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(guó)城市化發(fā)展腳步的不斷加快，城市生活垃圾越來(lái)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(huì)問(wèn)題。因此，處理城市生活垃圾迫在眉睫。常見(jiàn)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(guó)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(jìn)行垃圾焚燒的同時(shí)，結(jié)焦問(wèn)題也隨之產(chǎn)生，隨著結(jié)焦范圍的不斷擴(kuò)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(duì)垃圾發(fā)電廠的安全性以及經(jīng)濟(jì)效益造成了很大的影響，因此對(duì)鍋爐結(jié)焦原因展開(kāi)分析并進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造升級(jí)顯得至關(guān)重要。

本文針對(duì)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(duì)焚燒爐爐拱和二次風(fēng)布置進(jìn)行了升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)了鍋爐安全、穩(wěn)定和高效的運(yùn)行。

1 工程概況

某垃圾發(fā)電廠一期項(xiàng)目工程的日處理垃圾能力為400 t，焚燒爐采用順推式機(jī)械爐排爐，垃圾設(shè)計(jì)熱值為6 280 kJ/kg，爐排熱負(fù)荷(MCR)為456 kW/m2，爐排機(jī)械負(fù)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?zé)煔饨?jīng)過(guò)爐膛三通道后依次經(jīng)過(guò)高溫蒸發(fā)器、高溫過(guò)熱器、中溫過(guò)熱器、低溫過(guò)熱器、低溫蒸發(fā)器和省煤器后進(jìn)入尾部煙氣凈化裝置，處理達(dá)標(biāo)后經(jīng)煙囪排出。

在實(shí)際運(yùn)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(shí)，會(huì)聚集大塊焦塊掉落砸至爐排，影響爐排片壽命，情況嚴(yán)重時(shí)，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(yùn)行。隨著時(shí)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(diǎn)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(diǎn)，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(guò)程中煙氣溫度和組分波動(dòng)較大，因此焚燒過(guò)程中發(fā)生的結(jié)渣比一般燃料燃燒過(guò)程中更復(fù)雜。從垃圾飛灰的實(shí)際的灰熔融特性來(lái)看，其變形、軟化和熔融溫度明顯低于粉煤灰的溫度，可以說(shuō)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(diǎn)。

2.2 運(yùn)行時(shí)爐膛溫度控制

根據(jù)《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18485—2014)要求，垃圾焚燒爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠诖笥?50 ℃條件下滯留時(shí)間不小于2 s。因此在實(shí)際運(yùn)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(dá)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(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，由于溫度測(cè)點(diǎn)掛焦和掛灰等原因，溫度測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確性存在一定的偏差，DCS畫(huà)面顯示的爐膛測(cè)點(diǎn)溫度較實(shí)際溫度偏低。按照標(biāo)準(zhǔn)，爐膛相同截面的四個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)保持50 ℃左右的溫差[3]，而在實(shí)際運(yùn)行中遠(yuǎn)超過(guò)此值，甚至超過(guò)100 ℃，而且測(cè)量爐膛高溫區(qū)域的熱電偶損壞比較頻繁，對(duì)爐膛溫度的準(zhǔn)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(jì)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(duì)進(jìn)入爐膛一二段爐排上的新鮮垃圾進(jìn)行有效的干燥，爐膛設(shè)計(jì)了帶折焰角的后拱。在鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，高溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)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(lái)，多數(shù)是沿著爐墻壁向下流動(dòng)，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(jiān)固密實(shí)的焦塊。

2.4 鍋爐運(yùn)行中配風(fēng)調(diào)整的影響

過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)垃圾燃燒狀況影響很大，供給適當(dāng)?shù)倪^(guò)量空氣是垃圾完全燃燒的必要條件。實(shí)際運(yùn)行中，送風(fēng)量明顯小于鍋爐運(yùn)行所需量，二次風(fēng)量過(guò)小，從而造成鍋爐的氧量過(guò)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(wú)機(jī)物灰渣熔點(diǎn)更為降低，而達(dá)到熔融狀態(tài)。

3 避免和減緩鍋爐結(jié)焦的針對(duì)性措施

針對(duì)以上幾種爐膛結(jié)焦現(xiàn)象的原因分析，對(duì)此爐膛進(jìn)行技術(shù)改造升級(jí)，可緩解鍋爐結(jié)焦問(wèn)題，保證鍋爐的正常運(yùn)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(hù)

鍋爐測(cè)點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)是運(yùn)行人員對(duì)鍋爐運(yùn)行工況好壞判斷并進(jìn)行調(diào)節(jié)的重要依據(jù)，因此必須保證鍋爐測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確性。而影響結(jié)焦的主要因素之一的垃圾灰份低熔點(diǎn)的特點(diǎn)是無(wú)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(zhǔn)確與否至關(guān)重要。因此停爐后，對(duì)各個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢查，徹底清理測(cè)點(diǎn)上的掛灰、掛焦，對(duì)損壞的溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)更換，并對(duì)鍋爐積灰和結(jié)焦的清理力求徹底。

