垃圾焚燒爐結(jié)焦原因分析及控制措施研究
——以逆推爐排爐為例

趙樹明 張 偉 張繼澍

（1.廊坊首鋼盛業(yè)生物質(zhì)能源有限公司，河北廊坊 065600；2.北京首鋼生態(tài)科技有限公司，北京 102300）

1 研究背景及意義

垃圾焚燒爐是垃圾焚燒處理工藝中的核心設(shè)備，對整體工藝路線、焚燒效果都起著至關(guān)重要的作用。目前，垃圾焚燒爐主要分為爐排爐和流化床兩種類型。爐排爐的特征在于垃圾通過料斗及給料器進入向下傾斜的爐排，通過爐排的往復(fù)作用，垃圾得到翻滾攪拌并依次通過干燥區(qū)、燃燒區(qū)和燃盡區(qū)，一次風(fēng)從爐排下方吹入，提供助燃空氣的同時對爐排起到冷卻作用。爐排爐只需要在啟停爐階段添加輔助燃料，不需要對垃圾進行預(yù)處理，且產(chǎn)生的爐渣及飛灰相對較少，但啟停爐時間較長，一般啟爐時間在15個小時左右，期間會較正常工況產(chǎn)生更多的二噁英及有害氣體。流化床的特征在于爐膛下部布置有布風(fēng)板及惰性顆粒，通過床下布風(fēng)，使惰性顆粒呈沸騰狀，形成流化床段，并在上方設(shè)置足夠高的燃燼段。垃圾進入流化床后，顆粒與氣體之間傳熱和傳質(zhì)速率高，物料在床層內(nèi)幾乎呈完全混合狀態(tài)。載熱體蓄熱量較強，可避免爐溫急劇變化，床層溫度易于控制。流化床工藝具有適用低熱值垃圾的特點，但須對垃圾進行嚴格的預(yù)處理，同時運行溫度普遍低于爐排爐，產(chǎn)生的飛灰及爐渣量較大[1]。

近年來，隨著工程實踐的增多，爐排爐已逐漸成為我國大多數(shù)垃圾焚燒廠采用的技術(shù)路線。爐排爐根據(jù)爐排類形主要分為順推或逆推式兩大類。逆推爐排爐以三菱-馬丁技術(shù)為代表，在國內(nèi)具有眾多的工程業(yè)績。爐排的逆向推動可實現(xiàn)對垃圾更好的攪拌效果，并相應(yīng)延長垃圾在爐內(nèi)的停留時間，適應(yīng)于生活垃圾高含水率的特點，逆推爐排結(jié)構(gòu)相對簡單，運行穩(wěn)定性強，故障率低。然而，從實際運行角度來看，也逐步暴露出一些問題。一是爐排長度較短，運行中垃圾干燥、著火段難以明顯區(qū)分，火線易靠近給料器。二是與其他相同機械負荷的爐型相比，爐膛空間偏小，造成爐膛溫度較高，運行溫度普遍在1100℃以上。三是爐膛結(jié)焦較快，連續(xù)運行周期一般在6個月以內(nèi)。爐膛結(jié)焦若靠近給料器，將造成給料器不下料或下料不暢，對應(yīng)的爐排因缺少垃圾造成爐膛溫度下降。若結(jié)焦在焚燒爐喉部，將造成一通道通流面積的下降，極端情況下喉部焦塊連接成片，堵塞煙道，造成爐膛反正壓的事故。焦塊生長到一定程度，從前墻或側(cè)墻跌落，若焦塊較大，將砸壞爐排及框架，停留在爐排上的焦塊由于自重爐排很難推動，極大影響該區(qū)域垃圾的燃燒，處置不當(dāng)將造成停爐[2]。即使是檢修期間，焦塊的跌落也是爐膛檢修的重大風(fēng)險點，須制定詳盡措施確保人員及設(shè)備安全。此外，垃圾焚燒廠對爐膛結(jié)焦的控制還在于通過延長焚燒爐連續(xù)運行時間，最大程度降低在非正常工況（啟停爐）過程中二噁英及其他有害氣體在低溫階段的排放。因此，研究減緩垃圾焚燒爐結(jié)焦的控制措施具有重大的現(xiàn)實意義。

