过10亿kW，风冷干排渣系统在发明后近30年的时间内，国外大约有50多台燃煤锅炉采用了风冷干排渣系统，总装机容量约1000万kW，占煤电装机容量的1%左右，显然干式排渣系统在国外电厂不是主流系统和主流产品。
3.5关于干式排渣系统节水
目前电厂普遍采用刮板捞渣机除渣系统，水全部采用闭式循环系统，不对外排放，跟二十世纪八十年代的开式水力排渣系统完全不是一个概念。
目前刮板捞渣机除渣系统的耗水主要体现在两方面：
锅炉排渣装置的蒸发损失和湿渣带走的水。
风冷干式排渣系统，尽管除渣装置基本上不耗水，但渣外运需调湿，同样需要水，其水量与刮板捞渣机除渣系统的湿渣带走的水相当，因此干式排渣系统的节水主要体现在减少锅炉排渣装置的蒸发损失方面。
锅炉排渣装置的蒸发损失可按下式估算〔5〕：
Q＝A·E/1000（m3/h）
式中：
A——锅炉排渣口面积（m2）
E——水封排渣槽的
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