垃圾焚燒電廠鍋爐優(yōu)化設(shè)計措施

邱留良

(廣州環(huán)投永興集團(tuán)股份有限公司，廣州 510475)

0 引 言

垃圾焚燒發(fā)電已經(jīng)成為垃圾處理的主要方式，為了確保二期(垃圾焚燒爐：6×900 t/d 爐排焚燒爐，余熱鍋爐額定蒸發(fā)量97 t/h；汽輪發(fā)電機(jī)組：3×50 MW汽輪發(fā)電機(jī)組)垃圾焚燒發(fā)電廠能夠安全、高效、穩(wěn)定的運(yùn)行，總結(jié)一期(垃圾焚燒爐：6×750 t/d 爐排焚燒爐，余熱鍋爐額定蒸發(fā)量67.5 t/h；汽輪發(fā)電機(jī)組：4×25 MW汽輪發(fā)電機(jī)組)運(yùn)行機(jī)組的經(jīng)驗，對鍋爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，制定出合理的鍋爐設(shè)計方案，從源頭解決影響鍋爐長周期穩(wěn)定運(yùn)行的問題[1-2]。

1 鍋爐設(shè)計參數(shù)

某二期項目鍋爐設(shè)計參數(shù)詳見表1。

表1 鍋爐設(shè)計參數(shù)

2 防止高溫腐蝕措施

由于垃圾焚燒鍋爐的煙氣中含有許多氯化氫和氧化硫物質(zhì)，需要注意受熱面的高溫腐蝕。采取如下措施：

(1)為防止局部燃燒引起高溫腐蝕，對必要的面積采用耐火材料涂覆處理。在第一煙道高溫區(qū)用耐火材料進(jìn)行涂覆處理，同時在第一煙道上部及二煙道全部進(jìn)行水冷壁鎳基合金堆焊，如圖1所示，堆焊面積約1 030 m2。

圖1 鍋爐堆焊區(qū)域示意圖

(2)考慮到過熱器的高溫腐蝕，將高溫過熱器布置在煙氣溫度較低的區(qū)域，在高溫過熱器前布置一組蒸發(fā)器，可有效控制進(jìn)高溫過熱器的煙氣溫度，并且高溫過熱器采用了順流布置，盡可能地降低高溫過熱器的壁溫，從而有效地避免了高溫腐蝕，如圖2所示；合理布置爐膛及二三煙道的受熱面，設(shè)計足夠的面積，嚴(yán)格控制高過入口煙溫，不得超過650 ℃，防止煙溫太高而導(dǎo)致金屬壁溫過高。如圖2為高溫過熱器布置圖。

圖2 高溫過熱器布置圖

3 防止鍋爐堵灰結(jié)焦的措施

由于垃圾成分非常復(fù)雜，經(jīng)過焚燒后的高溫?zé)煔庵械恼掣参镱w粒非常多，隨著煙氣的流動，在受熱面的迎風(fēng)面非常容易形成粘性積灰，一定時間后，隨著積灰越來越厚，會形成“搭橋”現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)全面堵死的情況，煙氣前后壓差非常大，煙氣溫度上升，加快受熱面的腐蝕，嚴(yán)重時會影響鍋爐安全運(yùn)行，而導(dǎo)致被動停爐清灰，這是影響鍋爐運(yùn)行周期的最主要因素，也是增加鍋爐運(yùn)行成本的主要因素[5]。因此，如何防止上述現(xiàn)象發(fā)生，延長運(yùn)行周期，降低運(yùn)行成本，主要通過以下措施實現(xiàn)：

(1)在進(jìn)入管束之前，使煙氣的流動以足夠的速度翻轉(zhuǎn)，盡可能地離心分離煙氣中的飛灰；保持足夠的煙道長度，使可燃?xì)怏w充分燃燒，且將煙氣降低到合適的溫度；

(2)受熱管的水循環(huán)保持良好狀態(tài)，管壁保持合適的溫度；對流受熱面必須保證足夠的管間距；在管束中，使煙氣流速保持合適的速度，防止因飛灰而引起的管道磨損和飛灰粘著.

