一臺250 t/d生活垃圾焚燒鍋爐的優(yōu)化改造

黃術(shù)翠

(上海偉明環(huán)保有限公司， 上海 200120)

目前，城市生活垃圾焚燒處理是實(shí)現(xiàn)垃圾處理減量化、資源化、無害化的主要手段。我國早期的垃圾焚燒鍋爐(簡稱焚燒爐)由于考慮到國內(nèi)生活垃圾熱值低、含水率高等問題，一般設(shè)計(jì)的燃料熱值較低。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人們生活水平的提高，以及城市人口的迅速增長，垃圾熱值明顯提高，生活垃圾量也急劇增加。垃圾熱值的提高使焚燒爐的熱負(fù)荷整體上升進(jìn)而出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，爐膛溫度高于1 050 ℃，過熱器、省煤器等部件均面臨著高溫腐蝕[1]和排煙溫度高等一系列問題，導(dǎo)致垃圾焚燒爐面臨著處理量下降的困境。

面對垃圾圍城、新建電廠選址難的現(xiàn)狀，擴(kuò)容改造是提高垃圾處理量，保障鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的有效且必要的措施；同時(shí)，鍋爐蒸發(fā)量的提高、發(fā)電量的增大，提高了電廠的經(jīng)濟(jì)效益，一舉多得。但是，垃圾焚燒爐的擴(kuò)容改造，不僅需要增加受熱面，而且對焚燒爐的焚燒部分也必須進(jìn)行嚴(yán)格的核算，否則必然面對一系列新的問題，甚至達(dá)不到改造的預(yù)期效果，造成停爐等惡劣情況。筆者以1臺250 t/d生活垃圾焚燒鍋爐為例，介紹其擴(kuò)容改造情況。

1 鍋爐概況

該焚燒爐為2007年5月投產(chǎn)的立式單鍋筒自然循環(huán)蒸汽鍋爐，額定蒸汽壓力為4.1 MPa，蒸汽溫度為415 ℃，最初設(shè)計(jì)燃料熱值為5 000 kJ/kg，設(shè)計(jì)蒸發(fā)質(zhì)量流量為15.3 t/h。隨著垃圾熱值的不斷提升，2013年對焚燒爐進(jìn)行了擴(kuò)容改造，在三煙道布置了蒸發(fā)器，增加了中和塔、布袋除塵器和汽輪發(fā)電機(jī)組的容量。設(shè)計(jì)燃料熱值為6 280 kJ/kg，垃圾處理量為250 t/d，額定蒸發(fā)質(zhì)量流量為19.7 t/h。擴(kuò)容后焚燒爐達(dá)到了改造效果。

隨著垃圾熱值逐年上升，該焚燒爐再次出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。為了控制焚燒爐爐膛溫度，不得不采取減少垃圾處理量，降低焚燒爐負(fù)荷的措施，該焚燒爐實(shí)際平均垃圾處理量約為183 t/d，平均蒸發(fā)質(zhì)量流量約為17.2 t/h。

為了緩解當(dāng)?shù)乩幹脡毫?，降低排煙溫度，電廠大修技改時(shí)，在焚燒爐爐膛內(nèi)增加了2片水冷屏，并在燃燼室底部增加了U形蒸發(fā)器，共25組，增加的受熱面積約為92.6 m2。垃圾熱值按7 955 kJ/kg(1 900 kcal/kg)設(shè)計(jì)。改造后焚燒爐蒸發(fā)質(zhì)量流量可提高到22 t/h，垃圾處理量約為220 t/d。該技改方案中垃圾處理量根據(jù)熱值調(diào)整為220 t/d主要是出于以下幾個(gè)方面考慮：(1)如果增加尾部受熱面，則改造工作量巨大；(2)保證爐排熱負(fù)荷在合理范圍內(nèi)，延長爐排使用壽命；(3)盡量不改煙氣處理系統(tǒng)。該大修技改在2020年5月完成，增設(shè)水冷屏和蒸發(fā)器后的余熱鍋爐結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 增設(shè)水冷屏和蒸發(fā)器后的余熱鍋爐結(jié)構(gòu)

