垃圾焚燒余熱鍋爐二三通道結(jié)焦原因分析及應(yīng)對(duì)措施

彭小軍++周洪權(quán)++傅玲瓊

摘 要：余熱鍋爐的結(jié)焦和積灰直接影響到垃圾焚燒發(fā)電廠(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，本文分析了國(guó)內(nèi)某垃圾焚燒廠(chǎng)鍋爐二三通道結(jié)焦成因，并結(jié)合本廠(chǎng)實(shí)際情況采取了相應(yīng)措施，以期為國(guó)內(nèi)垃圾焚燒行業(yè)的工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：垃圾焚燒余熱鍋爐；結(jié)焦；高溫腐蝕；激波清灰

中圖分類(lèi)號(hào)：TK227.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）07-0008-03

城市生活垃圾成分復(fù)雜多樣，含水量高，焚燒過(guò)程中很容易在換熱面上形成結(jié)焦和積灰。換熱面結(jié)焦積灰后導(dǎo)致傳熱熱阻增加，管內(nèi)介質(zhì)的吸熱量減少，鍋爐排煙溫度升高。理論計(jì)算和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，鍋爐排煙溫度升高15～20℃，鍋爐熱效率約降低1個(gè)百分點(diǎn)[1]，此外嚴(yán)重的結(jié)焦和積灰還會(huì)引起換熱管腐蝕和爆管停爐，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。

垃圾余熱鍋爐主要分為四個(gè)通道，其中四通道（即水平通道）主要布置了蒸發(fā)器、過(guò)熱器和省煤器等對(duì)流換熱面。由于對(duì)流換熱面管束多，也是積灰最嚴(yán)重的區(qū)域。長(zhǎng)期以來(lái)，垃圾余熱鍋爐通常都只是考慮了在四通道設(shè)置清灰裝置，而對(duì)于二三通道的結(jié)焦則很少關(guān)注。近年來(lái)隨著垃圾熱值的提高，鍋爐的熱負(fù)荷整體上升，導(dǎo)致鍋爐二三通道溫度均有所提高，也加重了該區(qū)域內(nèi)水冷壁的結(jié)焦。

1 結(jié)焦原因分析

鍋爐結(jié)焦是煙氣中攜帶的熔化或部分熔化的灰顆粒，碰撞到受熱面管子被冷卻凝固而形成，主要出現(xiàn)在輻射、半輻射和高溫對(duì)流等受熱面。鍋爐結(jié)焦是一個(gè)物理、化學(xué)綜合過(guò)程，基本上分兩個(gè)階段。首先是垃圾中的堿金屬化合物、鈣和磷的化合物，由垃圾中揮發(fā)出來(lái)，變成以氧化物、氯化物、氫氧化物的蒸汽或氣體，隨煙氣沖刷換熱管，換熱冷卻后在管子外表面凝結(jié)，形成粘結(jié)性沉淀層。同時(shí)，在高溫?zé)煔庵辛蜓趸餁怏w長(zhǎng)期作用（燒結(jié)）下，形成薄而密實(shí)的硫酸鹽沉積層（第一層灰），該沉積灰層極難清除。然后隨著灰層厚度不斷增加，其灰污表面溫度不斷升高，逐漸接近于當(dāng)?shù)責(zé)煔鉁囟?，若此煙氣溫度使灰處于熔化狀態(tài)，則在第一層粗糙的灰層表面極易粘附一些煙氣中尚未得到冷卻成為凝固狀態(tài)的液態(tài)灰顆粒，形成增長(zhǎng)速度很快的梳狀、松散多孔的外灰層沉積物（第二層灰）。

