對垃圾焚燒爐過熱器節(jié)能改造的研究

文_姚冰 樂俊超

1.上海東石塘再生能源有限公司 2.上海環(huán)境集團(tuán)再生能源運營管理有限公司

1 垃圾焚燒爐的研究現(xiàn)狀及過熱器節(jié)能改造的意義

1.1 垃圾焚燒技術(shù)的研究現(xiàn)狀

垃圾焚燒技術(shù)，就是一種將垃圾中有機(jī)可燃物質(zhì)與氧氣接觸發(fā)生氧化還原反應(yīng)從而轉(zhuǎn)變?yōu)榛以⑴懦龅募夹g(shù)，這種技術(shù)在使用過程中會放出大量的熱并應(yīng)用到電力生產(chǎn)中，可有效地對垃圾進(jìn)行資源化、減量化處理。目前，我國使用的垃圾焚燒技術(shù)有流化床焚燒爐技術(shù)、回轉(zhuǎn)窯焚燒爐技術(shù)、垃圾熱解氣化焚燒爐技術(shù)以及機(jī)械爐排焚燒爐技術(shù)，這些技術(shù)都有相應(yīng)的優(yōu)勢和特點。

1.2 垃圾焚燒爐的應(yīng)用需求

垃圾焚燒爐是垃圾處理過程中非常重要的一類設(shè)備，在具體的應(yīng)用中，隨著焚燒規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，其應(yīng)用需求也不斷的嚴(yán)格。首先，要保證垃圾焚燒爐具有完整的焚燒爐結(jié)構(gòu)和性能。對于熱值不同的垃圾，需要不同的焚燒爐結(jié)構(gòu)才能夠有效提高燃燒效率。其次，要有完整的煙氣凈化系統(tǒng)，為了保證環(huán)境不受到干擾，需要對焚燒產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行處理和凈化，目前典型的煙氣處理工藝是半干法/干法脫酸/濕法脫酸+布袋除塵+選擇性/非選擇性催化脫硝工藝。最后是完善的檢測控制系統(tǒng)，目前國內(nèi)外的垃圾焚燒廠使用較為廣泛的控制系統(tǒng)是DCS控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠全面有效地控制工藝過程，并有較好的應(yīng)急能力。

1.3 垃圾焚燒爐過熱器節(jié)能改造的意義

在垃圾焚燒過程中，鍋爐高溫過熱器區(qū)域會逐漸結(jié)焦積灰，達(dá)到一定程度就會導(dǎo)致高溫過熱器區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重的堵塞現(xiàn)象，在長期吸熱不均勻的情況下會使得鍋爐過熱區(qū)域的溫度異常升高，導(dǎo)致過熱器管超溫?fù)p壞，給垃圾處理企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，需要對垃圾焚燒爐過熱器進(jìn)行節(jié)能改造，徹底解決結(jié)焦積灰問題，保障工作人員的安全和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 垃圾焚燒爐過熱器現(xiàn)有問題及影響因素

2.1 影響灰粒沉積的主要因素

所謂積灰，就是燃燒過程中產(chǎn)生的灰分不斷地發(fā)生形的變化以及輸送效果，而這也是過熱器出現(xiàn)堵塞的主要原因，而目前能夠影響灰粒沉積的因素包括有熱遷移、慣性撞擊、凝結(jié)、化學(xué)反應(yīng)。前兩種直接與固體顆粒相關(guān)，而后兩者則主要是與氣體有關(guān)。在熱遷移和慣性碰撞情況中，以10Lm 的顆粒為分界線。當(dāng)顆粒小于10Lm 時，主要是由于爐內(nèi)溫度梯度的存在而使小粒子從高溫區(qū)向低溫區(qū)移動，發(fā)生熱遷移。而對于大于10Lm 的顆粒來說，慣性撞擊時造成灰粒向受熱面的壁面輸送。當(dāng)含有灰粒氣流轉(zhuǎn)向時，具有較大慣性動量的灰粒離開氣流而撞擊到受熱面的壁面上。在凝結(jié)和化學(xué)反應(yīng)情況中，堿金屬、硫和氯元素以氣體的形態(tài)相互撞擊，并且發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而產(chǎn)物則凝結(jié)在飛灰顆粒和受熱面的壁面上，這些產(chǎn)物大多都是硫酸鹽或者氯化物，導(dǎo)致積灰層逐漸增厚，也就是凝結(jié)現(xiàn)象。