(3)科學(xué)吹灰。鍋爐在第二、三煙道頂部設(shè)置了水力清灰，如圖3所示；同時在第二、三煙道左右兩側(cè)還設(shè)置了爐膛吹灰器(如圖4所示)，在水平煙道的蒸發(fā)器和過熱器區(qū)域均布置了長伸縮蒸汽清灰，在省煤器處設(shè)置了半伸縮吹灰器，使多種清灰設(shè)備交替/結(jié)合使用。二、三煙道清灰一直是垃圾爐的難題，二期項目采用的水浴噴淋清灰能夠很好的、有效的解決該問題，另外側(cè)墻設(shè)置了爐膛吹灰器，更確保了二、三煙道的清灰效果。水平煙道對流受熱面的工作煙溫較高，特別是蒸發(fā)器及高過，因此，采用了可靠性較高的長伸縮蒸汽吹灰，從而確保取得良好的清灰效果。在鍋爐尾部垂直通道的省煤器區(qū)域整體煙氣溫度較低，都在400 ℃以下，也避開了高溫腐蝕的危險區(qū)域，且此處的積灰都是較為松散的細(xì)灰，因此采用半伸縮式蒸汽吹灰，既能取得良好的清灰效果，也能保證設(shè)備長期可靠的運(yùn)行。四套清灰系統(tǒng)結(jié)合的方式，發(fā)揮了各套清灰設(shè)備的長處，但同時又避免了各套清灰設(shè)備的短處，既能取得良好的清灰效果，又提高了清灰系統(tǒng)及鍋爐受熱面的可靠性。

圖3 水力清灰系統(tǒng)現(xiàn)場布置圖

圖4 爐膛吹灰器

4 鍋爐防磨措施

4.1 余熱鍋爐的防磨措施

出口煙道是余熱鍋爐上磨損較大的部位和區(qū)域，一方面通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，將煙氣的流速降下來，另一方面為防止煙氣直接沖刷設(shè)備，在相關(guān)的部位打耐磨澆注料，抓釘選用耐高溫的合金材料，且布置節(jié)距較小的抓釘或銷釘，提高強(qiáng)度，選用抓釘結(jié)構(gòu)形式為可靠的一體式抓釘，而非焊接式或螺栓連接式，這樣能夠最大程度的提高金屬件的可靠性，在水冷壁區(qū)域的管子外壁用銷釘槍打上密集的銷釘，如圖5所示。由于受到管子的冷卻，銷釘?shù)膹?qiáng)度也大大提高，有效的防止了耐火防磨材料的脫落[6]。

圖5 水冷壁管外壁銷釘

4.2 吹灰區(qū)域的防磨措施

蒸汽吹灰長期使用會對對流受熱面管壁產(chǎn)生磨損減薄，因此各級過熱器、蒸發(fā)器、省煤器在做方案設(shè)計時，已經(jīng)考慮了吹灰區(qū)域附件的防磨措施：一方面，在布置管屏?xí)r，避開吹灰器噴口位置，防止噴口直接噴射；另一方面，在噴口附近布置了防磨裝置，防磨裝置選用了316 L防磨護(hù)瓦，含有抗腐合金元素，如圖6為省煤器防磨瓦；再一方面，科學(xué)控制吹灰的頻次和力度，防止過度吹掃，這樣就能大大減少吹灰所帶來的管子磨損減薄問題，進(jìn)而延長對流受熱面的使用壽命。

圖6 省煤器防磨瓦

4.3 選擇合理煙氣流速

煙氣與對流受熱面中工質(zhì)的換熱有一個較佳的范圍，選擇合理的煙速，可以更經(jīng)濟(jì)的布置受熱面，同時考慮到鍋爐的積灰、磨損等重要因素，一般選擇在4 m/s左右。如果設(shè)計的煙速過高，會導(dǎo)致本體阻力較大，且對受熱面有磨損，但是煙速過低，又會影響傳熱，因此選擇合適的煙氣流速對鍋爐的熱效率、運(yùn)行周期、可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性都非常重要。

5 防止鍋爐爆管泄露的措施

因為垃圾焚燒余熱鍋爐上焊口較多，爆管泄露也就成為余熱鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的潛在風(fēng)險。一般地，無論是在鍋爐的調(diào)試階段，還是運(yùn)行階段，都會或多或少地出現(xiàn)爆管泄露。如何杜絕或消除這種現(xiàn)象，主要通過以下措施：