鍋爐結(jié)焦，往往是由于眾多因素綜合作用的結(jié)果，而灰熔點(diǎn)的高低是其中最重要原因之一。一般認(rèn)為，灰渣中CaO、MgO和Fe2O3等堿性氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，其熔融溫度越低[2]。通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，垃圾焚燒后的灰燼中含有較多的堿金屬（鈣、鈉、鎂等），如下表1所示。垃圾成分中的這些堿金屬氧化物、氯化物及其硅酸鹽、硫酸鹽類(lèi)易揮發(fā)，能促進(jìn)灰層形成，降低灰熔點(diǎn)。從垃圾飛灰的實(shí)際灰熔融特性來(lái)看，其變形、軟化、熔融溫度都明顯低于煤灰的溫度，基本在1050℃時(shí)發(fā)生軟化，較煤灰低約200℃，且試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此三個(gè)溫度點(diǎn)差距不大或沒(méi)有明顯分界?？梢哉f(shuō)垃圾本身的固有特性，決定了垃圾焚燒爐易于結(jié)焦的特性。

2 余熱鍋爐運(yùn)行狀況

上海某垃圾焚燒發(fā)電廠(chǎng)共設(shè)有兩臺(tái)垃圾焚燒鍋爐，單臺(tái)設(shè)計(jì)日處理量為400t/d，垃圾低位熱值設(shè)計(jì)值為6700kJ/kg。

本項(xiàng)目于2014年年初開(kāi)始運(yùn)行，隨著城市生活水平的提高，垃圾的整體熱值均有所提高。根據(jù)表2焚燒廠(chǎng)2016年1-7月噸垃圾發(fā)電量統(tǒng)計(jì)表計(jì)算可得，本廠(chǎng)噸垃圾平均發(fā)電量約為400kW.h/噸。根據(jù)垃圾焚燒發(fā)電廠(chǎng)全廠(chǎng)熱效率0.20考慮，粗步估算金山廠(chǎng)的垃圾實(shí)際熱值基本超過(guò)7200kJ/kg。

由于焚燒廠(chǎng)運(yùn)行后垃圾實(shí)際熱值偏高，如果焚燒爐滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行（即400t/d），則鍋爐總的熱負(fù)荷超過(guò)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，這樣鍋爐會(huì)因?yàn)槲鼰崦娣e相對(duì)偏低而導(dǎo)致鍋爐煙氣偏高。根據(jù)之前的運(yùn)行數(shù)據(jù)（見(jiàn)表3），鍋爐一、二、三通道都出現(xiàn)了超溫現(xiàn)象，其中三通道出口煙溫長(zhǎng)期維持在700℃以上，超過(guò)原設(shè)計(jì)值650℃。長(zhǎng)期超溫運(yùn)行造成鍋爐二、三通道及高溫過(guò)熱器受熱面結(jié)焦積灰非常嚴(yán)重（見(jiàn)圖1）。實(shí)際運(yùn)行中基本上每2-3個(gè)月就需要停爐人工清灰一次，極大的增加了檢修和維護(hù)成本。

3 為減少鍋爐高溫結(jié)焦采取的相應(yīng)措施

為減輕鍋爐結(jié)焦積灰，延長(zhǎng)鍋爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，焚燒廠(chǎng)采取了以下措施。

3.1 控制鍋爐熱負(fù)荷

通過(guò)該廠(chǎng)焚燒爐兩年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，當(dāng)鍋爐長(zhǎng)期超過(guò)額定熱負(fù)荷的時(shí)候，結(jié)焦積灰就比較快。由于垃圾熱值超過(guò)設(shè)計(jì)值，為了保持余熱鍋爐總的熱負(fù)荷不超額，目前每條焚燒線(xiàn)垃圾處理量都控制在370噸左右。

3.2 嚴(yán)格控制焚燒爐膛溫度

根據(jù)近幾年焚燒爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，當(dāng)焚燒爐膛溫度高于1050℃，三通道出口煙溫高于650℃，則鍋爐二三通道和高溫過(guò)熱器結(jié)焦和積灰情況會(huì)加重。為改善鍋爐結(jié)焦積灰的現(xiàn)狀，焚燒廠(chǎng)除了控制垃圾處理量之外，還通過(guò)調(diào)節(jié)助燃空氣溫度和冷卻風(fēng)量等措施，將焚燒爐膛溫度嚴(yán)格控制在1050℃以下。

