400 t/d垃圾焚燒爐結(jié)焦原因分析及優(yōu)化改造

王杰，趙鋒鋒

(光大環(huán)保技術(shù)裝備(常州)有限公司，江蘇 常州 213011)

近些年，隨著我國城市化發(fā)展腳步的不斷加快，城市生活垃圾越來越多，生活垃圾已經(jīng)成為困擾城市發(fā)展、影響居民生活、污染城市環(huán)境的社會問題。因此，處理城市生活垃圾迫在眉睫。常見的城市生活垃圾處理方法有填埋處理、焚燒處理和堆肥處理[1]，目前國內(nèi)外處理垃圾最普遍的方式是焚燒發(fā)電。由于垃圾成分的特殊性、多變性和復(fù)雜性，在進行垃圾焚燒的同時，結(jié)焦問題也隨之產(chǎn)生，隨著結(jié)焦范圍的不斷擴大，流通面積縮小，傳熱惡化，鍋爐排煙溫度升高，廠用電率上升，鍋爐需要不定期停爐清焦，對垃圾發(fā)電廠的安全性以及經(jīng)濟效益造成了很大的影響，因此對鍋爐結(jié)焦原因展開分析并進行相應(yīng)的技術(shù)改造升級顯得至關(guān)重要。

本文針對某400 t/d垃圾焚燒鍋爐，分析垃圾焚燒爐存在結(jié)焦現(xiàn)象的原因，并對焚燒爐爐拱和二次風布置進行了升級改造，實現(xiàn)了鍋爐安全、穩(wěn)定和高效的運行。

1 工程概況

某垃圾發(fā)電廠一期項目工程的日處理垃圾能力為400 t，焚燒爐采用順推式機械爐排爐，垃圾設(shè)計熱值為6 280 kJ/kg，爐排熱負荷(MCR)為456 kW/m2，爐排機械負荷(MCR)為240 kg/(m2·h)。余熱鍋爐型式為自然循環(huán)水管鍋爐，臥式布置，蒸汽參數(shù)為4.0 MPa/400 ℃，高溫煙氣經(jīng)過爐膛三通道后依次經(jīng)過高溫蒸發(fā)器、高溫過熱器、中溫過熱器、低溫過熱器、低溫蒸發(fā)器和省煤器后進入尾部煙氣凈化裝置，處理達標后經(jīng)煙囪排出。

在實際運行中發(fā)現(xiàn)爐膛喉口部位煙氣溫度較高，容易發(fā)生積灰結(jié)焦的情況，尤其是焚燒爐前后拱位置，爐膛前拱結(jié)焦如圖1所示，爐膛后拱結(jié)焦如圖2所示。情況較輕時，會聚集大塊焦塊掉落砸至爐排，影響爐排片壽命，情況嚴重時，焦塊不斷在喉口積聚，喉口流通面積不斷減小，影響垃圾焚燒爐安全穩(wěn)定運行。隨著時間的推移，垃圾處理量由原先的400 t/d逐漸減少到330 t/d，每年鍋爐停爐檢修的次數(shù)由2次增加到4次。

圖1 爐膛前拱結(jié)焦

2 鍋爐結(jié)焦原因分析

2.1 垃圾的灰渣熔點特性

生活垃圾與一般燃料相比，具有含水率和灰分高、熱值低、成分多樣且復(fù)雜等特點，垃圾成分隨季節(jié)、地區(qū)和居民生活水平等變化，相應(yīng)的熱值變化幅度也較大，導(dǎo)致焚燒過程中煙氣溫度和組分波動較大，因此焚燒過程中發(fā)生的結(jié)渣比一般燃料燃燒過程中更復(fù)雜。從垃圾飛灰的實際的灰熔融特性來看，其變形、軟化和熔融溫度明顯低于粉煤灰的溫度，可以說垃圾本身的固有特性決定了垃圾焚燒爐易于結(jié)焦的特點。

2.2 運行時爐膛溫度控制

根據(jù)《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB 18485—2014)要求，垃圾焚燒爐產(chǎn)生的高溫煙氣在大于850 ℃條件下滯留時間不小于2 s。因此在實際運行中為滿足上述規(guī)定，保證煙氣中二噁英充分分解，焚燒爐出口溫度一般控制在1 100 ℃左右，爐膛火焰中心的溫度更高，飛灰可能早已達到軟化甚至熔融溫度，為鍋爐的結(jié)焦埋下了隱患[2]。隨著鍋爐運行時間的延長，由于溫度測點掛焦和掛灰等原因，溫度測點的準確性存在一定的偏差，DCS畫面顯示的爐膛測點溫度較實際溫度偏低。按照標準，爐膛相同截面的四個溫度測點應(yīng)當保持50 ℃左右的溫差[3]，而在實際運行中遠超過此值，甚至超過100 ℃，而且測量爐膛高溫區(qū)域的熱電偶損壞比較頻繁，對爐膛溫度的準確判斷增加了難度。

