水力清灰技術(shù)在某600 t/d垃圾焚燒爐余熱鍋爐應(yīng)用的試驗(yàn)研究

曾育坤，曹 陽(yáng)，杜海亮，鄒 昕

（1.珠海信環(huán)環(huán)保有限公司，廣東 珠海 519110；2.上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

1 研究背景

生活垃圾焚燒處理已成為我國(guó)最主要的垃圾處置方式之一，“十三五”末期，累計(jì)投運(yùn)生活垃圾焚燒廠超過(guò)500 座，焚燒設(shè)施處理能力5.8×105t/d［1］，焚燒處置比率超過(guò)無(wú)害化處理總能力的50%。入爐焚燒的生活垃圾成分復(fù)雜，含有相當(dāng)比例的氯元素，鈉、鉀堿金屬以及鋅、鉛等重金屬元素，在生活垃圾焚燒過(guò)程中，爐內(nèi)高溫?zé)煔鈹y帶的上述金屬的氯化物等物質(zhì)熔點(diǎn)低、黏性大、腐蝕作用強(qiáng)，容易黏附在焚燒余熱鍋爐的受熱面上，降低換熱面的換熱能力和換熱效率，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)煙道各處及排煙溫度升高。這些金屬氯化物主要通過(guò)熔鹽腐蝕等方式對(duì)金屬進(jìn)行腐蝕［2-3］，具有高溫腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，且煙氣溫度和金屬壁面溫度越高，腐蝕性越強(qiáng)，這也是垃圾焚燒發(fā)電采用的主蒸汽溫度普遍在450 ℃以下的主要原因。為保證余熱鍋爐的換熱效果、降低積灰對(duì)金屬受熱面的腐蝕，采用有效的爐內(nèi)清灰方式十分重要。

過(guò)熱器介質(zhì)溫度和金屬壁面溫度高，為降低高溫?zé)煔庠斐傻母g，通常將過(guò)熱器布置在蒸發(fā)受熱面之后，一般需控制其所處煙氣溫度在600 ℃以下，但垃圾焚燒的積灰速率較快，長(zhǎng)期運(yùn)行之后，過(guò)熱器前蒸發(fā)器上的積灰程度較為嚴(yán)重，會(huì)使過(guò)熱器處煙氣溫度逐漸升高；焚燒余熱鍋爐啟爐經(jīng)過(guò)半年以上的運(yùn)行后，過(guò)熱器組入口的煙氣溫度可能升高50 ℃以上，易造成過(guò)熱器腐蝕及爆管等危害，不利于焚燒廠的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。因此，余熱鍋爐的清灰處理是十分必要的。而垃圾焚燒通常采用的蒸汽清灰及激波清灰，利用的是高速蒸汽直接沖刷或氣體爆燃的沖擊波對(duì)積灰的作用力以達(dá)到清灰的目的，作用效果與噴口距離有關(guān)（一般在2.0～2.5 m），對(duì)高黏度灰的清除效果一般，通常布置在過(guò)熱器及省煤器等低溫區(qū)。而余熱鍋爐內(nèi)輻射煙道尺寸大，前后墻及側(cè)墻的換熱面所處的空間大，積灰的黏度強(qiáng)度高，因此，一般的清灰方式無(wú)法有效地清除余熱鍋爐內(nèi)的積灰。

