垃圾焚燒電廠鍋爐優化設計措施

邱留良

(廣州環投永興集團股份有限公司，廣州 510475)

0 引 言

垃圾焚燒發電已經成為垃圾處理的主要方式，為了確保二期(垃圾焚燒爐：6×900 t/d 爐排焚燒爐，余熱鍋爐額定蒸發量97 t/h；汽輪發電機組：3×50 MW汽輪發電機組)垃圾焚燒發電廠能夠安全、高效、穩定的運行，總結一期(垃圾焚燒爐：6×750 t/d 爐排焚燒爐，余熱鍋爐額定蒸發量67.5 t/h；汽輪發電機組：4×25 MW汽輪發電機組)運行機組的經驗，對鍋爐進行優化設計，制定出合理的鍋爐設計方案，從源頭解決影響鍋爐長周期穩定運行的問題[1-2]。

1 鍋爐設計參數

某二期項目鍋爐設計參數詳見表1。

表1 鍋爐設計參數

2 防止高溫腐蝕措施

由于垃圾焚燒鍋爐的煙氣中含有許多氯化氫和氧化硫物質，需要注意受熱面的高溫腐蝕。采取如下措施：

(1)為防止局部燃燒引起高溫腐蝕，對必要的面積采用耐火材料涂覆處理。在第一煙道高溫區用耐火材料進行涂覆處理，同時在第一煙道上部及二煙道全部進行水冷壁鎳基合金堆焊，如圖1所示，堆焊面積約1 030 m2。

圖1 鍋爐堆焊區域示意圖

(2)考慮到過熱器的高溫腐蝕，將高溫過熱器布置在煙氣溫度較低的區域，在高溫過熱器前布置一組蒸發器，可有效控制進高溫過熱器的煙氣溫度，并且高溫過熱器采用了順流布置，盡可能地降低高溫過熱器的壁溫，從而有效地避免了高溫腐蝕，如圖2所示；合理布置爐膛及二三煙道的受熱面，設計足夠的面積，嚴格控制高過入口煙溫，不得超過650 ℃，防止煙溫太高而導致金屬壁溫過高。如圖2為高溫過熱器布置圖。

圖2 高溫過熱器布置圖

3 防止鍋爐堵灰結焦的措施

由于垃圾成分非常復雜，經過焚燒后的高溫煙氣中的粘覆物顆粒非常多，隨著煙氣的流動，在受熱面的迎風面非常容易形成粘性積灰，一定時間后，隨著積灰越來越厚，會形成“搭橋”現象，甚至出現全面堵死的情況，煙氣前后壓差非常大，煙氣溫度上升，加快受熱面的腐蝕，嚴重時會影響鍋爐安全運行，而導致被動停爐清灰，這是影響鍋爐運行周期的最主要因素，也是增加鍋爐運行成本的主要因素[5]。因此，如何防止上述現象發生，延長運行周期，降低運行成本，主要通過以下措施實現：

(1)在進入管束之前，使煙氣的流動以足夠的速度翻轉，盡可能地離心分離煙氣中的飛灰；保持足夠的煙道長度，使可燃氣體充分燃燒，且將煙氣降低到合適的溫度；

(2)受熱管的水循環保持良好狀態，管壁保持合適的溫度；對流受熱面必須保證足夠的管間距；在管束中，使煙氣流速保持合適的速度，防止因飛灰而引起的管道磨損和飛灰粘著.

(3)科學吹灰。鍋爐在第二、三煙道頂部設置了水力清灰，如圖3所示；同時在第二、三煙道左右兩側還設置了爐膛吹灰器(如圖4所示)，在水平煙道的蒸發器和過熱器區域均布置了長伸縮蒸汽清灰，在省煤器處設置了半伸縮吹灰器，使多種清灰設備交替/結合使用。二、三煙道清灰一直是垃圾爐的難題，二期項目采用的水浴噴淋清灰能夠很好的、有效的解決該問題，另外側墻設置了爐膛吹灰器，更確保了二、三煙道的清灰效果。水平煙道對流受熱面的工作煙溫較高，特別是蒸發器及高過，因此，采用了可靠性較高的長伸縮蒸汽吹灰，從而確保取得良好的清灰效果。在鍋爐尾部垂直通道的省煤器區域整體煙氣溫度較低，都在400 ℃以下，也避開了高溫腐蝕的危險區域，且此處的積灰都是較為松散的細灰，因此采用半伸縮式蒸汽吹灰，既能取得良好的清灰效果，也能保證設備長期可靠的運行。四套清灰系統結合的方式，發揮了各套清灰設備的長處，但同時又避免了各套清灰設備的短處，既能取得良好的清灰效果，又提高了清灰系統及鍋爐受熱面的可靠性。

圖3 水力清灰系統現場布置圖

圖4 爐膛吹灰器

4 鍋爐防磨措施

4.1 余熱鍋爐的防磨措施

出口煙道是余熱鍋爐上磨損較大的部位和區域，一方面通過優化結構，將煙氣的流速降下來，另一方面為防止煙氣直接沖刷設備，在相關的部位打耐磨澆注料，抓釘選用耐高溫的合金材料，且布置節距較小的抓釘或銷釘，提高強度，選用抓釘結構形式為可靠的一體式抓釘，而非焊接式或螺栓連接式，這樣能夠最大程度的提高金屬件的可靠性，在水冷壁區域的管子外壁用銷釘槍打上密集的銷釘，如圖5所示。由于受到管子的冷卻，銷釘的強度也大大提高，有效的防止了耐火防磨材料的脫落[6]。

