垃圾焚燒爐余熱鍋爐受熱面改造方案對(duì)比研究與驗(yàn)證

許紹進(jìn)，劉亞成，高 峰

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

我國(guó)的生活垃圾焚燒處理在最近十年中經(jīng)歷了快速的發(fā)展，處理方式逐漸從以填埋為主改變?yōu)橐苑贌秊橹?。焚燒能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾的減量化、資源化、無(wú)害化，并降低了對(duì)環(huán)境的排放影響。焚燒過(guò)程的主要流程為儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)和煙氣凈化系統(tǒng)。在焚燒過(guò)程中，垃圾在焚燒爐中燃燒，產(chǎn)生高溫?zé)煔猓⒃诟邷貐^(qū)域停留一定時(shí)間，隨后通過(guò)余熱鍋爐進(jìn)行換熱，產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽發(fā)電。目前，焚燒爐分為機(jī)械爐排爐和流化床爐，并以機(jī)械爐排爐為主流技術(shù)。

近年來(lái)，隨著生活質(zhì)量的提高和垃圾分類的逐步開(kāi)展，垃圾熱值在全國(guó)范圍內(nèi)均有增長(zhǎng)［1］，垃圾也更加適宜焚燒處理，但對(duì)已經(jīng)投運(yùn)的焚燒爐運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生了明顯的影響，許多項(xiàng)目出現(xiàn)了超溫結(jié)焦、排煙溫度高的問(wèn)題。某焚燒廠因垃圾熱值升高超溫明顯，導(dǎo)致了超溫、積灰、腐蝕等問(wèn)題。因此，該焚燒廠對(duì)焚燒爐進(jìn)行技術(shù)改造，降低過(guò)熱器區(qū)域的煙氣溫度，減少積灰、腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)及運(yùn)行概況

該項(xiàng)目設(shè)置有3 臺(tái)垃圾焚燒爐，單臺(tái)爐設(shè)計(jì)處理量為750 t／d，設(shè)計(jì)入爐垃圾熱值為1 700 kcal／kg［2］，在滿足850 ℃／2 s的爐膛溫度要求下采用了水冷爐膛設(shè)計(jì)，即左右側(cè)墻采用重型爐墻結(jié)構(gòu)，左右側(cè)墻燃燒段為空冷爐墻，前拱、后拱為水冷壁結(jié)構(gòu)并敷設(shè)耐火澆注料保護(hù)，焚燒爐爐膛結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水冷壁爐膛結(jié)構(gòu)

余熱鍋爐形式為單鍋筒自然循環(huán)水管鍋爐，結(jié)構(gòu)形式為臥式，分為4 煙道，1、2、3 煙道為膜式水冷壁構(gòu)成的空煙道，4煙道水平布置各對(duì)流受熱面，其中1 煙道整體敷設(shè)了耐火澆注料，汽包布置于1 煙道上方空間。額定蒸發(fā)量為69 t／h；蒸汽參數(shù)為4.0 MPa／450 ℃；過(guò)熱器前煙氣設(shè)計(jì)溫度為580 ℃；高過(guò)、中過(guò)材質(zhì)為12 CrMoVG；低過(guò)材質(zhì)為20 G。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，垃圾熱值已達(dá)到1 900 kcal／kg，與設(shè)計(jì)熱值1 700 kcal／kg 存在明顯差距，超過(guò)了設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的110%［3］。由于采用了水冷爐膛和空冷爐墻的設(shè)計(jì)，爐膛的容積熱負(fù)荷適應(yīng)性較好，在熱值達(dá)到1 900 kal／kg 后，積灰結(jié)焦較輕，沒(méi)有大焦、掉焦等問(wèn)題，焚燒爐運(yùn)行穩(wěn)定。如圖2 所示。

圖2 入爐垃圾熱值變化情況

余熱鍋爐受熱值升高的影響，鍋爐蒸發(fā)量高于設(shè)計(jì)值，并存在如下問(wèn)題。

（1）過(guò)熱器區(qū)域煙氣溫度高，減溫水量大。過(guò)熱器前煙氣溫度平均為602 ℃，最高可達(dá)630 ℃，高于設(shè)計(jì)溫度580 ℃，因此一級(jí)、二級(jí)減溫水量大，兩級(jí)減溫水總計(jì)約8 t／h，超過(guò)鍋爐設(shè)計(jì)值，運(yùn)行中控制裕量小。

