高參數垃圾焚燒余熱鍋爐技術問題分析

(廣州環投設計研究院有限公司，廣州 510220)

0 引 言

我國城鎮化進程帶動了固廢行業的快速發展，發展初期無害化處理技術相對落后，固廢的處理還是以衛生填埋技術為主，但是垃圾產生量的持續增長和土地資源的日益匱乏對垃圾處理提出了減量化的更高要求。垃圾焚燒相對其它末端處理技術優勢明顯，具有處理周期短、占地面積小、減量化程度高、資源利用率高、二次污染小等優勢。為了鼓勵垃圾焚燒處理，國家頻頻發布垃圾處理政策，比如垃圾處理服務費的相關補貼政策，尤其是《國家發展改革委關于完善垃圾焚燒發電價格政策的通知》(發改價格【2012】801號)，正式明確了垃圾焚燒發電的電價補貼細則，使得垃圾焚燒發電投資熱度處于較高的水平。

但是，近年來隨著城市垃圾熱值的提高和垃圾處理費的降低，很多垃圾焚燒廠鍋爐容量無法滿足垃圾焚燒量的要求；環保排放指標越來越嚴，煙氣凈化系統投資及運行成本增加；根據其他政府扶持行業(光伏、新能源汽車等)的發展經驗，垃圾焚燒發電上網補貼取消將成為趨勢；垃圾焚燒市場從一二線城市向三四線城市擴張，市場競爭愈發激烈。在此種環境下，垃圾焚燒企業只有通過提高垃圾發電效率的方式來提高整體經濟性。提高垃圾焚燒發電效率的主要方式有提高鍋爐主蒸汽參數、降低廠用電率等，其中提高鍋爐主蒸汽參數可以取得顯著效果，高參數垃圾焚燒發電技術是未來發展的必然趨勢。

1 高溫腐蝕

高溫腐蝕是選擇主蒸汽溫度時主要考慮的問題。由于垃圾焚燒鍋爐中的高溫腐蝕主要由HCl引起，且發生部位主要在管壁溫度最高的過熱器段，根據高溫氯腐蝕曲線，當溫度超過500 ℃后，因氯化鐵或堿鐵硫酸鹽的分解而引起的過熱器管壁高溫腐蝕加劇，到了650 ℃左右，腐蝕速度達到最大值，因此要嚴格控制過熱器入口煙溫在650 ℃以下。主蒸汽溫度的提高導致過熱器溫壓降低，過熱器面積增加，同時為了提高材料的抗腐蝕性能需要選用耐熱耐腐蝕的優質合金鋼材料(12Cr1MoVG等)，甚至在部分過熱器采用鎳基管或合金鋼鎳基堆焊技術來延長管壁的使用壽命，這些設計提高了設備投資成本。

有研究表明，垃圾焚燒過程中硫的存在可以減輕高溫氯腐蝕[1]。氣態的SO2、SO3與堿金屬氯化物發生反應，生成薄而致密的堿金屬硫酸鹽覆蓋在金屬表面，阻礙了HCl和Cl2的擴散。因此，可選擇在垃圾中添加含硫化合物如硫酸銨，或其他能捕捉金屬氯化物的化合物，以減少管壁表面的氯離子濃度。

另外，垃圾分類對垃圾進行減量化處理，提高了垃圾熱值，使得入爐垃圾成分均勻，降低氯元素在入爐垃圾中的含量，可以減輕高溫氯腐蝕，同時減少二噁英的排放。

2 水循環

飽和水溫度的提高影響鍋爐的水循環，循環倍率是衡量鍋爐水循環安全性的重要指標。循環倍率過低，則汽水混合物含汽量提高，管壁表面形成很薄的水膜，當管壁水膜被蒸干，形成第二類沸騰傳熱惡化。循環倍率過高，上升管工質平均密度增大，循環回路運動壓頭減小，使循環流速降低，蒸汽量產量不夠。如果保持循環倍率不變，飽和水溫度的提高要求增加管壁熱負荷以維持汽水轉化比率，但是熱負荷的提高對于管壁材料的耐熱性能也有更高要求。局部過高的熱負荷容易導致管壁內的第一類沸騰傳熱惡化，或膜態沸騰，使得管壁傳熱系數急劇下降，壁溫飛升，可能超過金屬材料的極限允許溫度，縮短金屬材料使用壽命。