2.2 堿金屬的影響

在飛灰中，堿金屬很容易受到高溫而氣化，特別是一些水溶性的堿金屬化合物，而這些氣化的堿金屬化合物容易與揮發(fā)性的氯結(jié)合形成堿金屬氯化物。當(dāng)產(chǎn)生的煙氣中含有較多的硫，這些堿金屬氯化物將會與硫發(fā)生反應(yīng)，從而生成硫酸鹽，這些硫酸鹽在焚燒爐過熱器中受到高溫并積灰，并具有一定的粘性。比如硫酸鈉的熔點要低于硫酸鉀，所以其也是主要的凝結(jié)物質(zhì)，在凝結(jié)之后由于長時間與三氧化硫、氧化鐵等物質(zhì)接觸而導(dǎo)致其容易生成堿金屬復(fù)合硫酸鹽，這種鹽類的熔點要低于高溫對流受熱面的溫度，所以其呈現(xiàn)出熔融的形態(tài)，從而更具粘性，在管道表面進(jìn)行粘結(jié)。另外，如果一些已經(jīng)氣化的堿金屬在凝結(jié)的過程中會進(jìn)一步加大接觸面積，并且少部分會存在液相，這也使得飛灰之間有著較快的燒結(jié)。

2.3 高溫爆管現(xiàn)象研究

高溫過熱器區(qū)域堵塞如果過于嚴(yán)重會導(dǎo)致爆管現(xiàn)象，而過熱器的高溫段爆管后僅能夠進(jìn)行堵焊處理，而堵焊處理則會消耗有效管數(shù)，使得流通面積和換熱面積逐漸縮小，過熱器的壓差增大，蒸發(fā)量減小，嚴(yán)重?fù)p害了垃圾處理企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。目前，對于高溫爆管現(xiàn)象的直接原因是因為過熱器的高溫段底部彎頭有結(jié)晶物質(zhì)，這部分的結(jié)晶物質(zhì)使得熱阻增大，這也就使得其局部過熱，最終使得爆管現(xiàn)象。而出現(xiàn)大規(guī)模爆管的原因則比較復(fù)雜，包括有汽包內(nèi)旋風(fēng)分離器數(shù)量不足和分離效果不好導(dǎo)致飽和蒸汽含水量大、旋風(fēng)分離器法蘭連接處密封不足使?fàn)t水在過熱器管中蒸發(fā)致使鹽類堆積、水冷段受熱面積小使得過熱器入口煙氣溫度抬高、減溫器采用鍋爐用水，其含鹽量較大導(dǎo)致堆積等原因。

3 改造工藝設(shè)計

3.1 裝置改造研究

垃圾焚燒爐過熱器裝置的改造包括對過熱器下集箱、管排弧彎、水冷壁、機(jī)械打清灰、管組密封盒、管屏下聯(lián)箱疏水管、水平煙道、蒸發(fā)器和各級過熱器、省煤器等結(jié)構(gòu)或者裝置的改造，本文不做贅述。

3.2 煙氣工藝流程設(shè)計

在具有較高溫度的煙氣從燃燒爐進(jìn)入組合除塵器后，需要對其進(jìn)行分離工作，將大部分的粉塵清除后再進(jìn)入鍋爐的本體中，并且保證清除后的煙氣能夠按照一定的次序通過水冷段、蒸汽過熱器、蒸發(fā)管束、省煤器以及空氣預(yù)熱器，從而達(dá)到降低溫度的目的，一般在溫度降低至150℃左右就可以進(jìn)入除塵器。

3.3 汽水工藝流程設(shè)計

汽水的處理是非常重要的一項工藝。一般來說，汽水一般都是來自于除鹽水系統(tǒng)的除鹽水，通過水泵來增加壓力，并由此進(jìn)入熱力除氧器。在除氧之后，汽水將會經(jīng)過鍋爐加壓后的水泵，并分為三個部分。第一部分就是直接通過省煤器來進(jìn)入鍋筒，并且充當(dāng)鍋爐的補(bǔ)充水。第二部分則直接送入蒸汽過熱器的中部減溫帶，作為溫度調(diào)節(jié)劑來調(diào)節(jié)蒸汽過熱器中的蒸汽溫度。在鍋筒中，爐水將直接通過下降管輸送到對流管束下部集箱和水冷段下部集箱以及燃燒爐水冷組件下集箱。經(jīng)過加熱后，爐水將上升到鍋筒中，而鍋筒中的飽和蒸汽則通過分離裝置進(jìn)入蒸汽過熱器，進(jìn)入汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電或供給熱用戶使用。

