流化床锅炉灰渣的冷却

流化床锅炉灰渣的冷却
1、前言
自六十年代我国大力推广流化床(包括FBC & CFBC)锅炉燃烧劣质煤以来，由于燃煤的发热量只有800～3000Kcal/kg，灰分高达50～80%，排出的灰渣量大、温度高，其灰渣物热损失高达6～12%。

如何处理和综合利用这些灰渣及其余热，既是提高锅炉效率的需要，也是环境保护和充分利用资源的需要。

为此，国内不少能源科技工作者先后做了大量的试验研究工作，七十年代初，工厂通过技术革新，创造和移植出单管水套式、搁管式和螺旋式几种冷渣器。

从七十年代中期开始，高等学校和科研单位开始投入这项探索和研究，“六五”及“七五”期间，国家将灰渣的冷却与综合利用列入国家重点科技攻关项目。

在此期间，旋转筒式、气力输送式、立式分配板逆流式和流化床式等一大批冷渣机相继问世，并在工厂投入试验或运行。

同时还研制出一批有价值的实险装置，如‘Z’形密孔板式冷渣机、渣封式冷渣机和百叶窗式冷渣机等。

但没有正式产品投放市场。

表1列出了这一时期在生产上使用的一些冷渣机的特性。

表1已做过试验并在锅炉上应用过的冷渣器的特性汇总表
序号名称出口渣温钢耗动力消耗备注
(℃) (t钢/渣) (Kw/t渣)
1 单管水冷式 >700 / / 冷却效果差。

2 搁管水冷式 >350 / / 冷却效果欠佳、钢耗大。

3 螺旋(绞笼)水冷式～350 / / 冷却效果欠佳、机械故障较多。

4 旋转筒风冷式～300 3.31 ～4.1 冷却效果欠佳、体积大。

5 密孔板浅床沸腾式<130 0.52 >5.9 冷却效果好、电耗高。

6 风帽渣封沸腾式 312 / ～4.
7 冷却效果好、电耗太高。

7 塔式密孔板 259 / >2.1 冷却效果好、电耗较高。

8 气力输送式<30 / >6.5 楞冷渣与输渣、电耗太高。

九十年代，我国为了环境保护、节约能源和综合利用资源，推广使用洁净煤技术，流化床锅炉在过去以燃烧劣质煤为主的基础上，迅速发展为燃烧多种煤种。

现在，35～130t/h级CFBC锅炉的技术业已成熟，并向更大容量锅炉发展。

因而对冷渣器的技术经济性能要求越来越高，需求量也在增长。

虽然在这一阶段市场有螺旋式冷渣机和风水冷旋转筒冷渣出售，但用户反映不够理想。

在这种情况下，国际供货商对中国的冷渣机市场虎视耽耽。

回顾过去近三十年走过的历程，如何借鉴以往的宝贵经验，发展我国的冷渣机的优良品牌，已是国人义不容辞的责任。

2、各种冷渣设备概述及历史的回顾：
归纳起来，流化床锅炉的灰渣冷却与提高锅炉效率、资源综合利用和环境保护密不可分。

首先，利用灰渣余热，以提高锅炉效率或作它用。

·加热锅炉给水，作省煤器用。

有单管水套式、搁管式、螺旋式、旋转筒式和流化床式等。

·预热空气，作空气预热器用。

有旋转筒式、气力输送式、立式分配板逆流式和流化床式等。

·干燥煤，以利破碎与筛分。

有螺旋式，流化床式和气力输送式等。

·含尘热风底饲，改善流化质量，改善燃烧。

有气力输送式和流化床式等。

·作生活热水用。

其次，将冷却后的灰渣进行资源综合利用：如回填坑道、洼地和铺筑路基等，但有效的用途是生产建筑材料。

为此，需要保证灰渣具有好的反应活性，故灰渣不能被水直接喷淋冷却，或用水力冲灰输送，而要求使用干式冷却和输送。

第三，减轻工人劳动强度，减少粉尘污染，保护环境。

下面，扼要介绍已在流化床锅炉上配套使用，或作为产品在市场销售的主要冷渣设备的基本情况，然后针对灰渣的特点、热平衡和热传导进行分析，从中找出规律，用于发展我国冷渣机的名牌产品。