2 結(jié)焦機理及影響因素

鍋爐結(jié)焦是煙氣中攜帶的熔化或部分熔化的灰顆粒，碰撞到受熱面管子被冷卻凝固而形成的，主要出現(xiàn)在輻射、半輻射和高溫對流等受熱面。鍋爐結(jié)焦是一個物理、化學(xué)綜合過程，一般認為分兩個階段。第一階段是垃圾中的堿金屬化合物、鈣和磷的化合物，由垃圾中揮發(fā)出來，變成以氧化物、氯化物、氫氧化物的蒸汽或氣體，隨煙氣沖刷換熱管，換熱冷卻后在管子外表面凝結(jié)，形成黏結(jié)性沉淀層[3]。同時，在高溫?zé)煔庵辛蜓趸餁怏w長期作用（燒結(jié)）下，形成薄而密實的硫酸鹽沉積層（第一層灰）。第二階段是隨著灰層厚度不斷增加，其灰污表面溫度不斷升高，逐漸接近于煙氣溫度，若此煙氣溫度使灰處于熔化狀態(tài)，則在第一層粗糙的灰層表面極易黏附一些煙氣中尚未得到冷卻成為凝固狀態(tài)的液態(tài)灰顆粒，形成增長速度很快的梳狀、松散多孔的外灰層沉積物（第二層灰）。垃圾焚燒過程極為復(fù)雜，入爐垃圾成分時刻處于變化狀態(tài)，氣、液、固多項反應(yīng)混合發(fā)生?？梢哉f，垃圾焚燒爐的工況特點決定了其易結(jié)焦的屬性[4]。實際運行過程中，結(jié)焦的速率主要受以下因素影響。

2.1 爐膛溫度的影響

垃圾焚燒后的灰燼中的堿金屬氧化物、氯化物及其硅酸鹽、硫酸鹽類易揮發(fā)，可以促進灰層形成，降低灰熔點?；胰埸c與爐膛溫度的相對關(guān)系是影響結(jié)焦速率的最重要因素。從垃圾飛灰的實際灰熔融特性來看，其變形、軟化、熔融溫度基本在1100℃。垃圾焚燒爐運行中的理想溫度是1050℃，爐膛超溫必然導(dǎo)致結(jié)焦速率的加快，實際生產(chǎn)中應(yīng)注意平衡機械負荷與容積熱負荷的關(guān)系，注意短期負荷與長期穩(wěn)定性的綜合考量。

2.2 配風(fēng)的影響

在缺氧狀態(tài)下燃燒、供氧不充分，會使爐膛處于還原或半還原氣氛中，無機物灰渣熔點降低，達到熔融狀態(tài)，垃圾焚燒爐要求將爐膛氧量控制在6%以上。此外，二次風(fēng)的使用也對結(jié)焦具有明顯的影響。二次風(fēng)一般為常溫風(fēng)，實際運行過程中往往對二次風(fēng)的使用缺乏足夠重視，二次風(fēng)出風(fēng)口設(shè)置在焚燒爐喉部，可在焚燒爐出口產(chǎn)生擾動作用，增加飛灰在喉部的沉積，同時可補充助燃空氣，增加燃盡率。

3 實際案例分析及預(yù)防措施

3.1 某垃圾焚燒廠因爐膛結(jié)焦影響推料器下料被迫停爐

推料器是影響爐排爐運行工況的關(guān)鍵設(shè)備，推料器行程是運行人員根據(jù)觀察爐排上料層情況設(shè)定的。推料器行程越長，推下的垃圾量越多，反之越少，通過控制行程保證合理的料層厚度。推料器行程也與垃圾的容重有關(guān)，垃圾較輕，采用較長的行程；垃圾較重，采用較短的行程。通過停爐檢修，發(fā)現(xiàn)推料器上的三角板磨損嚴重，三角板可以阻止推料器上面的垃圾大量滑下。當(dāng)磨損嚴重時，每次推料器后退時，推料器上面的垃圾就容易大量滑到推料平臺上，增加推料器推料的阻力。每次推料器前進時，推料器上面的垃圾就容易大量滑到爐排上，造成滑料[5]。