(1)有關(guān)部件局部優(yōu)化：連接管布置方向或角度的調(diào)整，直管連接優(yōu)化為大R彎管連接或螺旋管連接；

(2)不同的溫度區(qū)間、不同的部件選用合適的材料，詳見表2；

表2 鍋爐主要部件材質(zhì)清單

(3)汽水動力、兩相流分析，合理分配汽水流量、速度和溫度。

6 提高鍋爐熱效率措施

6.1 保證一次風(fēng)熱風(fēng)溫度的措施

垃圾焚燒鍋爐一次風(fēng)的風(fēng)溫是否達(dá)到預(yù)定設(shè)計值將直接影響垃圾焚燒的性能和燃燒效率，一次風(fēng)溫至關(guān)重要。蒸汽空氣預(yù)熱器設(shè)計時，首先根據(jù)風(fēng)量、加熱蒸汽的參數(shù)及要求達(dá)到的風(fēng)溫進(jìn)行了核算，選擇經(jīng)濟(jì)合理的管間距和介質(zhì)流速等，并考慮了換熱面的富余量，完全保證MCR工況的燃燒需求，在低負(fù)荷或是低熱值的情況下也有更好的保障。

6.2 焚燒爐前后二次風(fēng)改進(jìn)

從煙氣擾動、流場等方面，調(diào)整二次風(fēng)的位置以及入爐噴射角，盡可能避免二次風(fēng)對沖。優(yōu)化后能夠更好的“鎖住”焚燒爐出口煙氣，穩(wěn)定焚燒爐溫度場，也可使二次風(fēng)和高溫?zé)煔獬浞謹(jǐn)_動，增加煙氣停留時間，促進(jìn)二次燃燒，從而能夠使二次風(fēng)取得更佳的效果。

6.3 提高鍋爐熱效率和燃燼率的措施

煙氣中的可燃碳元素的高低，直接影響著鍋爐熱效率、燃燼率的高低，飛灰含碳量與多個因素有關(guān)，如燃料穩(wěn)定性、燃燒穩(wěn)定性、垃圾成分和波動、運(yùn)行和控制等各方面。新進(jìn)入廠的垃圾一般水分比較高，需要在垃圾坑中存放5～7 d，讓滲濾液盡可能的瀝干，特別需要注意的是，在堆放垃圾的過程中務(wù)必不能將新鮮的垃圾混入，盡可能的讓垃圾的水分維持在同一水平階段，減少垃圾成分的波動，這對于穩(wěn)定燃燒極其重要[6]。另外，在爐排燃燒控制方面要做到連鎖反應(yīng)、快速反應(yīng)，盡可能的適應(yīng)燃料的波動，減少波動帶來的影響；煙氣含氧量7%～10%，合理的空氣量能夠充分的燃盡煙氣當(dāng)中的碳元素，降低CO的含量，提高鍋爐效率；穩(wěn)定的含氧量需要控制好爐膛過量空氣系數(shù)，并控制好給料系統(tǒng)，盡量減少垃圾量和熱值的波動，這一點(diǎn)和以上燃料穩(wěn)定性及良好的燃燒控制是密切相關(guān)的。

6.4 沼氣回噴系統(tǒng)

垃圾滲濾液處理工程厭氧階段產(chǎn)生沼氣，熱值較高，為此既可作為燃料利用，為響應(yīng)國家節(jié)能環(huán)保的政策。將滲濾液厭氧處理過程中產(chǎn)生的沼氣經(jīng)沼氣燃燒器送入焚燒爐內(nèi)燃燒，每條焚燒線的沼氣回噴量按450 Nm3/h設(shè)計。

滲濾液處理站產(chǎn)生的沼氣通過管道引出，接入氣水分離器，經(jīng)過氣水分離的沼氣，通過管道接入一套羅茨風(fēng)機(jī)增壓設(shè)備，增壓后的沼氣管道分兩路。一路沼氣管道通過架空方式輸送到焚燒爐摻燒。另一路管道進(jìn)入封閉式無焰火炬，在摻燒系統(tǒng)緊急/故障狀態(tài)下燃燒排放沼氣。燃燒器管路保護(hù)系統(tǒng)考慮側(cè)墻布置，沼氣總管從滲濾液處理站進(jìn)入焚燒爐區(qū)域后，分成各分支管路分別進(jìn)入燃燒器內(nèi)噴入爐膛燃燒。表3為燃燒器設(shè)計參數(shù)。

表3 沼氣燃燒器技術(shù)參數(shù)

7 結(jié)束語

鍋爐是垃圾焚燒發(fā)電過程中最關(guān)鍵的設(shè)備，本文在總結(jié)一期運(yùn)行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，從防止高溫和低溫腐蝕、防止堵灰結(jié)焦、防磨減薄、防止爆管泄露、提高熱效率和延長運(yùn)行周期等方面對二期項目鍋爐了設(shè)計優(yōu)化分析。后續(xù)在工作中要不斷總結(jié)，不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)垃圾焚燒發(fā)電廠設(shè)計水平不斷提升。