2-1、单管水套式冷渣器：
这是最原始，也是最简单的一种冷渣器，就是冷渣管和溢流管外面加一层水套，充当省煤器用。

它的传热面积小，传热系数低，渣在冷渣器中停留时间短，冷却效果差，一般只能使渣温降低100多度。

2-2、搁管式冷渣器：这也是作省煤器用的一种形式。

在溢流口下搁置许多锅炉钢管，水从管内流过，热渣在管间流过。

水被加热后送至锅炉的给水系统。

搁管有横与竖向两种布置方式，前者的传热系数为23.4Kcal/m2h℃，可使渣温由800℃左右降至400℃左右；后者的传热系数为24.14Kcal/m2h℃，渣温可降至380℃左右。

这种冷渣器体积大，消耗的钢材多，冷却效果达不到要求。

以上两种冷渣器均不需消耗电力，无转动部件，结构简单。

2-3、螺旋(绞笼)式冷渣机：
七十年代一些工厂的流化床锅炉是由链条锅炉改装而成，他们沿过去的螺旋出渣机冷却流化床锅炉的溢流渣，结果是冷却效果不理想，而且螺旋叶片易磨损，还有卡死等现象，故障多。

后来在此基础上进行改进，主要是中心轴改用钢管制造，用水冷却；外壳制作水夹套；螺旋叶片改用耐磨材料等。

由于热渣在绞笼内停留时间t短，充满系数ψ低，它们分别可由下列公式计算：
t=60×L /n×S (秒) (1)
及ψ=4B/[π(D２－d2)S×n×r] (2)
式中B、L、n、S、D、d和r分别代表输渣量(Kg/h)，绞笼的有效长度(m)，绞笼的转速(r.p.m )，螺旋片之间的节距(m)，螺旋直径(m)，中心轴外径(m)和渣的比重。

(Kg/m3)。

由式(1)可见，欲延长灰渣在绞笼中的停留时间，只有降低转速，加长绞笼的长度。

再考虑式(2)，必然使设备不紧凑。

又因它的冷却受热面积有限，传热系数低，所以改进后的螺旋式冷渣机的冷却效果仍不理想，冷却后的渣温仍在350℃左右，不但达不到冷渣要求，而且在这种温度下运转的绞笼常出故障。

