危廢處理中余熱鍋爐設(shè)計探討

夏春林,張 鍇,喬秀亮,王 振,徐學(xué)景

(煙臺國冶冶金水冷設(shè)備有限公司,山東 煙臺 265500)

《國家危險廢物名錄》(2021 年版)認(rèn)定:工業(yè)危險廢物、醫(yī)療廢物和其他社會源危險廢物等46 個大類的危險廢物,屬于危廢范疇。其總量隨著社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展也在逐年增長[1-5],2020年,我國危廢年產(chǎn)總量達(dá)4 583.2萬t[6]。

為了保護(hù)人體健康及改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,一般可采用安全土地填埋法、高溫焚燒法、化學(xué)處理法及固化法等四種方法處置危廢[7-14],其中高溫焚燒法是當(dāng)前較成熟的處置危廢的技術(shù)方案,其相較于其他三種處理方式,對危廢減重、減容、無害化具有明顯優(yōu)勢。

焚燒處理法是指在高溫及足夠氧量的前提下,讓危廢在特制焚燒爐內(nèi)進(jìn)行劇烈的氧化反應(yīng),分解或降解危廢的過程。焚燒過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔獬煞址N類繁多,但是其攜帶有豐富的能量,具有較高的回收價值。通常為了降本增效,可在焚燒爐后設(shè)置余熱鍋爐系統(tǒng)。

本文以某公司危廢處理焚燒爐的余熱鍋爐為例,探討危廢在高溫焚燒后,含熱能的煙氣余熱回收問題。

1 鍋爐設(shè)計

1.1 工藝流程

本鍋爐為利用焚燒爐尾氣余熱來產(chǎn)生蒸汽的余熱回收裝置, 循環(huán)方式是自然循環(huán),立式布置。主要由汽化冷卻煙道、汽包、連接管道、鍋爐系統(tǒng)公輔設(shè)施等組成,如圖1所示,鍋爐的工藝流程見圖2。

圖1 主要部件布置示意圖

圖2 鍋爐系統(tǒng)工藝流程示意

1.2 設(shè)計參數(shù)

1.2.1 設(shè)計條件

煙氣參數(shù)如表1所示。

表1 煙氣參數(shù)

1.2.2 工藝條件

工藝條件參數(shù)如表2所示。

表2 工藝參數(shù)

1.2.3 設(shè)備布置

為滿足焚燒爐生產(chǎn)運行中爐氣排出流暢,減少煙道系統(tǒng)積灰[15-16],汽化冷卻煙道布置中盡量減少彎曲及水平布置,盡可能做到布置合理緊湊。

煙道位于焚燒爐后方,連接焚燒爐出口煙道后,煙道折彎90°向下與過渡段連接,過渡段出口接低溫段煙道,然后再與除塵管道相接,經(jīng)急冷塔、除塵器、風(fēng)機(jī)等再排入大氣。余熱鍋爐系統(tǒng)全部支吊在危廢處理廠的各層平臺上。

1.2.4 設(shè)備組成

本套煙氣余熱回收鍋爐主要分為以下幾個部分:汽包、汽化煙道、鍋爐配管等,還含有煙道非金屬補(bǔ)償器及支吊架等輔助設(shè)施。

1) 汽包

汽包作為汽化冷卻系統(tǒng)自然循環(huán)的配水及集氣裝置,其產(chǎn)生的蒸汽一方面可用作廠區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)生活用氣,另一方面也用作除氧蒸汽對給水進(jìn)行除氧。為確保安全,在汽包上設(shè)置安全閥二套、緊急放散閥組一套及相應(yīng)的排汽消聲器,當(dāng)系統(tǒng)超壓時進(jìn)行緊急排放,以保系統(tǒng)安全。技術(shù)參數(shù)如下:

規(guī)格:DN 1 000×4 500 mm(筒體直段長度);

形式:臥式;

介質(zhì):水及飽和蒸汽;

工作壓力:1.2 MPa;

工作溫度:188 ℃。

2)煙道

汽化煙道高溫段直徑1 850 mm,低溫段直徑1 630 mm,主體由高壓鍋爐無縫鋼管,中間焊接扁鋼組成膜式壁圓形結(jié)構(gòu)。由于危廢處理系統(tǒng)整體在負(fù)壓下運行,采用了SNCR(選擇性非催化還原)處理工藝,在煙道的合適位置上,必須為此開有合適的工藝孔,以滿足危廢處理工藝需要。