另外，垃圾焚燒產生的煙氣中含有大量HCl、SOX、NOX等酸性氣體，其對水冷壁管材長期的沖刷、磨損、腐蝕，容易導致水冷壁泄漏、爆管，破壞正常水循環，造成事故停爐。主要防護措施有，選用更高等級水冷壁材質，提高受壓管壁厚度，改善其機械性能；管壁敷設耐火澆注料(碳化硅等)，避免煙氣對管壁的直接沖刷，保護管壁，還能使煙氣溫度緩慢下降，延長煙氣在850 ℃以上的停留時間，減少二噁英的生成；管壁外表面采用堆焊處理，減輕高溫腐蝕，但是成本高昂，需要根據具體鍋爐參數和經濟性確定堆焊的合理區域；通過各級爐排以及一、二次風量的調整和配合，使垃圾充分燃燒，熱負荷分布均勻，避免水冷壁出現局部過高溫度。

3 鍋爐積灰

鍋爐積灰屬于垃圾焚燒鍋爐里的共性問題，對于高參數垃圾焚燒余熱鍋爐而言，解決鍋爐積灰的問題，對于鍋爐的安全穩定運行具有重要意義。鍋爐的積灰問題發生在鍋爐各受熱面，影響受熱面的傳熱效率，使鍋爐排煙溫度上升，熱效率下降。對于鍋爐來說，嚴重的鍋爐積灰、結焦最終導致管壁腐蝕、爆管等事故。而焚燒爐內煙氣溫度高于1 000 ℃，形成的焦塊體積較大，粘結在爐墻上，長期不清容易導致當焦塊重量超過爐墻所能承受的負荷時，爐墻變形甚至坍塌的后果，帶來巨大的經濟損失，需要特別注意。

影響鍋爐積灰的因素，主要有以下幾點：

(1)飛灰成分

垃圾焚燒飛灰中Si、Ca、Al、Na、Cl等元素含量較高，主要由含鈉鈣長石、鈉長石、石英及大量非晶態物質構成，鈣長石在加熱過程中易與其他物質形成低溫共融化合物(熔點1200℃左右)，飛灰熔融溫度低易導致受熱面積灰結渣。

(2)煙氣溫度

當煙氣溫度高于飛灰的軟化溫度時，焚燒爐爐墻上將吸附大量具有較強粘聚性的灰渣，這些灰渣的吸附量隨著溫度的升高不斷增多，發展成為熔渣，最終形成結焦現象。

(3)還原性氣氛

當水冷壁區域CO含量高時，煙氣處于強還原性氣氛，同時存在大量H2S等氣體，易造成高溫腐蝕現象。同時在還原性氣氛下，灰熔點下降，更易產生積灰和結焦現象。

(4)滲濾液回噴工藝

垃圾滲濾液，在高溫條件下升華，形成硫酸鹽、氯化物的蒸汽，隨煙氣流入二、三通道，然后冷凝在高溫受熱面上，與受熱面、積灰、高溫煙氣相互作用，加劇了積灰程度以及腐蝕速率。

針對鍋爐積灰的防護措施有：鍋爐設計階段控制各通道煙氣流速、煙氣溫度不能太高，保持適當的管壁、管屏間距，防止大量飛灰被煙氣攜帶到過熱器，造成過熱器的積灰、板結；爐墻采用水冷、風冷等有效冷卻手段帶走熱量，輔以保溫性能良好的耐火澆注料保護；控制風量、風溫，使火焰燃燒中心位于二、三級爐排間，保證垃圾充分燃燒，避免還原性氣氛的產生；二、三通道和水平煙道采用蒸汽吹灰、水力吹灰、脈沖吹灰等吹灰手段；保證滲濾液噴槍的霧化效果，控制滲濾液的回噴量。

