回旋流式垃圾焚燒爐煙道和受熱面積灰及其抑制方法分析

劉占斌，徐文君（太原市同舟能源有限公司，山西 太原 030012）

回旋流式垃圾焚燒爐煙道和受熱面積灰及其抑制方法分析

劉占斌，徐文君
（太原市同舟能源有限公司，山西 太原 030012）

垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的煙道及受熱面積灰問題日益凸顯，通過對積灰形成機理分析，闡述了堿金屬在焚燒過程中，生成物在煙道及受熱面積灰中的重要影響，總結(jié)運行過程中積灰的判斷方法，探討通過燃燒調(diào)整對積灰抑制的影響及堿性脫除劑的應(yīng)用對積灰的抑制方法。

垃圾焚燒；受熱面積灰；燃燒調(diào)整；堿金屬添加劑

0 引言

太原市同舟能源公司配備3臺日本荏原公司設(shè)計的回旋流式 TIF（twin internally revolving fluidized bed） 型雙內(nèi)循環(huán)流化床垃圾焚燒爐，設(shè)計日處理垃圾量1 000 t，實際處理量1 300 t。焚燒爐將床料石英砂加熱至700℃以上，在流化狀態(tài)下，石英砂與垃圾之間摻混、接觸和熱交換，短時間內(nèi)將垃圾完全燃燒。由于垃圾成分復(fù)雜，灰分大、水分高，在燃燒過程中造成的煙道及受熱面積灰問題日益凸顯，可在短時間內(nèi)迅速燒結(jié)，已成為影響垃圾焚燒爐穩(wěn)定安全運行的重要因素。

1 TIF型垃圾焚燒爐煙道及受熱面積灰現(xiàn)狀

垃圾焚燒爐運行20天以后，在水平煙道及受熱面可明顯觀察到積灰現(xiàn)象。在水平煙道處積灰層層堆積，逐步將煙道堵塞。過熱器處懸掛梳狀物體，質(zhì)地堅硬密實，有很高的燒結(jié)強度，懸掛物迎風(fēng)生長，不斷地堵塞管排間隙，導(dǎo)致煙道阻力增大，情況最嚴(yán)重的時候，每30天需要停爐對煙道及受熱面進行全面清理，這種高溫?zé)Y(jié)灰，屬于粘結(jié)性積灰，它形成后用吹灰器難以清除。

2 積灰機理分析

2.1 積灰的成分分析

采用x射線能譜分析儀對不同位置的飛灰取樣分析。表1是積灰中各元素的質(zhì)量百分含量。

表1 飛灰中的元素質(zhì)量百分比 %

2.2 灰粒的沉積機理

熱遷移、慣性撞擊、凝結(jié)及化學(xué)反應(yīng)是影響飛灰沉積四方面的因素。熱遷移和慣性碰撞主要與飛灰的粒徑相關(guān)，凝結(jié)和化學(xué)反應(yīng)主要是與氣體形態(tài)的因素相關(guān)。

a）熱遷移和慣性碰撞。由于焚燒爐爐溫存在不同變化，粒徑小于10 μm的顆粒通過熱遷移這種輸送方式，從高溫區(qū)逐步向低溫區(qū)運動。而粒徑大于10 μm的灰粒，具有較大的動能，在慣性力的作用下，隨著煙氣的轉(zhuǎn)向，顆粒離開氣流撞擊到受熱面上。

b）凝結(jié)和化學(xué)反應(yīng)。以氣體的形態(tài)存在堿金屬、硫和氯元素之間相互反應(yīng)，生成硫酸鹽和氯化物凝結(jié)在飛灰顆粒和過熱器的管壁上，導(dǎo)致積灰不斷地增厚?；瘜W(xué)反應(yīng)包括氣體以及沉淀物之間發(fā)生的反應(yīng)（如：硫化、氯化、堿化）。

c） 飛灰在管壁發(fā)生堆積一般要經(jīng)歷兩個過程。初始沉淀物中主要由微小顆粒的熱遷移和揮發(fā)分冷凝而來，同時沉淀物中堿金屬類的鹽與管壁發(fā)生反應(yīng)，生成低熔點的化合物，增加了與管壁的粘結(jié)性。較大顆粒的飛灰具有較大動能，在慣性力的作用下與管壁的初始沉淀層發(fā)生撞擊，被具有粘性的原有管壁堆積物捕捉，并導(dǎo)致積灰層不斷增加。