3.3 鍋爐二三通道增加激波清灰

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期只考慮在鍋爐四通道設(shè)置了機(jī)械振打清灰裝置，主要用于鍋爐過(guò)熱器、蒸發(fā)器和省煤器等對(duì)流換熱面的清灰。然而在實(shí)際運(yùn)行中由于機(jī)械振打裝置制造精度和安裝精度未能達(dá)到設(shè)計(jì)值，而且設(shè)計(jì)采購(gòu)的振打裝置采用的是空氣錘方式，運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)沖擊力小的情況，導(dǎo)致清灰效果很差，并且頻繁的振打震動(dòng)也容易導(dǎo)致鍋爐換熱管焊口的損壞。2014年7月焚燒廠(chǎng)在鍋爐四通道增設(shè)了激波清灰（每臺(tái)爐共計(jì)38個(gè)點(diǎn)），此后機(jī)械振打清灰基本不再使用。

通常1mm的積灰對(duì)于傳熱的阻力大約是鋼鐵材料的50倍，由于余熱鍋爐二三通道結(jié)焦沒(méi)有采取任何清除措施，導(dǎo)致水冷壁的傳熱效率大大降低，鍋爐長(zhǎng)期處于超溫狀態(tài)。長(zhǎng)期超溫運(yùn)行造成鍋爐二、三通道及高溫過(guò)熱器受熱面結(jié)焦積灰非常嚴(yán)重，為防止鍋爐腐蝕爆管，只能通過(guò)縮短鍋爐運(yùn)行周期采用人工清灰來(lái)解決。為改變這一現(xiàn)狀，2016年2月焚燒廠(chǎng)計(jì)劃在鍋爐的二、三通道加裝激波吹灰器，考慮到激波清灰的有效半徑在1.5-2米，此次每臺(tái)爐共計(jì)增加20個(gè)激波吹灰點(diǎn)，具體位置見(jiàn)圖2。

4 改造效果

鍋爐改造后，于2016年3月重新啟動(dòng)。表4為二三通道設(shè)置激波清灰后鍋爐運(yùn)行的數(shù)據(jù)，從表中可見(jiàn)，盡管隨著鍋爐運(yùn)行時(shí)間的延后，鍋爐因結(jié)焦和積灰的加重?zé)煔鉁囟戎饾u在升高，但總的上升幅度比之前在變緩，其中三通道出口煙氣溫度在運(yùn)行后3個(gè)月后才提高到700℃左右?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)嚴(yán)格控制鍋爐熱負(fù)荷和焚燒爐膛溫度，加上二三通道設(shè)置了激波清灰設(shè)施，鍋爐結(jié)焦積灰情況都有了很好的改善。根據(jù)運(yùn)行人員介紹，目前鍋爐的停爐清灰時(shí)間已由原來(lái)的2-3個(gè)月變?yōu)?-6個(gè)月，基本可滿(mǎn)足每年兩次停爐檢修的要求。

此次二三通道增加激波清灰點(diǎn)總的投入費(fèi)用約為120萬(wàn)（含設(shè)備費(fèi)和安裝費(fèi)），由于每年減少了兩次停爐清灰時(shí)間，焚燒廠(chǎng)垃圾處理和發(fā)電都有了一定的提高，具體收益見(jiàn)表5。

由表5可見(jiàn)，通過(guò)鍋爐二三通道增加清灰等措施的采用，初步估算每年全廠(chǎng)即可增加收入268.3萬(wàn)元，基本一年之內(nèi)即可收回改造成本，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)焚燒廠(chǎng)都至關(guān)重要，而有效解決鍋爐結(jié)焦積灰問(wèn)題則是關(guān)鍵所在。在實(shí)際的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中，我們?nèi)孕枰粩嗟膶W(xué)習(xí)和改進(jìn)，才能找到垃圾焚燒余熱鍋爐更好的清灰方法和方式，延長(zhǎng)鍋爐的運(yùn)行周期。

參考文獻(xiàn)

[1]林宗虎，徐通模.實(shí)用鍋爐手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.4.

[2]戴愛(ài)軍，杜彥學(xué)，等.煤灰成分與灰熔融性關(guān)系研究進(jìn)展[J].煤化工，2009（4），16-19.