水力清灰是一項(xiàng)對(duì)焚燒余熱鍋爐輻射受熱面進(jìn)行在線清灰的技術(shù)，通過(guò)向處在600～1 200 ℃煙溫下的水冷壁表面的積灰噴射液態(tài)水，利用積灰被水冷卻時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力、液態(tài)水吸熱蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的體積急速膨脹（液態(tài)水變?yōu)闅鈶B(tài)水體積膨脹約1 000 倍）對(duì)積灰的沖擊，使積灰開(kāi)裂、脫落，達(dá)到清灰的作用［4］，其原理示意見(jiàn)圖1［5］。此類(lèi)技術(shù)在我國(guó)燃煤電站鍋爐高溫區(qū)的使用情況表明，對(duì)于高黏附性、質(zhì)地堅(jiān)硬的積灰，水力清灰較蒸汽吹灰具有更好的清除效果，且作用范圍更大［6-7］。歐洲的垃圾焚燒廠已有約20 a 應(yīng)用水力清灰的歷史，現(xiàn)全球約500 條應(yīng)用了水力清灰技術(shù)的焚燒線大多位于歐洲，該類(lèi)技術(shù)近年來(lái)在我國(guó)的垃圾焚燒廠也逐漸得到應(yīng)用。本研究在我國(guó)南方地區(qū)某垃圾焚燒廠1 條600 t/d 焚燒線余熱鍋爐上開(kāi)展了水力清灰技術(shù)應(yīng)用的試驗(yàn)，研究了水力清灰對(duì)關(guān)鍵位置煙氣溫度、主蒸汽流量及溫度、噴水減溫量等運(yùn)行參數(shù)的影響，并從該技術(shù)對(duì)過(guò)熱器壽命、余熱鍋爐排煙溫度以及噴水清灰對(duì)蒸汽產(chǎn)量的影響等方面對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了初步分析。

圖1 水力清灰原理示意Figure 1 Schematic of water cleaning technology principle

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 試驗(yàn)工藝設(shè)計(jì)

該水力清灰系統(tǒng)應(yīng)用于某廠600 t/d 焚燒線，余熱鍋爐采用臥式布置，設(shè)計(jì)主蒸汽參數(shù)為4.0 MPa/450 ℃，額定蒸發(fā)量為60.5 t/h，余熱鍋爐的二煙道深度約3.2 m，寬度約7.6 m，二、三煙道間的分隔水冷墻高約12 m，二煙道內(nèi)的金屬換熱面除灰斗外均直接同煙氣接觸。如圖2 所示，水力清灰系統(tǒng)布置在余熱鍋爐的二煙道上方，主要由控制柜、轉(zhuǎn)筒、吊架、給水泵、漏斗及金屬導(dǎo)管、金屬軟管和噴水噴頭等組成。沿二煙道深度方向中心線，在其頂棚上對(duì)稱(chēng)開(kāi)兩個(gè)相距約4.0 m 的開(kāi)孔，轉(zhuǎn)筒由吊架支吊，開(kāi)孔通過(guò)DN100 的金屬導(dǎo)管向上引出，金屬導(dǎo)管頂部連接一擴(kuò)口的漏斗。DN50 的金屬軟管長(zhǎng)度最大為25 m，盤(pán)在轉(zhuǎn)筒上：一端連接噴水噴頭；另一端與流量可控的給水泵連接。清灰時(shí)由控制柜控制，先將轉(zhuǎn)筒移動(dòng)到漏斗及金屬導(dǎo)管上方，再轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)筒將金屬軟管經(jīng)漏斗送入金屬導(dǎo)管內(nèi)，并通過(guò)導(dǎo)管深入到二煙道的中下部，該過(guò)程中金屬軟管端部的噴頭向煙道壁面上的積灰噴水，以去除受熱面上的積灰。金屬軟管上下的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定為3.0 m/min，噴水噴頭進(jìn)入金屬導(dǎo)管后即開(kāi)始噴水，進(jìn)入爐膛前的噴水流量約為1.0 m3/h，進(jìn)入爐膛后的噴水流量約2.5 m3/h，噴水距離可達(dá)6.0 m。