如螺旋叶片与中心轴之间的焊接应力消除问题、磨损问题和卡机现象等。

近年从用户处了解到，他们在九十年代中期购置的螺旋式冷渣机，运行一个多月后就被迫停用就是例证。

2-4、旋转筒风水冷式冷渣机：
旋转筒式冷渣机是一个支承在托轮装置上成4。

～7。

倾角的旋转筒，以1～10转/分的转速旋转，由单独的电机带动。

筒体直径为900～1600mm，长度为5000～9000不等。

热渣由高位端进入筒内，从低位端排出。

在筒体内，冷却用空气与渣的流向相反，所加热的空气被送入烟道，未利用余热。

它出现于七十年代，最初是风冷，作空气预热器用。

由于渣温降低有限，发展为水、风冷却。

把筒壳做成夹层水套，水被加热后送入锅炉给水系统。

这时，以水冷为主，充当省煤器用。

为了提高冷却效果，有的筒体内加螺旋圈，有的加抛撒板等，形成各种系列产品。

几种产品的性能指标见表2。

旋转筒冷渣机的主要优点是生产能力调节范围大，操作较方便、稳定。

但体积大而重，填充系数小，转速低，传热系数不高，实际运行的冷却效果与表1中的指标有一定的差距。

由于有转动部件，不免有机械故障发生。

表2几种旋转筒风水冷式冷渣机性能指标
序号项目名称单位性能指标
1 型号 / 风冷 FSG0770-1 FS-
2 XPL-3
2 冷渣量 t/h 1 0.8～5.0 0.5～5.0 3
3 排渣温度℃ 200 <200 <190 <150
4 冷却风量 m3/t渣h 1613 300 300 267
5 排风温度℃ <300 75 70～85 200
6 冷却水量 t/t渣h / 4 3 4
7 排水温度℃ / 40～50 40～60 40～75
8 筒体转速 r.p.m 3 0.8～92 0.8～8 2～10
9 电机功率 Kw/t渣 4.1 1.1 0.88 0.73
10 外形尺寸 m 9.7×1.6×1.45 8.525×1.6×1.568
8.725×1.5×1.654.958×1.216×1.768
11 单重 t/t渣 3.3 1.2 1.2 /
2-5、气力输送冷渣输渣机：
七十年代浙江大学在某厂作了溢流渣的负压气力输送试验，利用鼓风机吸入口的负压，将435Kg/h，769℃的溢流渣送入直径为ψ250，长7米的气力输送管道内，最后经水封重力沉降室对渣进行分离。

试验结果是渣温降至130℃，被加热的空气从风室经风帽送入沸腾床内，风量为1733m3/h，管道阻力31.4mmH2O。

特别值得一提的是，当送入床层的热风停止而改送冷风时，床温竟从890℃降到800℃。

通过布风装置送含尘热风对改善流化质量、提高燃烧效率的效果是多么显著。

八十年代西安热工所在某厂进行煤的破碎-干燥-气力分选沸腾燃烧半工业性
试验，它用灰渣余热将空气加热到350℃，用于干燥煤进行破碎，用气力输送方式对煤进行筛分，分选为粒径为0.5～8mm和0～1mm两组，分别送入流化床锅炉燃烧。

该系统出力为4.5～5.0t/h，采用三级气-固分离和两级辅助分离，分离设备加管道系统总阻力为295mmH2O。

排风机为22k w。

一般来说，气力输送系统运行稳定，输送量大，清洁卫生，自动化程度高。

但它的电力消耗多，管道与设备易磨损。

2-6、立式分配板逆流冷渣器：
在一个立式筒体内，沿高度方向布置一组分配板，热渣由上而下通过分配板播撒往下流动，而空气由下往上流动，与热渣逆向直接接触。

热渣被冷却至200℃左右，空气被加热到350℃左右。

八十年代初，西安热工所应用这种装置在某厂用于锅炉的底饲鼓风给煤，运行表明，这种装置采用直接接触传热，较之间接传热的冷却设备传热效果要高得多。

2-7、流化床冷渣设备：
流化床的传热效果是勿容置疑的，一般地说来，流化床的传热系数要高于前述的几种冷渣机。

因此用流化床冷却灰渣，不但已作过大量的试验研究和应用，而且，还研制出多种型式的冷渣机。

但作为一种产品推向市场，过去未见报导，但投入试验和工业应用的有几处。

表3列出了它们的基本特性。

它的冷却效果好，钢材消耗少，只有旋转发筒式冷渣机的六分之一。

无转动部件，机械故障少。

它所存在的问题是电耗较高，还有磨损和规范化问题等。

表3流化床冷渣机能汇总表
序号项目名称单位流化床冷渣设备的型式
单床风帽式塔式密孔板式 QL型浅床式 SCT型
1余热利用方式 / 省煤器空气预热器空气预器省煤器、空气预热器
2 冷却渣量 t/m2h 3.84 4.57 1.38 5.2
3 冷却后渣温℃ 312 259 21 80
4 冷却风量 m3t渣h 1470 1381 5949 977
5 加热后风温℃ 312 283 113 170
6 冷却水量 t/t渣h 锅内循环 / / 2.94
7 加热后水温℃锅内循环 / / ～65
8 总阻力帕 7260 2663 3280 1560
9 电力消耗 Kw/t渣 6.2 2.1 5.91 0.88
10 单重 t/t渣 / / / 0.3
除上述各种冷渣设备之外，还有许多待转化为产品的实验装置，它们虽未在工业上投入运行，但很有开发前景，如“Z”密孔板式冷渣机、渣封式冷渣机和百叶窗冷渣机等。