4 再熱循環

對于高參數的機組，采用再熱循環工藝可以提高吸熱平均溫度，提高機組熱效率，降低汽輪機的排汽濕度，降低汽輪機葉片產生水蝕的風險。蒸汽的再熱方式有煙氣再熱和汽包再熱。煙氣再熱屬于內置式，再熱冷段蒸汽管道從汽機高壓缸的排汽口引出，進入鍋爐對流受熱面進行再次加熱，再熱后的汽溫接近主蒸汽溫度，進入汽機中壓缸再次做功。此法熱經濟性較高，但是管道壓損大，為了保護再熱器需要增加旁路系統，系統復雜，投資較高。汽包再熱屬于外置式，來自汽輪機高壓缸的再熱冷段蒸汽進入汽包加熱，優點是管道壓損小，系統簡單，調節方便，投資較小。但是汽包的飽和蒸汽溫度相對較低，汽包出口的再熱蒸汽溫度也低，且消耗掉了一部分汽包飽和蒸汽，相對煙氣再熱的方式熱經濟性不好。

采用煙氣再熱的方式，省煤器和蒸發器吸熱比例減小，對流受熱面(過熱器、再熱器)吸熱比例增加，對流受熱面進口煙溫升高較多，需考慮對流受熱面的安全性。高溫過熱器和再熱器中蒸汽溫度較高同時所處區域煙溫較高，需要特別考慮防高溫腐蝕措施以及再熱器的布置問題，需要對高溫環境下不同材料(如碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鋼管表面堆焊鎳基、鎳基管等)的耐腐蝕性能開展研究，確定高溫過熱器、再熱器材質，提出最優的高溫防腐方案。

5 經濟性

以垃圾處理規模3 000 t/d(設計選用4×750 t/d垃圾焚燒爐、3×25 MW汽輪發電機組)為例進行比較。蒸汽參數分別為中溫中壓(4.0 MPa、400 ℃)、中溫次高壓(6.4 MPa、450 ℃)、中溫次高壓帶再熱(6.4 MPa，450 ℃/1.233 MPa，450 ℃)、高溫高壓(10.0 MPa、540 ℃)。設定年度垃圾發電時間為8 000 h，廠用電損耗率15%，發電價格按照2012年國家垃圾發電補貼細則計算見表1。

表1 高參數和中參數垃圾焚燒工藝經濟性對比

采用高參數垃圾焚燒余熱鍋爐技術可以提高垃圾焚燒發電機組的整體效率，提高噸垃圾發電量，是提高垃圾焚燒電廠經濟效益的有效手段。但不可忽視的是，高參數技術現階段還不成熟，有運行和維護成本增加的風險。

6 結束語

隨著城市垃圾熱值的提高和垃圾處理費的降低，高參數余熱鍋爐技術可以提高垃圾發電效率，提高垃圾發電企業的整體經濟性，是未來的發展方向，但是需要思考和解決提高主蒸汽參數給鍋爐設備帶來的以下問題：

(1)嚴格控制過熱器入口煙溫在650℃以下，避免高溫腐蝕最劇烈區域，同時可采用提高過熱器材質等級、堆焊等手段延長過熱器使用壽命；

(2)保持垃圾穩定燃燒，保證爐膛熱負荷均勻，對水冷壁進行耐火澆注料、堆焊保護，維持正常的水循環；

(3)控制煙氣流速，減少煙氣進入后部煙道攜帶飛灰，控制煙氣溫度，減少熔渣的產生，采用鍋爐吹灰器減少受熱面積灰，保持良好的傳熱性能；

(4)采用煙氣再熱方式需要注意對流受熱面的腐蝕和布置問題，以及再熱蒸汽在多臺鍋爐間的分配問題。