圖2 水力清灰系統(tǒng)布置示意Figure 2 Layout schematic of water cleaning set

2.2 試驗(yàn)方法

為研究單次水力清灰的試驗(yàn)效果，設(shè)定焚燒余熱鍋爐的主蒸汽負(fù)荷為60.0 t/h，在焚燒余熱鍋爐投運(yùn)2～3 個(gè)月后，進(jìn)行1 次水力清灰的操作；為研究連續(xù)水力清灰的試驗(yàn)效果，在焚燒爐再次啟爐2～3 個(gè)月后進(jìn)行連續(xù)2 次水力清灰的操作。對(duì)于清灰的效果，繪制清灰前后的運(yùn)行參數(shù)變化圖，對(duì)比分析水力清灰前后共25 d 內(nèi)運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)變化，特別是二煙道入口和水平煙道入口的煙氣溫度變化。為便于觀察煙氣溫度變化，蒸汽側(cè)則選取了主蒸汽流量、主蒸汽溫度和噴水減溫總量，以間接觀察過(guò)熱器所處煙氣溫度情況，取點(diǎn)的時(shí)間間隔為10 min。受垃圾成分變化影響，運(yùn)行期間各參數(shù)有一定程度的波動(dòng)，為消除干擾數(shù)據(jù)，減少余熱鍋爐的熱負(fù)荷波動(dòng)對(duì)清灰效果分析的影響，提取上述運(yùn)行數(shù)據(jù)中噴水前后各7 d 內(nèi)主蒸汽流量≥58 t/h 期間的數(shù)據(jù)，形成關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的均值對(duì)比表。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單次水力清灰效果影響分析

在焚燒余熱鍋爐投運(yùn)3 個(gè)月后進(jìn)行單次水力清灰操作，其前后25 d 內(nèi)余熱鍋爐的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)變化情況如圖3 所示，水力清灰時(shí)間為第15 天下午，兩個(gè)開(kāi)孔的噴水清灰共用時(shí)約30 min，噴水時(shí)刻在圖上做了標(biāo)記。受垃圾成分變化影響，運(yùn)行期間各參數(shù)均有一定程度的波動(dòng)，主蒸汽設(shè)定流量為60.0 t/h，但瞬時(shí)蒸汽流量處于55.0～63.0 t/h。時(shí)段內(nèi)二煙道入口平均煙氣溫度為1 025 ℃，上下波動(dòng)幅度可達(dá)100 ℃；部分時(shí)段的主蒸汽溫度達(dá)不到設(shè)定值450 ℃，另有部分時(shí)段主蒸汽的噴水減溫總量則超過(guò)5 t/h。根據(jù)該余熱鍋爐的熱力計(jì)算書(shū)，在其主蒸汽流量為60.0 t/h 時(shí)，過(guò)熱器組入口煙溫每升高13 ℃，噴水減溫量將增加1.0 t/h。

圖3 單次水力清灰前后關(guān)鍵參數(shù)變化情況Figure 3 Changing situation of key operation parameters in 25 days for one water cleaning

水力清灰前后，水平煙道入口煙溫的變化能直接反映清灰效果，清灰前15 d 內(nèi)，基本為圍繞某一溫度上下波動(dòng)，清灰后水平煙道入口煙氣溫度短時(shí)快速下降約60 ℃，說(shuō)明水力清灰效果明顯。該水力清灰效果持續(xù)時(shí)間可達(dá)8～10 d，最終煙氣溫度回到水力清灰前的水平。主蒸汽溫度在水力清灰時(shí)也發(fā)生了短時(shí)快速的溫度波動(dòng)，下降至427 ℃后又在7 h 內(nèi)回升到設(shè)計(jì)溫度。較為接近，表明焚燒余熱鍋爐的負(fù)荷及燃燒狀況相當(dāng)，而水平煙道入口的煙氣溫度分別降低了50、36、27 ℃，說(shuō)明水力清灰后，煙道的清灰效果明顯，煙道內(nèi)金屬換熱面的換熱能力得到較大提升，對(duì)于啟爐運(yùn)行已有3 個(gè)月的余熱鍋爐具有較好的清灰效果。

表1 單次水力清灰前后關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)平均值Table 1 Average value of key operation parameters for one water cleaning

3.2 連續(xù)水力清灰效果影響分析

為研究連續(xù)水力清灰的效果，停爐階段在二煙道內(nèi)出口部位加裝溫度測(cè)點(diǎn)，并在再次啟爐2個(gè)月后進(jìn)行連續(xù)清灰的測(cè)試，圖4 所示為連續(xù)兩次清灰前后25 d 內(nèi)余熱鍋爐運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)變化，兩次清灰的間隔時(shí)間為72 h。由圖4 可知，兩次清灰之后都可以觀察到二煙道出口煙氣溫度和噴水減溫量的減少。