3.2 鍋爐運(yùn)行調(diào)整

在鍋爐運(yùn)行中，經(jīng)常會(huì)超負(fù)荷運(yùn)行。長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致焚燒爐內(nèi)的單位容積熱負(fù)荷增加，爐膛溫度升高，易使飛灰的達(dá)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(jī)理以及垃圾焚燒發(fā)電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，溫度對(duì)鍋爐結(jié)焦起到至關(guān)重要的作用，正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)控制焚燒爐出口平均溫度不超過(guò)1 050 ℃，同時(shí)調(diào)節(jié)爐墻冷卻風(fēng)量，使?fàn)t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(shí)調(diào)整運(yùn)行方式，改進(jìn)燃燒措施，包括風(fēng)量、風(fēng)溫的調(diào)整，負(fù)荷的調(diào)整等來(lái)增加煙氣在爐膛停留時(shí)間，滿足灰渣的熱灼減率≤3%。同時(shí)，需合理配風(fēng)、控制氧量在適合范圍。一次風(fēng)與二次風(fēng)按7∶3進(jìn)行配比，維持氧量在6%～8%。改造時(shí)在后拱增加了一排二次風(fēng)噴嘴，加強(qiáng)了爐內(nèi)煙氣的擾動(dòng)，并對(duì)改造后的爐膛進(jìn)行了CFD模擬，改造前后溫度場(chǎng)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(chǎng)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(fēng)后可以改善流場(chǎng)，消除原來(lái)的低速回流區(qū)。

(3)由于后墻二次風(fēng)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(dá)到設(shè)計(jì)熱負(fù)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(hù)板，增大傾斜角度，重新焊接前拱連接護(hù)板；切除后拱的折焰角，重新焊接后拱連接護(hù)板，并對(duì)側(cè)墻進(jìn)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(fù)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(shí)觀測(cè)爐內(nèi)結(jié)焦情況，對(duì)于輕微的結(jié)焦可以及時(shí)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(guò)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?jī)蓚?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(shí)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(duì)流管束受熱面增加如圖6所示。

圖6 對(duì)流管束受熱面增加

4 改造效果及經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 改造效果

爐膛改造以后，容積熱負(fù)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(fù)荷下過(guò)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(duì)料層燃燒、爐溫控制、煙氣污染物達(dá)標(biāo)排放無(wú)不良影響，對(duì)爐膛喉口部位前后拱處結(jié)焦情況有顯著改善，鍋爐實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。運(yùn)行6個(gè)月后進(jìn)行計(jì)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(jì)性分析

(1)燃油成本(一次啟停爐的成本)。

停爐：折合全功率開(kāi)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(kāi)啟啟燃4 h，燃油0.85 t/h，全功率開(kāi)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(wàn)元/t≈13萬(wàn)元。

發(fā)電收益(單次停爐按4天計(jì)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(jì)算，1 kW·h電費(fèi)按照0.65元計(jì)算，垃圾處理費(fèi)按照60元/t 計(jì)算：

發(fā)電收益：450 kW·h/t×0.65 元/kW·h×1 300 t÷10 000≈38萬(wàn)元

垃圾處理費(fèi)：1 300 t×60 元/t÷10 000≈8萬(wàn)元

停爐人工清焦成本：約5萬(wàn)元

總計(jì)節(jié)約成本：13 萬(wàn)元+38 萬(wàn)元+8 萬(wàn)元+5萬(wàn)元=64萬(wàn)元

(2)在線清焦的費(fèi)用。

折合全功率開(kāi)啟輔燃3 h，燃油1.5 t/h，燃油費(fèi)：3 h×1.5 t/h×0.9萬(wàn)元/t≈4萬(wàn)元

一年在線清焦的費(fèi)用：4 萬(wàn)元×10=40萬(wàn)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(jì)算，則改造后一年可以節(jié)約成本64 萬(wàn)元×2+40 萬(wàn)元=168萬(wàn)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(wàn)t，年垃圾處理費(fèi)增收9.5%，每天多發(fā)電1.3萬(wàn)kW·h，年發(fā)電增加約433萬(wàn)kW·h，年售電收入增加約9.8%。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，垃圾焚燒爐結(jié)焦積灰是受灰渣熔點(diǎn)特性、爐膛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行溫度和配風(fēng)量控制等因素影響造成的。隨著國(guó)內(nèi)生活垃圾分類的逐步推進(jìn)和完善，未來(lái)生活垃圾熱值將會(huì)持續(xù)提高。可以預(yù)見(jiàn)，國(guó)內(nèi)大部分生活垃圾焚燒項(xiàng)目將會(huì)迎來(lái)改造熱潮，希望本文能對(duì)今后城市垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的改造提供借鑒和指導(dǎo)。