當(dāng)因為推料器阻力增大而不下料時，運行人員會由于爐膛溫度的快速下降而投入輔助燃燒器。輔助燃燒器投入的時間長，油量大，用油次數(shù)多。輔助燃燒器在每次停運后，都會噴一段時間的冷卻風(fēng)，會在爐膛中形成低溫區(qū)。煙氣在輔助燃燒器區(qū)域遇到低溫區(qū)，又因空氣動力因素，煙氣容易沖擊輔燃區(qū)域下部。流體流速越快，附近壓力越低。當(dāng)輔助燃燒器噴射冷卻風(fēng)時，煙氣會向噴槍附近流動，而冷風(fēng)向上流動，抵擋了上部的煙氣，下部煙氣有向爐壁流動的趨勢，煙氣中熔融的堿金屬氧化物附著形成初始沉積層，并黏附形成焦塊。燃燒器點燃時附近煙氣溫度較高，固態(tài)飛灰軟化，灰分的運動也越劇烈，容易附著在初始沉積層上。這些因素的共同作用導(dǎo)致輔助燃燒器區(qū)域結(jié)焦較嚴重。

當(dāng)滑料造成垃圾處理量過多時，為了盡可能在干燥區(qū)烘干大量垃圾，爐排下方靠近給料器側(cè)的風(fēng)室，即第一風(fēng)室，擋板須開大，長時間在50%以上。爐排干燥段是為了將垃圾中水分烘干，將可燃垃圾氣化。干燥段溫度范圍是從常溫到600℃。如果第一風(fēng)室擋板開度過大或推料間隔時間過長，爐排干燥段上的垃圾甚至給料平臺上的垃圾將會燃燒，給料平臺和干燥區(qū)是爐膛內(nèi)最大的低溫區(qū)。垃圾燃燒產(chǎn)生的堿金屬氧化物的熔點在500～600℃，在煙氣中呈液態(tài)，遇到低溫區(qū)后表面冷卻，附著在給料器下方的側(cè)墻上，形成初始沉積層，進而與飛灰結(jié)合形成焦塊。垃圾處理量過多時，煙氣中的灰分和揮發(fā)分含量會增加，容易在爐膛里產(chǎn)生還原性氣氛。通過查閱曲線可看到，該焚燒爐運行期間有較長時間爐膛氧量低于6%。在還原性氣氛中，飛灰中的三氧化二鐵會被還原成氧化亞鐵，氧化亞鐵會使堿金屬氧化物的熔點下降，潤濕性增加，黏附力加大[6]。這導(dǎo)致堿金屬氧化物更容易形成初始沉積層，更容易黏附固態(tài)飛灰，形成焦塊。當(dāng)滑料造成爐排上垃圾過多時，爐溫容易偏高，且下料不均易造成爐膛兩側(cè)溫度的偏差，當(dāng)爐溫較高時，固態(tài)飛灰軟化，灰分的運動也更劇烈，偏溫會使煙氣流動紊亂，飛灰更容易沖到爐壁上，與初始沉積層會合，加速結(jié)焦。

為減緩結(jié)焦，制定以下技術(shù)及管理措施并取得了良好的效果。一是減少給料器行程，當(dāng)推料器并列運行時，行程控制在300mm，不允許超過400mm。若出現(xiàn)部分推料器不下料的情況，要盡量減少解列部分推料器推大行程的次數(shù)。二是爐排下方第一風(fēng)室擋板的開度控制在30%左右，最大不能超過50%，減少第一風(fēng)室的風(fēng)量，減少垃圾在爐排干燥段的燃燒，從而控制爐墻側(cè)壁和推料平臺上焦塊的產(chǎn)生。三是控制火床長度在爐排2/3處和垃圾料層厚度在600～800mm，調(diào)整推料器行程、推料間隔時間、爐排速度、排渣時間這些參數(shù)。四是嚴格控制爐膛溫度，爐膛上部溫度不得超過1100℃，優(yōu)先控制鍋爐容積熱負荷，當(dāng)出現(xiàn)爐膛偏溫現(xiàn)象時，通過垃圾吊控制爐排東西兩側(cè)料斗上的料層厚度一致。五是爐膛氧量要控制在6%～8%的范圍，適當(dāng)增加過?？諝饬?，既可以減少在爐膛局部產(chǎn)生還原性氣氛又可以增加煙氣流速，使液態(tài)的堿金屬氧化物和固體飛灰不易附著在爐壁和受熱面上。