圖4 兩次水力清灰前后關(guān)鍵參數(shù)變化情況Figure 4 Changing situation of key operation parameters in 25 days for two successive water cleanings

表2 和表3 分別為兩次噴水前后各2 h 內(nèi)關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比，為減少向爐內(nèi)噴水本身造成的降溫效果，未包含清灰階段的運(yùn)行數(shù)據(jù)。清灰前后的平均負(fù)荷和煙氣量基本相同，便于進(jìn)行清灰效果的對(duì)比，第1 次清灰后二煙道出口煙溫的平均值和最小值的降幅分別為45 ℃和46 ℃；因單次噴水清灰的作用時(shí)間較長(zhǎng)，兩次清灰的時(shí)間間隔較短，第2 次清灰后二煙道出口煙溫的平均值和最小值降幅略低于第1 次，分別為36 ℃和35 ℃。同樣提取上述運(yùn)行數(shù)據(jù)中噴水前后各7 d 內(nèi)主蒸汽流量≥58 t/h 時(shí)段的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果如表4 所示。

表2 第1 次水力清灰前后各2 h 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比Table 2 Key operation parameters comparison in 2 hours before and after the first water cleaning

表3 第2 次水力清灰前后各2 h 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比Table 3 Key operation parameters comparison in 2 hours before and after the second water cleaning

表4 連續(xù)水力清灰前后重要參數(shù)對(duì)比Table 4 Key operation parameters comparison for two successive water cleanings

由表4 可知，噴水前后的主蒸汽平均流量、排煙平均流量、二煙道入口平均煙溫均較為接近，便于進(jìn)行對(duì)比。同未進(jìn)行水力清灰相比，清灰之后二煙道出口平均煙溫明顯降低，第1 次水力清灰后1 、3 d 內(nèi)的平均溫降分別為38 ℃和30 ℃，第2 次水力清灰后1、3、7 d 內(nèi)的平均溫降分別為50、40、36 ℃，第2 次水力清灰的煙溫水平優(yōu)于第1 次噴水后的對(duì)應(yīng)數(shù)值，說(shuō)明連續(xù)進(jìn)行水力清灰有利于保持煙溫持續(xù)處于低值；第2 次噴水后7 d 內(nèi)的二煙道入口平均煙溫為940 ℃，同水力清灰前的939 ℃接近，對(duì)應(yīng)的二煙道出口平均煙溫降低36 ℃的結(jié)果具有較強(qiáng)說(shuō)服力。

表4 同時(shí)給出了水平煙道入口的煙氣平均溫降情況，其溫降水平低于二煙道出口對(duì)應(yīng)的溫降水平，主要是因?yàn)榻?jīng)過(guò)了余熱鍋爐第三煙道的換熱，對(duì)煙氣溫度水平進(jìn)行了調(diào)節(jié)；同單次水力清灰測(cè)試時(shí)水平煙道的溫降水平相比，此次溫降水平略低，觀察到單次水力清灰測(cè)試時(shí)二煙道入口的煙氣平均溫度為1 025 ℃，連續(xù)水力清灰測(cè)試時(shí)二煙道入口的煙氣平均溫度約940 ℃，二煙道入口平均煙溫降低了85 ℃，可能是因?yàn)檫B續(xù)水力清灰測(cè)試是在啟爐后2 個(gè)月，單次水力清灰是在啟爐后3 個(gè)月，單次清灰時(shí)的爐內(nèi)積灰更多，水力清灰的效果更好。