技改后鍋爐2020年運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。由表1可見，大修技改后，改造效果不明顯。各受熱面再次面臨煙溫超高的現(xiàn)象(見表2)，鍋爐的運(yùn)行狀況也開始急劇惡化，焚燒爐出現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)焦現(xiàn)象。

表1 技改后鍋爐2020年運(yùn)行數(shù)據(jù)

表2 鍋爐各部件煙溫 ℃

該焚燒爐結(jié)焦主要集中在左右側(cè)墻，逆推爐排一、二風(fēng)室的側(cè)補(bǔ)償塊上方，逐步增加至推料器下方，導(dǎo)致料層無法下移；兩側(cè)墻和前后拱肩都掛有焦塊，并且結(jié)焦速度非常快，部分焦塊難以脫落，相互連接形成更大的焦塊，最后脫落時(shí)，連帶爐墻及抓釘一起墜落(見圖2、圖3)，最終被迫停爐。

圖2 焚燒爐兩側(cè)墻掛焦

圖3 前拱焦塊墜落，抓釘裸露

2 原因分析

經(jīng)過現(xiàn)場勘查，結(jié)合目前的垃圾狀況，分析導(dǎo)致焚燒爐超溫的主要原因?yàn)樾l(wèi)燃帶偏高、后拱傾角偏小、側(cè)補(bǔ)償塊處形成火口、風(fēng)機(jī)風(fēng)量及風(fēng)壓偏小。

2.1 衛(wèi)燃帶偏高

焚燒爐最初設(shè)計(jì)時(shí)，垃圾熱值較低，為了保證850 ℃爐溫持續(xù)時(shí)間不低于2 s，鍋爐衛(wèi)燃帶高達(dá)9 m，以降低被覆蓋水冷壁管的吸熱量。隨著垃圾熱值的提高，爐膛出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，為降低爐膛溫度，考慮降低衛(wèi)燃帶的高度。

2.2 后拱傾角偏小

焚燒爐大修技改時(shí)，雖然增加了焚燒爐受熱面積，但是配套的爐拱未進(jìn)行任何調(diào)整。焚燒爐采用的前拱高而短，適合目前的燃料燃燒，但采用的后拱低而長，最初設(shè)計(jì)后拱傾角為12°，是為了保證低熱值垃圾的穩(wěn)定燃燒[2]。隨著垃圾熱值提高到7 955 kJ/kg左右，原來的后拱傾角對燃料的助燃作用過大，后拱煙氣出口偏小，燃燒段煙氣直接沖向拱頂，并且二次風(fēng)的擾動效果較差，導(dǎo)致拱肩處局部熱強(qiáng)度過大，結(jié)焦嚴(yán)重。

2.3 側(cè)補(bǔ)償塊處形成火口

垃圾熱值提高后，焚燒爐的垃圾處理量減少(少于250 t/d)，故爐排的機(jī)械負(fù)荷變小，只需要考慮爐排面積熱負(fù)荷。爐排單位面積熱負(fù)荷一般取277～694 kW[3]。按垃圾熱值為7 955 kJ/kg、處理量為220 t/d計(jì)算，則爐排單位面積熱負(fù)荷約為455 kW，因此爐排不存在超負(fù)荷運(yùn)行的狀況。但原爐排面經(jīng)過物料的磨損和掉落的焦塊刮擦，多處爐排片和側(cè)補(bǔ)償塊破損、漏風(fēng)；并且爐排本身進(jìn)料不均，兩側(cè)料層較薄，從而在漏風(fēng)處極易形成火口，導(dǎo)致側(cè)墻過熱掛焦；側(cè)墻焦塊與拱肩焦塊形成整體，難以脫落，形成了惡性循環(huán)。