（2）水平煙道蒸發(fā)器、過(guò)熱器積灰結(jié)焦明顯，腐蝕嚴(yán)重。由于蒸發(fā)器前煙氣溫度近700 ℃，煙氣中的灰結(jié)渣性強(qiáng)，因此蒸發(fā)器區(qū)域的積灰明顯，部分區(qū)域存在積灰的架橋現(xiàn)象。高溫過(guò)熱器區(qū)域則因?yàn)闊煔鉁囟瓤蛇_(dá)630 ℃，管壁溫度較高，在12 CrMoVG的管材上出現(xiàn)了凹坑等情況［4－5］。

（3）排煙溫度高，吹灰頻繁。余熱鍋爐出口的煙氣溫度升高，可達(dá)220 ℃，鍋爐熱效率降低。為提高蒸發(fā)量，降低排煙溫度，運(yùn)行中提高了吹灰器使用頻率。

針對(duì)上述問(wèn)題，決定改造原有焚燒爐，通過(guò)提高原受熱面換熱效果或增加爐內(nèi)受熱面等方式降低水平煙道煙氣溫度，降低高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，提高鍋爐效率。

2 改造方案研究

根據(jù)余熱鍋爐受熱面改造的部位不同，國(guó)內(nèi)主要有如下幾種改造方案：（1）爐膛絕熱爐墻改造；（2）取消一煙道上部澆注料；（3）輻射煙道內(nèi)增加受熱面；（4）調(diào)整對(duì)流受熱面布置。以下將針對(duì)上述方案進(jìn)行對(duì)比分析，選擇合理的改造方案。

2.1 方案1：爐膛絕熱爐墻改造

絕熱爐墻改造為國(guó)內(nèi)普遍應(yīng)用的方法之一，有效地解決了爐膛溫度高，高溫結(jié)焦嚴(yán)重、掉焦等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)主要采用的方案為對(duì)主燃區(qū)和爐膛前、后拱進(jìn)行改造，由空冷或絕熱拱改造為水冷拱［6－7］。珠海某項(xiàng)目爐膛設(shè)計(jì)為水冷爐膛，在熱值較低時(shí)因爐膛下部水冷度過(guò)高，無(wú)法滿足爐膛溫度要求而技改為絕熱爐墻，但在熱值升高后則采用了膜式水冷壁輕型爐墻的結(jié)構(gòu)［8］。改造實(shí)例如圖3 所示。

圖3 國(guó)內(nèi)焚燒廠絕熱爐墻改造實(shí)例

本項(xiàng)目前、后拱為水冷拱，且不存在嚴(yán)重的結(jié)焦問(wèn)題。如將左右側(cè)墻改造為水冷爐墻，改造面積小，換熱效果差，煙氣溫度變化在10 ℃以內(nèi)。如采用堆焊鎳基合金措施代替耐火材料，則存在因?yàn)闋t膛下部水冷度過(guò)高而不能滿足850 ℃／2 s 的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。因此，本項(xiàng)目不對(duì)焚燒爐爐膛進(jìn)行改造。

2.2 方案2：取消一煙道上部澆注料

為保持850 ℃／2 s的運(yùn)行溫度要求，1 煙道內(nèi)敷設(shè)了耐火澆注料至頂棚向下0.3 m處。澆注料的換熱效果差，因此1 煙道溫降小，若取消1 煙道內(nèi)澆筑料，可以有效換熱，降低煙溫［9］。深圳某項(xiàng)目為絕熱爐膛，取消1 煙道內(nèi)部分區(qū)域的澆筑料，并采用堆焊保護(hù)，爐膛出口溫度降低132 ℃［10］。針對(duì)該項(xiàng)目，計(jì)算結(jié)果表明，如果將1 煙道上部澆注料全部取消，如圖4 所示。爐膛上部金屬導(dǎo)熱效果優(yōu)于耐火材料，吸熱加強(qiáng)，則1 煙道出口溫度可下降80 ℃，降溫效果明顯。但爐膛下部為水冷結(jié)構(gòu)，1 煙道取消澆注料后，爐膛水冷度過(guò)大，爐溫容易波動(dòng)，不能滿足850 ℃／2 s要求，且運(yùn)行中難以調(diào)整控制［11］。同時(shí)，需考慮高溫區(qū)域的防腐措施，因此成本較高?？紤]運(yùn)行和成本因素，本項(xiàng)目不采用該種技術(shù)方案。

圖4 取消1 煙道上部澆注料

2.3 方案3：輻射煙道內(nèi)增設(shè)對(duì)流受熱面

在空煙道內(nèi)增設(shè)受熱面，可直接增大換熱面積，降低煙氣溫度，但面臨著高溫腐蝕和積灰的影響。深圳某焚燒廠在1 煙道出口后增設(shè)了過(guò)熱器，盡管蒸汽溫度只有350 ℃，但管束壽命僅不到2 年，需頻繁更換過(guò)熱器［12］?？梢?jiàn)，1 煙道及2 煙道上部由于煙氣溫度過(guò)高，高溫腐蝕嚴(yán)重，不適于增設(shè)受熱面，應(yīng)在較低煙氣溫度的區(qū)域布置增設(shè)受熱面。2 煙道下部為前后隔墻水冷壁，可用空間較小，3 煙道下部后墻有足夠空間布置，因此選擇3 煙道增設(shè)受熱面。