3.4 過熱器爆管問題應(yīng)對策略

過熱器爆管問題主要是由結(jié)焦和積灰導(dǎo)致。目前需要采取措施有爐膛溫度控制、焚燒爐的熱負(fù)荷和蒸發(fā)量控制、風(fēng)量和風(fēng)溫控制、清灰措施控制、入爐垃圾熱值穩(wěn)定性控制、爐膛出口負(fù)壓控制、煙氣攜帶飛灰量減小措施、清焦措施優(yōu)化、使用清灰除焦劑等。本文主要探討垃圾焚燒器過熱器改造策略，下面主要對設(shè)備改造和清灰除焦劑進(jìn)行研究。

3.4.1 一次風(fēng)溫調(diào)整

提高一次風(fēng)溫可以有效地加強(qiáng)干燥效果，并避免風(fēng)溫隨汽機(jī)負(fù)荷大幅度變動的情況，這可以通過在一抽雙減出門口前引一個單獨蒸汽接到空預(yù)器母管門后，從而使得其作為空預(yù)器一級單獨供氣，達(dá)到提高一次風(fēng)溫的效果。一次風(fēng)溫提高可有效減少一次風(fēng)量的使用，降低爐膛內(nèi)飛灰產(chǎn)生，從而間接減少過熱器處的飛灰積聚。

3.4.2 吹灰器的選擇

焚燒爐過熱器吹灰方式有蒸汽吹灰、激波吹灰、聲波清灰、機(jī)械振打清灰等多種方式。利用多種清灰方式相結(jié)合的方法，可有效去除熱器管壁附著的飛灰，降低飛灰結(jié)塊的幾率，防止堵塞煙氣通廊。同時可在相應(yīng)的吹灰效果下減少吹灰器管道的維護(hù)量，從而達(dá)到更好的機(jī)組效率。

3.4.3 清灰除焦劑

本文對清灰除焦劑的討論主要在于堿金屬脫除劑。國內(nèi)外對于堿金屬脫除劑的研究眾多，比如說在1988 年就有學(xué)者針對于澳大利亞低品質(zhì)煤在燃燒時加入某些試劑來達(dá)到減小積灰情況進(jìn)行研究。而當(dāng)時的研究表明，高嶺土、白云石、粗砂、很細(xì)的礬土等添加劑都可以有效地降低其燒結(jié)強(qiáng)度。而在國內(nèi)，通過對高溫?zé)煔饽M實驗的研究可以得到，通過活性礬土、二氧化硅、硅藻土、煤灰等在高溫下都有一定的堿金屬脫除效果，而在后續(xù)實驗中得出了高嶺土的堿金屬容量更好的結(jié)論。目前，眾多研究表面堿金屬脫除劑的效果與吸附劑的化學(xué)成分、吸附劑的孔結(jié)構(gòu)等都有非常緊密的關(guān)系，目前清灰除焦劑在國內(nèi)部分企業(yè)針對爐膛及過熱器清焦清灰，已經(jīng)進(jìn)行使用。

4 效果評價

通過上述改造，可以使焚燒爐各部分煙氣側(cè)壓差會有相應(yīng)的降低，煙氣的流動更加流暢，煙氣的阻力減小，降低管排和管排之間積灰的可能性。

在經(jīng)濟(jì)方面，通過對堿金屬的有效脫出，焚燒爐過熱器能夠減輕積灰，延長設(shè)備的運行時間，減少非計劃停爐檢修，可為垃圾處理企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

過熱器結(jié)焦積灰是垃圾處理企業(yè)經(jīng)常遇到的運行問題，會導(dǎo)致非停增加、降低運行效率，增加運行廠用電等問題，增加企業(yè)運行成本，嚴(yán)重者會造成設(shè)備損毀等事故危及企業(yè)安全運行，因此必須對垃圾焚燒過熱器進(jìn)行研究和優(yōu)化。本文即以此為核心進(jìn)行了探討，希望能夠?qū)τ嘘P(guān)人員提供參考。