3.2 某垃圾焚燒廠因后拱掉落焦塊砸壞爐排片而被迫停爐

焦塊掉落至爐排后，如果爐排無法活動，一般采取調(diào)整液壓站油壓的方式活動爐排；如果爐排可以活動，則通過爐排動作排出并破碎焦塊。但無論采取哪種方式，都存在損壞爐排及框架的風(fēng)險，特別是當(dāng)局部爐排砸壞，爐排下落卡在驅(qū)動梁后，爐排的回退易造成梁擠壓變形，造成故障擴大并大幅延長檢修時間[7]。

從結(jié)焦的形成可以看出，熔融狀態(tài)的灰粒更容易發(fā)生黏結(jié)，使結(jié)焦過程加劇，因此爐膛溫度對結(jié)焦具有至關(guān)重要的作用。實際生產(chǎn)中往往由于生產(chǎn)任務(wù)等因素忽略對爐膛溫度的長期嚴格控制。該焚燒爐自啟爐至掉焦共運行984小時，東部超1050℃共430小時，占到總運行時間的43.7%，其中超過1100℃共130.3小時，占到總運行時間的13.2%。西部爐溫超過1050℃共383小時，占到總運行時間的38.9%；超過1100℃共168.2小時，占運行時間的17.1%。長時間的超溫運行，使飛灰達到軟化甚至熔融狀態(tài)，促進了結(jié)焦的形成。通過對東西側(cè)溫度比較發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)溫差較大，最大相差100℃以上，超過正常理論值（50℃），從側(cè)面反映了測溫點的結(jié)焦情況。余熱鍋爐蒸發(fā)量也存在超負荷情況，余熱鍋爐超負荷共69.9小時，占總運行時間的7%。超負荷運行勢必導(dǎo)致爐膛內(nèi)的熱負荷超標，使飛灰達到熔融狀態(tài)，在煙氣的攜帶下附著到爐膛的壁面而積灰結(jié)焦。垃圾焚燒爐具有燃燒不穩(wěn)定的特點。根據(jù)鍋爐負荷曲線可以看出，鍋爐負荷變化較大，負荷變化20t/h的情況較多。在鍋爐負荷不穩(wěn)的情況下，更易交替結(jié)成片層狀的焦塊。當(dāng)高負荷、高煙溫時，疏松的焦塊還處在熔融狀態(tài)，在自身重力的作用下脫落或當(dāng)爐膛溫度再一次下降時，再次凝結(jié)成更堅固密實的焦塊。

針對上述情況，制定如下措施以改善工況。一是在檢修清焦時，加強清焦質(zhì)量，提高澆注料表面的光潔度，減小掛灰的概率。二是保證鍋爐受熱面清潔，加強吹灰，保證鍋爐出口煙氣溫度處于規(guī)定范圍內(nèi)，降低熱負荷，提高換熱效率。三是運行調(diào)整中，控制好爐膛溫度，控制好焚燒爐的熱負荷，避免超負荷運行。四是穩(wěn)定垃圾質(zhì)量，加強垃圾池的倒料、混料等操作，從源頭抓好垃圾池的管理，改善入爐垃圾品質(zhì)。

4 結(jié)語

結(jié)焦是制約垃圾焚燒發(fā)電廠長周期運行的關(guān)鍵因素，從理論上講，由于垃圾成分的不確定性，結(jié)焦是焚燒爐運行的必然結(jié)果，但可通過嚴格控制爐膛溫度、鍋爐負荷、改善配風(fēng)、提升爐墻光潔度等檢修措施延緩結(jié)焦速率，將焦塊的生長周期控制在焚燒爐計劃檢修周期外。結(jié)焦的原因是復(fù)雜的，其控制措施也必然是綜合的，運行管理人員必須堅持久久為功、多管齊下，才能不斷提升運行質(zhì)量，實現(xiàn)垃圾焚燒過程的穩(wěn)定高效。