圖5 水冷壁管外壁銷釘

4.2 吹灰區域的防磨措施

蒸汽吹灰長期使用會對對流受熱面管壁產生磨損減薄，因此各級過熱器、蒸發器、省煤器在做方案設計時，已經考慮了吹灰區域附件的防磨措施：一方面，在布置管屏時，避開吹灰器噴口位置，防止噴口直接噴射；另一方面，在噴口附近布置了防磨裝置，防磨裝置選用了316 L防磨護瓦，含有抗腐合金元素，如圖6為省煤器防磨瓦；再一方面，科學控制吹灰的頻次和力度，防止過度吹掃，這樣就能大大減少吹灰所帶來的管子磨損減薄問題，進而延長對流受熱面的使用壽命。

圖6 省煤器防磨瓦

4.3 選擇合理煙氣流速

煙氣與對流受熱面中工質的換熱有一個較佳的范圍，選擇合理的煙速，可以更經濟的布置受熱面，同時考慮到鍋爐的積灰、磨損等重要因素，一般選擇在4 m/s左右。如果設計的煙速過高，會導致本體阻力較大，且對受熱面有磨損，但是煙速過低，又會影響傳熱，因此選擇合適的煙氣流速對鍋爐的熱效率、運行周期、可靠性、穩定性和經濟性都非常重要。

5 防止鍋爐爆管泄露的措施

因為垃圾焚燒余熱鍋爐上焊口較多，爆管泄露也就成為余熱鍋爐穩定運行的潛在風險。一般地，無論是在鍋爐的調試階段，還是運行階段，都會或多或少地出現爆管泄露。如何杜絕或消除這種現象，主要通過以下措施：

(1)有關部件局部優化：連接管布置方向或角度的調整，直管連接優化為大R彎管連接或螺旋管連接；

(2)不同的溫度區間、不同的部件選用合適的材料，詳見表2；

表2 鍋爐主要部件材質清單

(3)汽水動力、兩相流分析，合理分配汽水流量、速度和溫度。

6 提高鍋爐熱效率措施

6.1 保證一次風熱風溫度的措施

垃圾焚燒鍋爐一次風的風溫是否達到預定設計值將直接影響垃圾焚燒的性能和燃燒效率，一次風溫至關重要。蒸汽空氣預熱器設計時，首先根據風量、加熱蒸汽的參數及要求達到的風溫進行了核算，選擇經濟合理的管間距和介質流速等，并考慮了換熱面的富余量，完全保證MCR工況的燃燒需求，在低負荷或是低熱值的情況下也有更好的保障。

6.2 焚燒爐前后二次風改進

從煙氣擾動、流場等方面，調整二次風的位置以及入爐噴射角，盡可能避免二次風對沖。優化后能夠更好的“鎖住”焚燒爐出口煙氣，穩定焚燒爐溫度場，也可使二次風和高溫煙氣充分擾動，增加煙氣停留時間，促進二次燃燒，從而能夠使二次風取得更佳的效果。

6.3 提高鍋爐熱效率和燃燼率的措施

煙氣中的可燃碳元素的高低，直接影響著鍋爐熱效率、燃燼率的高低，飛灰含碳量與多個因素有關，如燃料穩定性、燃燒穩定性、垃圾成分和波動、運行和控制等各方面。新進入廠的垃圾一般水分比較高，需要在垃圾坑中存放5～7 d，讓滲濾液盡可能的瀝干，特別需要注意的是，在堆放垃圾的過程中務必不能將新鮮的垃圾混入，盡可能的讓垃圾的水分維持在同一水平階段，減少垃圾成分的波動，這對于穩定燃燒極其重要[6]。另外，在爐排燃燒控制方面要做到連鎖反應、快速反應，盡可能的適應燃料的波動，減少波動帶來的影響；煙氣含氧量7%～10%，合理的空氣量能夠充分的燃盡煙氣當中的碳元素，降低CO的含量，提高鍋爐效率；穩定的含氧量需要控制好爐膛過量空氣系數，并控制好給料系統，盡量減少垃圾量和熱值的波動，這一點和以上燃料穩定性及良好的燃燒控制是密切相關的。

6.4 沼氣回噴系統

垃圾滲濾液處理工程厭氧階段產生沼氣，熱值較高，為此既可作為燃料利用，為響應國家節能環保的政策。將滲濾液厭氧處理過程中產生的沼氣經沼氣燃燒器送入焚燒爐內燃燒，每條焚燒線的沼氣回噴量按450 Nm3/h設計。

滲濾液處理站產生的沼氣通過管道引出，接入氣水分離器，經過氣水分離的沼氣，通過管道接入一套羅茨風機增壓設備，增壓后的沼氣管道分兩路。一路沼氣管道通過架空方式輸送到焚燒爐摻燒。另一路管道進入封閉式無焰火炬，在摻燒系統緊急/故障狀態下燃燒排放沼氣。燃燒器管路保護系統考慮側墻布置，沼氣總管從滲濾液處理站進入焚燒爐區域后，分成各分支管路分別進入燃燒器內噴入爐膛燃燒。表3為燃燒器設計參數。

表3 沼氣燃燒器技術參數

7 結束語

鍋爐是垃圾焚燒發電過程中最關鍵的設備，本文在總結一期運行經驗的基礎上，從防止高溫和低溫腐蝕、防止堵灰結焦、防磨減薄、防止爆管泄露、提高熱效率和延長運行周期等方面對二期項目鍋爐了設計優化分析。后續在工作中要不斷總結，不斷進行技術創新，促進垃圾焚燒發電廠設計水平不斷提升。