2.4 風(fēng)機(jī)風(fēng)量及風(fēng)壓偏小

該鍋爐最初設(shè)計(jì)燃料熱值為5 000 kJ/kg，2013年擴(kuò)容改造時(shí)，沒有更換風(fēng)機(jī)?，F(xiàn)場焚燒爐的爐墻保溫層拱起、燒壞，爐門處耐火澆注料脫落(見圖4、圖5)。由圖4、圖5可以看出：隨著垃圾熱值的提高，煙氣量增大，引風(fēng)機(jī)出力不足，導(dǎo)致焚燒爐處于微正壓狀態(tài)運(yùn)行。此外，焚燒爐原二次風(fēng)機(jī)的風(fēng)量太大，風(fēng)壓太小，煙氣擾動效果差，加上較低的后拱對煙氣的壓制作用，導(dǎo)致煙氣在爐拱處聚集，無法得到有效降溫，這也是導(dǎo)致爐拱掛焦的原因。

圖4 爐墻保溫層拱起

圖5 爐門處耐火澆注料全部脫落

3 改造方案

綜合以上原因，對焚燒爐進(jìn)行了如下整改：

(1) 將焚燒爐衛(wèi)燃帶耐火澆注料層標(biāo)高由23 350 mm下移到22 350 mm，即下移1 m，以增大爐膛的水冷面積，降低爐膛溫度。

(2) 將焚燒爐后拱傾角從12°加大到13.5°，后拱垂直距離提高約187 mm(見圖6)，砌筑耐火澆注料后的拱肩距離垃圾料層的高度比原來高了約195 mm，擴(kuò)大了后拱的煙氣出口，降低了拱肩熱負(fù)荷。

圖6 后拱傾角加大示意圖

(3) 更換破損、變形的側(cè)補(bǔ)償塊及爐排片，經(jīng)調(diào)試校正后減小調(diào)節(jié)縫隙，以免被掉落垃圾卡死。

(4) 將焚燒爐損壞的兩側(cè)墻拆除并補(bǔ)焊抓釘后，重新澆筑耐火澆注料。

從實(shí)際運(yùn)行方面進(jìn)行調(diào)整，具體如下：

(1) 鑒于爐膛溫度的提高，在保持爐膛溫度不低于850 ℃且持續(xù)時(shí)間不小于2 s、垃圾可燃的情況下，將一次風(fēng)溫度降低到100 ℃左右[3]。既降低了爐膛溫度，又減少了空氣預(yù)熱器使用的蒸汽量，增加了發(fā)電量。

(2) 增加煙氣再循環(huán)管路，即從引風(fēng)機(jī)出口將部分煙氣引入二次風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)管，煙氣量約占二次風(fēng)量的0%～30%。煙氣再循環(huán)管路既控制了氧含量，降低了NOx生成量，又保證了二次風(fēng)的總風(fēng)量，保證了對煙氣的擾動作用。煙氣和空氣的體積比根據(jù)NOx、CO排放數(shù)據(jù)，通過調(diào)整電動調(diào)節(jié)閥開度控制，如當(dāng)CO含量超標(biāo)時(shí)，再循環(huán)煙氣調(diào)節(jié)閥適當(dāng)調(diào)小，同時(shí)冷風(fēng)調(diào)節(jié)閥相應(yīng)調(diào)大，從而聯(lián)鎖控制。

(3) 更換二次風(fēng)機(jī)，保證二次風(fēng)量達(dá)到總風(fēng)量(45 600 m3/h)的25%；加大風(fēng)壓，保證煙氣再循環(huán)管路的運(yùn)行。為適應(yīng)煙氣、空氣兩種介質(zhì)運(yùn)行，葉輪采用了雙相不銹鋼，并對煙氣接觸表面進(jìn)行了搪瓷處理，以避免風(fēng)機(jī)腐蝕。

(4) 更換引風(fēng)機(jī)，加大風(fēng)量和風(fēng)壓(見表3)，以應(yīng)對煙氣阻力增大的狀況，使焚燒爐在煙氣量增加的情況下仍保持爐膛負(fù)壓狀態(tài)運(yùn)行。

表3 二次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)更換前后運(yùn)行數(shù)據(jù)