2.3 堿金屬及堿金屬化合物對積灰的影響

飛灰顆粒中富含有的堿金屬元素，在高溫條件下，水溶性的堿金屬化合物發(fā)生氣化與揮發(fā)性氯，反應(yīng)生成堿金屬氯化物。由于煙氣中有大量的硫存在，堿金屬氯化物進一步與煙氣中的硫反應(yīng)，生成硫酸鹽。硫酸鈉、鈣與硫酸鹽的共晶體是形成受熱面粘性積灰的初始物。

將硫酸鈉與硫酸鉀熔點做比較，硫酸鈉熔點868℃，熔點較低[1]，Na2SO4在受熱面積灰中構(gòu)成堆積物的液相成分，在積灰的形成過程中起到了重要作用。在受熱面堆積物中還含有Fe2O3，與煙氣中的SO3和NaSO4進一步在受熱面中反應(yīng)，生成Na3Fe(SO4)3。該堿金屬復(fù)合硫酸鹽熔點很低，只有600℃左右，而在余熱爐底部管排的壁溫可達650～700℃，這些堿金屬復(fù)合硫酸鹽在熔融狀態(tài)下粘結(jié)在高溫管子表面上，這是造成受熱面管排表面上積灰的初始原因。

由于受熱面管束設(shè)計間隙較小，管壁形成初始堆積后，粘性表面進一步捕捉固體顆粒物。氣化的堿金屬在凝結(jié)過程中，顆粒間的接觸面積增大，伴隨液相的存在，也為飛灰顆粒間的快速燒結(jié)創(chuàng)造了條件。隨著積灰的增加，管束阻力也不斷地增長，直到煙道全部堵塞。

3 煙道及受熱面積灰抑制方法探討

3.1 運行中水平煙道及受熱面已經(jīng)積灰特征

正常運行時，鍋爐負(fù)壓難以維持，正壓幅度和頻次都增加，調(diào)整引風(fēng)量后，負(fù)壓依舊逐漸變小。停止垃圾給料機運行，關(guān)閉二次風(fēng)，引風(fēng)機增加至1 350 r/min以上，負(fù)壓維持1 kPa以內(nèi)，水平煙道溫度正常，余熱爐底部溫度650℃以上，表明受熱面已嚴(yán)重結(jié)渣。

爐頂溫度上漲快速，下降緩慢，鍋爐負(fù)壓難以維持，余熱爐底部溫度降低，一級過熱器出口溫度降低，可能是煙道已發(fā)生堵塞。

3.2 運行中燃燒調(diào)整對煙道和受熱面積灰的抑制

3.2.1 控制鍋爐負(fù)荷

太原市同舟能源有限公司單臺鍋爐額定蒸發(fā)量36 t/h，通過對歷次停運后數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在鍋爐確定積灰前兩天，鍋爐出力都比較高，最高蒸發(fā)量可達41 t/h，通過燃燒調(diào)整，及時控制垃圾投入量，保持鍋爐負(fù)荷不超額定值，可抑制煙道及受熱面積灰。

3.2.2 控制爐頂溫度及水平煙道溫度

加強爐頂溫度控制，更要加強對煙道入口溫度的控制，當(dāng)爐頂溫度與煙道溫度偏差小于30℃時，可能將煙道積灰變?yōu)榉e渣，如表2所示。

表2 煙道積灰后的溫度表現(xiàn) ℃

爐頂溫度與煙道溫度偏差最小時只有7℃，這時煙道內(nèi)可能發(fā)生二次燃燒，煙道積灰已加劇，須對煙道采取進一步控溫措施。通過受熱面積灰機理分析可知，余熱爐底部煙溫在600℃左右最容易在受熱面積灰。從表3可以看出，在爐頂溫度、煙道溫度正常時，余熱爐底部溫度偏高（最高670℃），更加劇了積灰的形成。目前將爐頂溫度上限控制960℃，下限控制在850℃，這樣既能保證環(huán)保指標(biāo)，減少二噁英的生成，又可以保證鍋爐接待負(fù)荷的能力；同時監(jiān)視煙道溫度與爐頂溫度偏差，偏差不應(yīng)小于100℃，當(dāng)煙道溫度高于880℃，及時調(diào)整燃煤投入量及煤的顆粒度。通過3個月對運行中煙道溫度、余熱爐底部、余熱爐出口溫度監(jiān)視和管控表明，各溫度點的溫度控制可有效抑制積灰產(chǎn)生。