表4列出我国已开发出来的冷渣机的特性
表4各种冷渣机性能及消耗指标比较表
序号冷渣机名称型号外形尺寸长×宽×高冷渣
量(t/h) 出口渣温(℃) 冷却风(m2/h)
出口风温(℃) 冷却水(t/h) 出口水温(℃ ) 传热系数(kcal/m2℃)
钢耗(t钢/t渣)电耗(kw/t渣)
1 多搁管式水冷// 10～16 ～400//// 23.4/ /
2 螺旋式水冷 LLZ600 8.86*1.59*1.76 4 <200 / / 28.0 <6 5//
2.75
3 滚筒式风冷// 1 200 1613 <300 / / 27.6* 3.
4 4.1
4 滚筒式风水冷 FS-2 8.725*1.5*1.6
5 5 <190 1500 70～85 15.0 ～55/
1.2 0.88
5 滚筒式风水冷 FSG0770 8.525*1.6*1.5
6 5 <200 1500 ～
7 0 20.0
～55/ ～1.2 1.1
6 抛洒式风水冷 XPL-3 4.96*1.22*1.76 3 <150 800 ～200 12.0 ～75//
0.73
7 密孔板浅床式 QL/ 0.83 21 4926 113 / / 31.5 0.52 <5.9
8 密孔板式 //4.6 259 6312 283 / / 45.21/ 2.1
9 气力输送式 //4.4 <130// / /// >6.5
注：表中2～6项所列数据为设计值，7～9三项为实测值。

*为容积放热系数，Kcal/m h℃综上所述，我国流化床锅炉冷渣设备经过近三十年探索、试验和实践，积累了十分宝贵的经验，应该说已达到成熟的发展阶段。

现在需要企业家们与科技人员密切合作，开发出中国的冷渣机名牌产品，不但要占领中国市场，还应打进国际市场。

为此，下面将冷渣机开发中需要认识的几个基本问题进行分析，以利于新产品的开发
3、流化床锅炉灰渣的基本特性：
流化床锅炉排出的灰渣，系颗粒物料。

它分为细灰(包括除尘灰和沉降灰)及大渣(包括冷渣和溢流渣)两大类。

流化床锅炉灰渣的物理特性、比热及1吨灰渣所拥有的物理热分别见表5—7。

可见，细灰与大渣温度与颗粒直径大致分别为：·细灰：Dcp<0.8mm,T<150～450℃；
·大渣：Dcp≥2.5mm,T<850～900℃
由于大渣温度高达850～900℃，灰渣的冷却主要指的是大渣。