此外，對鍋爐所有受熱面進(jìn)行了常規(guī)的清灰打焦，并修補(bǔ)跑冒滴漏處。

4 改造效果

改造后，焚燒爐2021年的運(yùn)行數(shù)據(jù)見表4。由表4可以看出，改造后鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的改造效果。

表4 改造后鍋爐2021年運(yùn)行數(shù)據(jù)

4.1 改善了焚燒爐的運(yùn)行狀態(tài)

后拱抬高后，壓火現(xiàn)象消失，火焰不再沖向后拱頂，向爐膛上方的趨勢明顯；引風(fēng)機(jī)更換后，爐膛負(fù)壓狀態(tài)建立，火焰貼墻燃燒的狀態(tài)消失；后拱結(jié)焦?fàn)顩r消失。

爐排片及側(cè)補(bǔ)償塊更換后，漏風(fēng)情況得到改善，加上一次風(fēng)溫的降低、二次風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的提高，改善了燃燒狀況，側(cè)補(bǔ)償塊處不再形成火口。

焚燒爐推料時(shí)間縮短，由于生活垃圾成分受季節(jié)、區(qū)域、發(fā)酵周期、天氣等因素影響較大，因此垃圾處理量處于一個(gè)動態(tài)變化的范圍。由表4可見：4個(gè)月的平均垃圾處理量約為221.8 t/d。

4.2 提高了焚燒爐的蒸發(fā)質(zhì)量流量

焚燒爐的衛(wèi)燃帶下移，爐膛煙溫降低，后續(xù)各部件排煙溫度基本在設(shè)計(jì)值(見表2)附近運(yùn)行。排煙溫度保持在185～195 ℃，降低了排煙熱損失，提高了焚燒爐效率。焚燒爐蒸發(fā)質(zhì)量流量與大修技改前相比，提高了約4.7 t/h，達(dá)到了預(yù)期的改造效果。

4.3 提升了電廠時(shí)經(jīng)濟(jì)效益

此次改造既消除了焚燒爐正壓運(yùn)行、結(jié)焦的危險(xiǎn)，保證了焚燒爐穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到了改造效果，又提高了全廠的經(jīng)濟(jì)效益。按全年平均汽耗率約為5.3 kg/(kW·h)、年運(yùn)行8 000 h計(jì)算，則年增發(fā)電量約為709萬kW·h，焚燒爐風(fēng)機(jī)更換，導(dǎo)致廠用電提高至23%左右，按上網(wǎng)電價(jià)為0.65元/(kW·h)計(jì)算，則年新增發(fā)電收入約355萬元；垃圾處理費(fèi)為73元/t,則改造后增加的年垃圾處理費(fèi)約為94萬元：合計(jì)年經(jīng)濟(jì)效益為449萬元。項(xiàng)目總改造費(fèi)用約為180萬元，在連續(xù)運(yùn)行4.5個(gè)月后，額外增加的發(fā)電量及垃圾處理費(fèi)即可收回改造成本，因此經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。

5 結(jié)語

為了使原生活垃圾焚燒爐適應(yīng)高熱值垃圾，從兩方面著手：(1)從提高焚燒爐熱負(fù)荷著手，通過增加蒸發(fā)器、水冷屏，降低衛(wèi)燃帶高度的方式來加大垃圾焚燒爐的受熱面布置，提高焚燒爐的熱負(fù)荷，增加垃圾處理量；(2)從工藝方面調(diào)整，適當(dāng)降低一次配風(fēng)溫度，降低燃燒段及干燥段空氣溫度；提高后拱，采用煙氣再循環(huán)系統(tǒng)提高二次風(fēng)擾動作用，引導(dǎo)高溫氣流上行；對于焚燒煙氣量的增加，需要保證引風(fēng)機(jī)的功率，維持爐膛的負(fù)壓狀態(tài)。通過有效、合理的改造，焚燒爐的運(yùn)行狀態(tài)得到改善，焚燒爐的煙溫降低使蒸發(fā)量得到提高，同時(shí)提升了電廠的經(jīng)濟(jì)效益。