2.3 爐膛結(jié)構(gòu)的影響

垃圾的設(shè)計熱值較低，只有6 280 kJ/kg，為了保證低熱值的垃圾在爐膛內(nèi)更易著火燃燒，對進入爐膛一二段爐排上的新鮮垃圾進行有效的干燥，爐膛設(shè)計了帶折焰角的后拱。在鍋爐滿負荷運行時，高溫煙氣經(jīng)過焚燒爐喉部后截面增大，煙氣流速降低，煙氣中部分粉塵分離沉積下來，多數(shù)是沿著爐墻壁向下流動，由于爐拱喉部的角度較小，使得粉塵滯留在爐拱壁上粘結(jié)、熔融和冷卻，如此循環(huán)下去，很容易形成堅固密實的焦塊。

2.4 鍋爐運行中配風調(diào)整的影響

過量空氣系數(shù)對垃圾燃燒狀況影響很大，供給適當?shù)倪^量空氣是垃圾完全燃燒的必要條件。實際運行中，送風量明顯小于鍋爐運行所需量，二次風量過小，從而造成鍋爐的氧量過低。由于在燃燒缺氧狀態(tài)下，供氧不充分，處于還原或半還原氣氛中，使得無機物灰渣熔點更為降低，而達到熔融狀態(tài)。

3 避免和減緩鍋爐結(jié)焦的針對性措施

針對以上幾種爐膛結(jié)焦現(xiàn)象的原因分析，對此爐膛進行技術(shù)改造升級，可緩解鍋爐結(jié)焦問題，保證鍋爐的正常運行，減少檢修次數(shù)，降低檢修成本并增加了發(fā)電效益。

3.1 鍋爐設(shè)備維護

鍋爐測點反饋的數(shù)據(jù)是運行人員對鍋爐運行工況好壞判斷并進行調(diào)節(jié)的重要依據(jù)，因此必須保證鍋爐測點的準確性。而影響結(jié)焦的主要因素之一的垃圾灰份低熔點的特點是無法改變的，唯一能改變的是爐膛出口溫度，所以爐膛溫度的準確與否至關(guān)重要。因此停爐后，對各個溫度測點進行檢查，徹底清理測點上的掛灰、掛焦，對損壞的溫度測點進行及時更換，并對鍋爐積灰和結(jié)焦的清理力求徹底。

3.2 鍋爐運行調(diào)整

在鍋爐運行中，經(jīng)常會超負荷運行。長時間超負荷運行會導(dǎo)致焚燒爐內(nèi)的單位容積熱負荷增加，爐膛溫度升高，易使飛灰的達到熔融狀態(tài)，在煙氣的攜帶下附著到爐膛的壁面而積灰結(jié)焦。從鍋爐結(jié)焦機理以及垃圾焚燒發(fā)電廠運行經(jīng)驗來看，溫度對鍋爐結(jié)焦起到至關(guān)重要的作用，正常運行時應(yīng)控制焚燒爐出口平均溫度不超過1 050 ℃，同時調(diào)節(jié)爐墻冷卻風量，使爐墻得到充分冷卻。

生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)垃圾熱值變化(尤其是冬季和夏季)及時調(diào)整運行方式，改進燃燒措施，包括風量、風溫的調(diào)整，負荷的調(diào)整等來增加煙氣在爐膛停留時間，滿足灰渣的熱灼減率≤3%。同時，需合理配風、控制氧量在適合范圍。一次風與二次風按7∶3進行配比，維持氧量在6%～8%。改造時在后拱增加了一排二次風噴嘴，加強了爐內(nèi)煙氣的擾動，并對改造后的爐膛進行了CFD模擬，改造前后溫度場比較如圖3所示，改造前后流線比較如圖4所示。

圖3 改造前后溫度場比較

圖4 改造前后流線比較

根據(jù)CFD模擬結(jié)果分析如下：

(1)改造后喉部流通面積變大，后墻傾角變大，有利于減少結(jié)焦。

(2)后墻增加一排二次風后可以改善流場，消除原來的低速回流區(qū)。

(3)由于后墻二次風噴入以及流通面積的改變，改造后喉部局部高溫區(qū)域也降低，有利于減緩結(jié)焦。

3.3 爐膛結(jié)構(gòu)改造

隨著垃圾熱值的大幅提高，在達到設(shè)計熱負荷的情況下原先的爐膛形式已經(jīng)不能滿足垃圾處理量要求，因此爐膛改造已迫在眉睫。本次改造主要內(nèi)容是切除前拱上部護板，增大傾斜角度，重新焊接前拱連接護板；切除后拱的折焰角，重新焊接后拱連接護板，并對側(cè)墻進行延伸和加固密封。增大喉口處通流尺寸，改造前為2.1 m，改造后變?yōu)?.4 m。爐膛容積增大，容積熱負荷降低，從之前的54×104kJ/(h·m2)降低到49×104kJ/(h·m2)。爐膛改造如圖5所示。在易結(jié)焦部位增加了觀察孔及打焦孔，便于及時觀測爐內(nèi)結(jié)焦情況，對于輕微的結(jié)焦可以及時在線清焦。