4 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)分析

水力清灰的使用有利于保持過(guò)熱器入口的煙氣溫度長(zhǎng)期穩(wěn)定在較低水平，以維持生活垃圾焚燒的處理能力和余熱鍋爐的熱負(fù)荷能力，對(duì)該焚燒余熱鍋爐進(jìn)行熱力計(jì)算的結(jié)果表明：主蒸汽流量在60.0 t/h、焚燒處理量600 t/d 時(shí)，若通過(guò)水力清灰將二煙道出口煙氣平均溫度降低40 ℃，則過(guò)熱器入口的煙氣溫度可降低20 ℃。過(guò)熱器所處煙氣溫度的降低可提高過(guò)熱器的使用壽命，提高了過(guò)熱器組運(yùn)行的安全性。假設(shè)高溫過(guò)熱器更換費(fèi)用為240 萬(wàn)元，使用壽命由3 a 提高至5 a，年均可減少32 萬(wàn)元過(guò)熱器使用費(fèi)用；若通過(guò)降低焚燒負(fù)荷將過(guò)熱器入口的煙氣溫度降低20 ℃，則需要焚燒處理量降低至550 t/d。

另保持焚燒處理量在600 t/d，若二煙道出口煙氣平均溫度降低40 ℃，余熱鍋爐排煙溫度降低使其換熱效率可提高約1‰，假定水力清灰在焚燒余熱鍋爐運(yùn)行周期的一半時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，即年作用時(shí)間為4 000 h，則共可增加主蒸汽流量240 t（60×4 000×1‰）；以4 000 h 內(nèi)共水力清灰60 次、每次用水1.5 t 計(jì)，則每次減少主蒸汽量1.5 t，1 a內(nèi)減少主蒸汽流量90 t，因而年凈增加主蒸汽產(chǎn)量150 t，以發(fā)電機(jī)組汽耗率4.62 kg/kWh、電價(jià)0.5元/kWh 計(jì)算，則年增加發(fā)電收入約1.6 萬(wàn)元?？傆?jì)增加運(yùn)行效益約33.6 萬(wàn)元，且提高了焚燒余熱鍋爐的運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性，詳細(xì)數(shù)據(jù)分析見(jiàn)表5。

表5 某600 t/d 垃圾焚燒余熱鍋爐使用水力清灰的經(jīng)濟(jì)性分析Table 5 Economical analysis on water cleaning of a 600 t/d waste incineration boiler

5 存在問(wèn)題與展望

本研究主要基于水力清灰設(shè)備在該焚燒余熱鍋爐上投運(yùn)初期階段進(jìn)行降溫性能測(cè)試試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，應(yīng)用的時(shí)長(zhǎng)相對(duì)較短，對(duì)長(zhǎng)期應(yīng)用下的清灰降溫效果、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性以及耐高溫部件的損耗情況，需要在積累更長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上繼續(xù)分析。其中，作為評(píng)估清灰效果最直接的煙氣溫度變化，由于受到爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布不均、傳感器積灰等影響，其測(cè)量的準(zhǔn)確性有待提高。

6 總結(jié)

1）水力清灰對(duì)煙道清灰效果、換熱能力的提高較為顯著，可將二煙道出口煙氣溫度降低60 ℃以上，單次水力清灰對(duì)煙道降溫的作用時(shí)間可達(dá)8～10 d，水力清灰后4 d 內(nèi)水平煙道入口煙氣平均溫度的降幅可達(dá)35 ℃以上。

2）連續(xù)兩次的水力清灰測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在清灰間隔為3 d 時(shí)，第1 次水力清灰后3 d 內(nèi)二煙道出口平均溫降為30 ℃，第2 次水力清灰3 d 內(nèi)的平均溫降為40 ℃，連續(xù)使用水力清灰有利于保持煙道的換熱能力，連續(xù)使用的間隔可根據(jù)過(guò)熱器入口煙溫等進(jìn)行選擇，水力清灰對(duì)二煙道出口溫降的效果更為明顯。

3）水力清灰有利于降低過(guò)熱器組所處的煙氣溫度水平，延長(zhǎng)過(guò)熱器組的壽命、提高焚燒余熱鍋爐的運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性；水力清灰因提高換熱面換熱效率還可增加發(fā)電量。據(jù)估計(jì)，通過(guò)延長(zhǎng)過(guò)熱器壽命和增加發(fā)電收入，該600 t/d 焚燒線可增加約33.6 萬(wàn)元/a 的運(yùn)行效益。