針對(duì)立式煙道增設(shè)受熱面，國(guó)內(nèi)有如下改造方式：（1）利用原水冷壁，將部分水冷壁直管改為旗形管，利用旗形管的彎曲部分增加受熱面積［13－14］；（2）利用懸吊式的S型蒸發(fā)屏增加受熱面積［11］，利用直管改造的方案增加的面積較小，但結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜，施工較為困難，因此決定在三煙道增設(shè)懸吊S蒸發(fā)屏，以降低水平煙道煙氣溫度。余熱鍋爐受熱面改造如圖5 所示。

圖5 余熱鍋爐受熱面改造

2.4 方案4：調(diào)整對(duì)流受熱面布置

高溫過(guò)熱器前增設(shè)1 組蒸發(fā)器，節(jié)距為220 mm×120 mm，蒸發(fā)器前設(shè)置3 層激波清灰設(shè)備。水平煙道可通過(guò)調(diào)整蒸發(fā)器和過(guò)熱器的面積分配，使原有高溫過(guò)熱器調(diào)整為蒸發(fā)受熱面，原有2 級(jí)蒸發(fā)器變?yōu)榈蜏剡^(guò)熱器，降低過(guò)熱器煙氣溫度和蒸汽溫度。某余熱鍋爐將低溫過(guò)熱器改造成高溫省煤器，以降低蒸汽溫度［14］。但水平煙道入口溫度較高，積灰情況較重，調(diào)整受熱面需考慮受熱面間距。通過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)對(duì)流受熱面調(diào)整后減溫水量顯著降低，但受熱面改造空間有限，施工復(fù)雜，且減少了受熱面面積，不能達(dá)到提高鍋爐負(fù)荷的效果，因此不采用該種方案。現(xiàn)有激波清灰器清灰效果較差，可在水平煙道蒸發(fā)器前增設(shè)蒸汽吹灰器提高清灰效果，降低積灰情況。

2.5 各方案性能對(duì)比

匯總上述各方案對(duì)比性能參數(shù)，得到如表1 所示的各改造方案性能對(duì)比。

表1 各改造方案性能對(duì)比

通過(guò)對(duì)上述各種方案的論證對(duì)比，選擇了在3 煙道布置S型蒸發(fā)受熱面，主要傳熱方式為對(duì)流換熱?？紤]到熱負(fù)荷、結(jié)構(gòu)布置、改造難易等因素，受熱面管采用φ51 mm×5 mm，截距270 mm，為“雙S”型結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為20G，并在上下S 型區(qū)域開(kāi)孔設(shè)置蒸汽吹灰器，以提高換熱效果。

改造后的鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)如表2 所示。

表2 余熱鍋爐改造設(shè)計(jì)參數(shù)

3 運(yùn)行效果

改造后，過(guò)熱器區(qū)域降溫明顯，過(guò)熱器區(qū)域煙氣溫度穩(wěn)定運(yùn)行在540～550 ℃，在負(fù)荷較高時(shí)，煙氣溫度約560 ℃，較改造前有明顯下降。兩級(jí)減溫水量總計(jì)約3.37 t／h，較技改前8 t／h 有明顯下降，鍋爐超負(fù)荷能力顯著提高，主蒸汽流量在75 t／h 左右。改造后，對(duì)流受熱面積灰顯著減少，無(wú)明顯積灰架橋現(xiàn)象。表3 所示為改造前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。

表3 改造前后鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著人民生活水平的不斷提高和垃圾分類的有序開(kāi)展，垃圾的熱值不斷提升。部分項(xiàng)目的垃圾熱值超過(guò)設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致焚燒爐內(nèi)和余熱鍋爐出現(xiàn)了積灰結(jié)焦、煙氣超溫和高溫腐蝕等問(wèn)題。針對(duì)某焚燒項(xiàng)目過(guò)熱器前超溫和積灰問(wèn)題，進(jìn)行了余熱鍋爐受熱面改造方案的研究，通過(guò)對(duì)比不同的改造方案，選擇以3 煙道增設(shè)S 型受熱面措施。改造后，過(guò)熱器前煙溫降低明顯，積灰問(wèn)題也得到了減輕，減少了高溫腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，提高了鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)類似項(xiàng)目改造也有良好的借鑒意義。