圖5 爐膛改造圖

3.4 鍋爐受熱面改造

為了降低高溫過熱器入口煙氣溫度，在第三煙道加一組旗形蒸發(fā)器，面積為 118 m2，縱向節(jié)距為 80 mm，橫向節(jié)距為 360 mm，新增蒸發(fā)器的兩端分別與水冷壁上下相連接，在爐內(nèi)形成“D”字形的管屏。在新增蒸發(fā)器的上部兩側(cè)墻上各增加 1 套激波吹灰器，用于新增蒸發(fā)器區(qū)域的清灰，在布置受熱面時采用大節(jié)距(橫向節(jié)距 360 mm)，能夠有效地避免該區(qū)域的飛灰搭橋。對流管束受熱面增加如圖6所示。

圖6 對流管束受熱面增加

4 改造效果及經(jīng)濟性分析

4.1 改造效果

爐膛改造以后，容積熱負荷降低，爐膛出口煙氣溫度較改造前降低50 ℃，維持在1 050 ℃左右。日處理垃圾量由之前335 t增加到370 t，蒸發(fā)量由改造前的31 t/h增加到34 t/h，平均增加3 t/h。同等負荷下過熱器入口煙氣溫度下降60 ℃，省煤器出口溫度下降8 ℃，鍋爐效率增加約1%。

此次改造對料層燃燒、爐溫控制、煙氣污染物達標排放無不良影響，對爐膛喉口部位前后拱處結(jié)焦情況有顯著改善，鍋爐實現(xiàn)了長周期安全穩(wěn)定運行。運行6個月后進行計劃性停爐，前后拱處未發(fā)現(xiàn)較大焦塊，充分的證明了此次改造的合理性。

4.2 經(jīng)濟性分析

(1)燃油成本(一次啟停爐的成本)。

停爐：折合全功率開啟輔燃3.5 h，燃油1.5 t/h，耗油量=3.5 h×1.5 t/h=5.25 t

啟爐：折合全功率開啟啟燃4 h，燃油0.85 t/h，全功率開啟輔燃4 h，燃油1.5 t/h，耗油量=4 h×0.85 t/h+4 h×1.5 t/h=9.4 t

單次啟停爐共需要燃油5.25 t+9.4 t=14.65 t；

燃油成本：14.65 t×0.9(柴油)萬元/t≈13萬元。

發(fā)電收益(單次停爐按4天計算)。4天少燒垃圾1 300 t，垃圾發(fā)電量按照450 kW·h/t垃圾計算，1 kW·h電費按照0.65元計算，垃圾處理費按照60元/t 計算：

發(fā)電收益：450 kW·h/t×0.65 元/kW·h×1 300 t÷10 000≈38萬元

垃圾處理費：1 300 t×60 元/t÷10 000≈8萬元

停爐人工清焦成本：約5萬元

總計節(jié)約成本：13 萬元+38 萬元+8 萬元+5萬元=64萬元

(2)在線清焦的費用。

折合全功率開啟輔燃3 h，燃油1.5 t/h，燃油費：3 h×1.5 t/h×0.9萬元/t≈4萬元

一年在線清焦的費用：4 萬元×10=40萬元

據(jù)此可得：按改造前一年停爐4次，改造后按一年停爐2次計算，則改造后一年可以節(jié)約成本64 萬元×2+40 萬元=168萬元。改造后多處理垃圾約35 t/d，一年可以多處理垃圾1.16萬t，年垃圾處理費增收9.5%，每天多發(fā)電1.3萬kW·h，年發(fā)電增加約433萬kW·h，年售電收入增加約9.8%。

5 結(jié)語

綜上所述，垃圾焚燒爐結(jié)焦積灰是受灰渣熔點特性、爐膛結(jié)構(gòu)特點、運行溫度和配風量控制等因素影響造成的。隨著國內(nèi)生活垃圾分類的逐步推進和完善，未來生活垃圾熱值將會持續(xù)提高?？梢灶A(yù)見，國內(nèi)大部分生活垃圾焚燒項目將會迎來改造熱潮，希望本文能對今后城市垃圾焚燒發(fā)電項目的改造提供借鑒和指導(dǎo)。