表3 余熱爐底部積灰后的溫度表現(xiàn) ℃

3.2.3 減少煙氣攜帶飛灰的量

通過合理的燃燒調(diào)整，減少煙氣攜帶飛灰量，也是控制的手段之一。太原市同舟能源有限公司采取措施，在保證鍋爐正常流化的前提下，降低一次風(fēng)量，由原來的33 000 m3/h降至27 000 m3/h，提高二次風(fēng)量維持35 000 m3/h，延長可燃物在爐內(nèi)停留2 s以上，使可燃物在進入煙道前已完全燃燒。維持合適的負(fù)壓 (－0.5～－0.2 kPa)，減少一次風(fēng)量，可有效降低煙氣中的飛灰攜帶量。

3.2.4 吹灰對積灰的抑制影響

在垃圾焚燒電廠主要的吹灰設(shè)備有蒸汽式吹灰器和擊波式吹灰器兩種。擊波式吹灰器通過乙炔爆震將積灰清除，但在實際應(yīng)用中效果有限。

a)擊波式吹灰器出口容易被飛灰堵塞造成悶響，或部分堵塞造成爆震范圍減少，清灰效果遠(yuǎn)達不到設(shè)計要求。

b)煙氣中含有酸性氣體，吹灰管路容易受到腐蝕，腐蝕導(dǎo)致管道破裂，容易造成乙炔泄漏，吹灰無力。

c)由于乙炔和空氣的配比偏離設(shè)計值，造成吹灰力度不足。吹灰器的正常使用在積灰初期對受熱面積灰有良好抑制作用，但在運行中由于吹灰設(shè)備定期維護不到位，造成吹灰力度不夠。

實踐表明，當(dāng)積灰一旦形成，通過吹灰的手段清除難度較大。因此應(yīng)加強吹灰設(shè)備的維護保養(yǎng)和加強吹灰過程的監(jiān)督，來延長鍋爐運行周期。

3.3 堿金屬脫除劑應(yīng)用對積灰的抑制

高嶺土作為堿金屬脫除劑在爐內(nèi)添加使用，爐膛內(nèi)的高溫環(huán)境影響物理吸附效果，添加劑的孔隙結(jié)構(gòu)被堵塞制約吸附效果。高嶺土主要通過化學(xué)反應(yīng)對堿金屬進行脫除。高嶺土[2]中的主要成分高嶺石（Al2O3·2SiO2·2H2O)經(jīng)過高溫煅燒，變成Al2O3和SiO2，氣化后的堿金屬化合物被偏高嶺石顆粒吸附并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。高嶺石還與氯化氫氣體反應(yīng)，也減少了氯元素在沉積物上的富集。高嶺土可作為添加劑與煤混合使用，在爐溫860℃的活性條件下，對堿金屬的脫除率高達76.7%。

4 結(jié)束語

城市垃圾富含大量生物質(zhì)，含堿金屬較多，此外塑料、橡膠等有機品所含氯元素也是積灰的原因之一。同一般的燃煤鍋爐相比垃圾焚燒爐更容易積灰，通過燃燒調(diào)整，控制鍋爐負(fù)荷，控制各位置溫度，加強吹灰的措施來抑制煙道和受熱面積灰已在實踐中取得一定的成效。高嶺土可以作為堿性金屬脫除劑使用，進一步對高嶺土脫除效率進行優(yōu)化，可更有效減少積灰的產(chǎn)生，延長鍋爐運行周期。

[1]李依麗，吳幼青，高晉生．幾種天然礦物脫除高溫氣體中堿金屬研究 [J]．燃燒化學(xué)學(xué)報，2003，31（1）：44-48．

[2]漢春利，張軍，劉坤磊，等．活性礬土與煙氣污染物的脫除[J]．熱能動力工程，2001，16（7）：356-358.

Flue and Heating Surface Ash Fouling and Inhibition Method of TIF Waste Incinerator

LIU Zhanbin,XU Wenjun
（Taiyuan Tongzhou Energy Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi030012,China）

Aiming at solving the problem of ash fouling in boiler flue and heating surface in the course of waste combustion,the formation mechanism of ash fouling is analyzed.It is pointed out that the production of alkalis metals during incineration process greatly leads to ash fouling in boiler flue and heating surface.The methods for fouling judgment in the process of running are summarized.The ways toprevent ash fouling by combustion adjusting and the application of the alkaline removal agent are explored.

garbage incineration;heating surface ash accumulation;combustion adjustment;alkali metal additive

X705

B

1671-0320（2017）03-0052-03

2017-01-03，

2017-04-07

劉占斌（1968），男，山西中陽人，2009年畢業(yè)于太原科技大學(xué)熱能動力專業(yè)，工程師，從事垃圾發(fā)電廠管理工作；徐文君（1973），男，內(nèi)蒙古人，1997年畢業(yè)于北京電力高等?？茖W(xué)院熱能動力專業(yè)，工程師，從事垃圾發(fā)電廠管理工作。