該煙道工況惡劣,直接受大量高溫?zé)煔獾臎_刷,也承受HCl等強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)的高溫腐蝕,非常容易損壞。煙道的使用壽命一直是制約危廢處理系統(tǒng)正常運行的重要因素之一。

為了改善煙道的使用壽命,其他設(shè)計制作公司一般主要從煙道結(jié)構(gòu)、循環(huán)系統(tǒng)及制造工藝上采取改進(jìn)措施,但實際使用效果并不理想,某些煙道投產(chǎn)后三個月左右就會產(chǎn)生漏點,導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運行。近些年國內(nèi)也采用了超音速電弧噴涂的高新技術(shù)對煙道內(nèi)側(cè)進(jìn)行了保護(hù),實際使用時有一定的改善,效果不夠顯著。

在性能、成本、效率等全方位評估的基礎(chǔ)上,近些年采用材料表面合金堆焊技術(shù),在煙道的受熱管表面(煙氣流經(jīng)之處)進(jìn)行鎳基合金堆焊,使堆焊后的煙道比裸裝煙道提高了抗蝕性、耐磨性及耐高溫性,從而大幅度地提高產(chǎn)品的綜合性能。堆焊區(qū)域使用壽命可達(dá)五年左右,大大減少了停爐時間,也節(jié)約了維修和備件成本。

在一種金屬上堆焊另一種金屬,制作出勝于基體材料性能約2～3 mm厚的表面功能層,是很常見的工藝,但是要求較薄堆焊層的鎳基合金金屬堆焊卻難度較高,lnconel 625焊絲是鎳基合金焊絲,成分見表3。

表3 lnconel 625焊絲成分表 %

該焊絲黏度大、流動性差,對于要求堆焊層在一個很薄的范圍內(nèi)(1.8～2.5 mm)的堆焊工藝有一定的難度,尤其是在膜式壁鋼管-扁鋼曲面結(jié)構(gòu)的煙道表面堆焊,它要求堆焊層表面均勻、平滑,無裂紋、夾渣、氣孔、漏焊等缺陷,同時高Cr-Ni-Mo元素含量的lnconel 625焊絲由于連續(xù)堆焊焊縫溫度過高很容易產(chǎn)生熱裂紋,還會造成過大變形,而焊縫溫度過低又會產(chǎn)生冷裂紋。面對這些技術(shù)難題,工藝設(shè)計必須充分考慮,對堆焊部位的受熱管和聯(lián)箱采用合理的工藝措施,合理編制焊接工藝規(guī)程(WPS),以確保堆焊質(zhì)量達(dá)到要求。堆焊后的煙道見圖3。

圖3 堆焊后成品煙道內(nèi)壁示意

3)煙道非金屬補(bǔ)償器

該非金屬補(bǔ)償器是安裝在高溫段煙道之間,在焚燒爐正常生產(chǎn)時,用來保證煙道的氣密性,同時吸收煙道的熱位移;在焚燒爐或焚燒爐煙道檢修時可以快速便捷地將高溫段煙道分離。

非金屬補(bǔ)償器技術(shù)參數(shù):

煙道節(jié)圓直徑:1 850 mm ;

長度:～350 mm;

最大軸向伸縮量:70 mm;

橫向變形量:30mm;

主材:非金屬+不銹鋼。

1.2.5 余熱鍋爐計算

焚燒爐產(chǎn)生的煙氣首先經(jīng)過燃燒室,依次進(jìn)入高溫段煙道,過渡段、低溫段煙道,急冷塔,除塵系統(tǒng)等,最終排向大氣。為了保證鍋爐安全可靠,應(yīng)按設(shè)計工況進(jìn)行設(shè)計計算,可利用計算軟件多次迭代計算出符合要求的結(jié)果,據(jù)此進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計鍋爐本體結(jié)構(gòu)。余熱鍋爐熱力計算界面如圖4所示。

圖4 余熱鍋爐熱力計算

2 結(jié) 論

本文主要探討了危廢處理行業(yè)的余熱回收利用問題。該系統(tǒng)日常平均產(chǎn)汽量約3 t/h,按年工作300天計算,蒸汽除掉水、電等成本后價值約100元/t,每年可創(chuàng)造效益約300天×24 h ×3 t/小時×100 元/t=216萬元。而且該系統(tǒng)排煙溫度不大于500 ℃,可滿足后續(xù)處理系統(tǒng)的要求。由此可見,該鍋爐系統(tǒng)可有效地為危廢處理企業(yè)降本增效,具有一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。