由于灰渣量大，对于劣质煤，灰分高达50～80%，其中大渣量约占总灰量的40～50%。

现代大型循环流化床锅炉燃用发热量为3000～5000Kcal/Kg的煤，灰分也有15-30%。

其中大渣量占总灰量的20～35%。

这么多的灰渣，出路在何方?过去，大多是回填坑道、洼地和铺筑路基，但有效的用途是生产建筑材料。

为了保证灰渣具有好的反应活性，灰渣不能被水直接喷淋冷却，或用水力冲灰输送，而要求使用干式冷却和输送。

表5流化床锅炉灰渣特性汇总表
煤种粒径范围(mm)真实比重γz(Kg/m3)堆积比重γ
d(Kg/m 3)推积空隙率
ε=1-(γd/γz)
煤矸石：大同烟煤加开滦煤矸石(1∶2)
无烟煤：京西乙末
茂名页岩 0～1.5，dcp=0.974 23129550.588
0～2.5，dcp=1.40523729700.581
0～10 ，dcp=2.00231211000.525
0～1.5，dcp=0.825228011300.505
0～2.5，dcp=1.19229011600.492
0～10，dcp=2.56235512600.465
0～12，dcp=3.631300 680 0.477
表6灰渣的比热
温度(℃)100200300400500600700800900100011001200
比热
(Kcal/Kg℃)0.1930.2020.2100.2150.2190.2230.2260.2290.2320.2350.2380.240
表71吨渣释放的热量
温度(℃) 比热kcal/kg℃拥有热量
Qy(kcal/t)当渣温由t‘=900℃降至t"时，1吨渣所释放的热量Qz,kcal
t"=400℃t"=350℃ t"=300℃ t"=250℃t"=200℃
t"=150℃t"=100℃
t"=80℃
900
800
700
600
500
400
350
300
250
200
150
100
800.232
0.229
0.226
0.223
0.219
0.215
0.213
0.210
0.206
0.202
0.198
0.193
208.800
183.200
158.200
133.800
109.500
86.000
74.550
63.000
51.500
40.400
29.700
19.300
15.440令：t‘=900℃,Qy‘=208,800kcal/t,
Qz=Qy‘-Qy"
式中，Q y‘-流化床锅炉排渣拥有的热量，kcal/t。

Q y"-被冷却后的渣拥有的热量，kcal/t。

Q z-冷渣器应带走的热量，kcal/t。

112.800
134.250
145.800
157.300
168.400
178.910
189.500
193.360
冷却灰渣的温度下限以多少温度为宜?根据劳动法的规定，为了保护人身和运
输设备的安全，人身可接触的温度是60℃。

若人身不直接接触，可达80℃。

如何用干式方法将灰渣冷却至80℃以下，回收的热量能有效利用，以提高锅炉效率，并能安全而方便地运出厂外，此乃研制冷渣设备的基本要求。

4、热平衡与热传递：
冷却灰渣就是要把灰渣的物理热带走。

目前，广泛使用的冷却工质是水和空气。

1000m3的空气和1吨水可带走的热量列入表8及表9。

按照热平衡，冷渣机的热效率ηr和冷却效率η1分别表示如下：
ηr=〖SX(〗Q s+Q k[]Q y‘ (3)
η1=[SX(]Q Y″[]Q Y′[SX)][JY](4)
式中Q s和Q k分别为水和空气的吸热量(Kcal/h)。

表8 1000m3空气可带走的热量
温度(℃）比热kcal/kg℃拥有热量Qk（kcal1000m3)
当空气温度由t′=30℃升至t″时，1000m3空气所
带走的热量Q k,kcal
t″=400℃ t″=350℃ t″=300℃ t″=250℃ t″
=200℃ t″=150℃ t
″=100℃
4000.246127.231117,921令:t′=30℃ Qk′
=9310kcal1000m3
Qk=Qk-Qk′
3500.2445110.648Qk′-进口空气拥有热量
kcal/1000m3101,338
3000.24394.26084,950
2500.241578.065Qk″-出口空气拥有热量
kcal/1000m368,755
2000.24262.581Qk-空气带走热量，kcal/1000m3 53,271
1500.24146.80737,497
1000.24031.03221,722
表91吨水可带走的热量
当水温度由t′=30℃升至t"时，1吨水所带走的热量Qs,kcal/t
t″=80℃ t″=75℃ t″=7 0℃ t″=65℃ t″=60℃t″=50℃ t″=40℃
50,000 令：t′=30℃ QS′=30,000kcal/t
45,000
40,000
Qk′-进口水拥有热量，kcal/t 35,000
Qk″-出口水拥有热量，kcal/t 30,000
Qk-水带走热量，kcal/t 20,000
10,000
渣所拥有的热量能否被冷却工质带走，由传热公式决定：
Q=K·F·△T (5)
式中Q、K、F及△T分别代表热交换量(Kcal/h)、传热系数(Kcal/m2h℃)、传热面积(m2)和传热温差(℃)。

这就是说，在传热温差△T已确定的情况下，要求在有限的容器内，要有足够多的传热面积F 或尽可能高的传热系数K。

显而易见，提高传热系数可以减少传热面积，从而减少材料与劳动力消耗，节省投资。

因此，如何提高冷渣机的传热效率，乃是冷渣机发展的关键。

5、流化床冷渣机的开发：
5-1、合理确定灰渣余热利用目标：
如前所述，灰渣余热主要有三个方面的用途：加热锅炉给水、加热空气和干燥煤。

最理想的情况是前两者在锅炉制造时作为锅炉整体一部分出厂，后者则在锅炉房设计时由设计单位统一设计。

我们期待着这一天的到来。

然而，就现在情况，只能由用户自己选择方案作出技术改造的决策了。

一般地说来，没有装空气预热器的锅炉，应首先用于加热空气。

对于装有空气预热器的锅炉，除非空气预热温度很低，灰渣余热可作为补充者外，主要的应作为省煤器来利用余热。

再则，水的冷却效果优于空气。

一般说来，应采用水、风两者兼而有之的冷却。

几种热交换性能比较好的冷渣机，都有热空气产生。

无论冷渣机用于何种目的，都应把带尘的热空气送入布风板下的风室，进入床内以改善流化质量，改善燃烧，提高燃烧效率。

5-2、选择合理的冷渣方案：
·选用传热系数高的冷渣机。

由于冷渣机装在锅炉下面，空间有限，只有传热系数高的冷渣机的体积小，才能在有限的空间内布置足够的传热面积吸收灰渣的余热，使灰渣冷却到符合要求的温度。

同时，高的传热系数材料消耗少，投资省。

据此，前述流化床冷渣机较为理想。

·运行稳定、安全、可靠。

由于冷渣机的工作环境恶劣，应选用转动部件少、磨损少的冷渣机。

·应参与燃烧，改善流化质量，提高燃烧效率。

·电耗低，运行费用少。

前述旋转筒式电耗较低，我们研制的SCT型冷渣输渣的电耗也较低。

·无粉尘污染，环境清洁。

·便于实现自动化与智能化。

应配自动排渣装置。

研制满足这些要求的冷渣机，应该说现在条件已经成熟。

从前面的分析可以看出，流化床冷渣机是很前途的。

我们推出的SCT型冷渣输渣机就是此例。

我们希望有更多更好的这类产品投放市场。

参考资料：
〔1〕浙江大学热能教研组溢流式石煤沸腾锅炉溢流渣的余热利用1976。

〔2〕毛鸿禧沸腾锅炉湖南科技出版社1978。

〔3〕还博文、朱桂根沸腾燃烧破碎-干燥-气力分选试验台进展和沸腾燃烧试验台设想沸腾燃烧锅炉论文集劳动人事出版社1986。

〔4〕刘焕彩流化床锅炉原理与设计华中理工大学出版社1988。

〔5〕唐惠芬等新型接触式冷渣器鉴定资料无锡市能源研究所、东南大学热能工程研究所、张家港市化肥厂1989。

〔6〕康燕陈文七循环流化床锅炉在热电联产中的应用及发展循环流化床锅炉学术交流会论文选编1993。

〔7〕祝兴久关于循环流化床锅炉的几个问题循环流化床锅炉学术交流会论文选编1993。

〔8〕王润年流化床锅炉燃烧系统存在的主要问题循环流化床锅炉学术交流会论文选编1993。

〔9〕刘明月张杰YG-75/5.29型循环流化床锅炉的试运行循环流化床锅炉学术交流会论文选1993。

〔10〕吕俊复吴恩旭国产75t/h循环流化床锅炉的现状及其发展前景循环流化床锅炉学术交流会论文选编1993。