垃圾焚燒發電余熱鍋爐設計額定負荷影響因素研究

謝 軍

(上海康恒環境股份有限公司，上海 201703)

近年來，垃圾焚燒發電由于“減量化、無害化、資源化”的優勢，逐步取代垃圾填埋，成為處置生活垃圾的最佳方式[1]。垃圾焚燒發電廠主要目的是處理垃圾并利用廢熱發電，余熱鍋爐位于垃圾焚燒爐排爐上方，主要目的是回收垃圾焚燒高溫煙氣熱量并通過汽輪發電機組轉化為電能。

垃圾焚燒余熱鍋爐負荷范圍的選取將直接影響鍋爐的投資成本、運行穩定性、安全性及經濟性。目前，國內生活垃圾焚燒余熱鍋爐的設計選型、運行指導及性能評價一般按照爐排爐的額定負荷及運行范圍進行；但由于余熱鍋爐和爐排爐的影響因素和響應特性不同，兩者的運行范圍存在差異。筆者以某機械式爐排爐及配套余熱鍋爐為研究對象，該爐膛燃燒室前后拱為水冷壁、兩側為護板結構，其中燃燒爐排側墻布置空冷墻。配套余熱鍋爐為單鍋筒、自然循環蒸汽鍋爐、臥式布置。煙氣流程為：爐排爐出口→第一通道→第二通道→第三通道→蒸發器一段→高溫過熱器→中溫過熱器→低溫過熱器→省煤器。筆者結合理論計算和數值模擬等方法，繪制不同參數過熱器特性圖，并總結出在不同的垃圾低位熱值、處理規模和蒸汽參數條件下，余熱鍋爐額定負荷及運行范圍。

1 余熱鍋爐傳熱方式

1.1 輻射傳熱量

在第一、二、三通道的受熱面均為膜式水冷壁結構，由于高溫煙氣的流速較低，主要以吸收高溫煙氣的輻射傳熱量為主，高溫煙氣與受熱面間的輻射傳熱方程[2]為：

(1)

式中：Qf為輻射傳熱量，kJ/h；εl為爐膛黑度；Fl為輻射傳熱面積，m2；Ψ為水冷壁角系數；σ0為斯忒藩-玻耳茲曼常數，σ0=5.67×10-11kW/(m2·K4)；Th、Tb分別為火焰有效溫度、爐壁溫度，K；φ為保熱系數；qm,lj為垃圾焚燒處理質量流量，t/h；clj為燃燒產物從絕熱溫度Ta變化到爐膛出口溫度Tl時的平均比熱容，kJ/(kg·K)。

由式(1)可知：影響輻射傳熱的主要因素有爐膛黑度、輻射傳熱面積及火焰溫度等。隨著爐排負荷的增加，爐排爐出口煙氣溫度升高，余熱鍋爐輸入熱量增加，若輻射傳熱面積不變，第三通道出口煙溫升高，則過熱器入口煙溫也隨之升高。

1.2 對流傳熱量

在第四通道布置蒸發器、過熱器和省煤器，主要傳熱方式為對流傳熱，對流傳熱計算公式為：

Qd=K·A·Δt

(2)

式中：Qd為對流傳熱量，kJ/h；K為對流傳熱系數，W/(m2·K)；A為對流傳熱面積，m2；Δt為對數平均溫差，K。

由式(2)可知：對流傳熱量主要取決于對流傳熱面積、傳熱系數及溫差。假設傳熱系數不變，對流傳熱量主要受溫差和傳熱面積的影響。

在對流傳熱受熱面中，由于過熱蒸汽吸熱能力差、具有熱偏差及存在高溫腐蝕的問題，過熱器的工作環境較差，而過熱器的工作性能是影響鍋爐安全運行的關鍵因素。隨主蒸汽溫度和壓力的提高，將飽和蒸汽加熱到過熱蒸汽所需的傳熱量增加，若過熱器入口煙氣溫度不變，傳熱量增加，導致過熱器煙氣側出口溫度降低，溫差減小，則須要大幅度地增加過熱器面積；若提高過熱器入口溫度，則面臨過熱器高溫腐蝕的問題。

1.3 工質吸熱量

過熱器工質吸熱量Qxr取決于負荷和減溫水質量流量，其計算公式為：

Qxr=qm,gz(hgr-hbh)+qm,jw(hgr-hjw)

(3)

式中：qm,gz為工質質量流量，t/h；qm,jw為減溫水質量流量，t/h；hgr、hbh、hjw分別為過熱蒸汽、飽和蒸汽和減溫水的比焓，kJ/kg。

由式(3)可知：負荷越高、過熱蒸汽質量流量越大、減溫水質量流量越大，過熱器所需吸熱量越大。而過熱器與煙氣間傳熱量取決于溫差和傳熱系數。過熱器入口煙氣溫度隨著負荷降低而降低，同時輻射傳熱系數和溫差隨著入口煙溫降低而降低。負荷降低時，平均煙氣流速降低，對流傳熱系數也隨之降低。

2 主蒸汽參數對鍋爐負荷的影響

過熱器為余熱鍋爐故障率最高的部件之一，因此可采用過熱器傳熱特性圖來反映鍋爐運行范圍。

2.1 主蒸汽參數對鍋爐負荷的影響

垃圾中含有氯、硫及堿金屬元素等，燃燒后容易造成氯、硫化合氣體腐蝕和低熔點堿金屬鹽熔融腐蝕。KAWAHARA Y等[3-4]的研究表明：煙氣中含氯量、煙氣溫度、管壁溫度和管壁積灰程度共同決定管子的腐蝕速度，煙氣中含氯量越高、煙氣溫度越高、管壁溫度越高、積灰越嚴重，管子的腐蝕速度越快。目前，高溫脫氯技術尚不成熟，因此余熱鍋爐防腐蝕主要從控制煙氣溫度、有效清灰和采用耐腐蝕材料等方面著手。從高溫過熱器腐蝕角度，主蒸汽溫度越高，在設計階段和運行階段，高溫過熱器入口煙氣溫度控制值(允許最高值)越低[5-6]。

2.2 主蒸汽參數與過熱器傳熱特性

余熱鍋爐過熱器布置在350～650 ℃煙道處，煙氣設計流速較低，傳熱系數較小，而過熱器傳熱特性取決于溫差和有效面積。在設計階段，假定高溫過熱器為順流布置，傳熱系數不變，以主蒸汽參數為4.0 MPa、400 ℃且入口煙氣溫度為650 ℃時所需傳熱面積為基準傳熱面積(相對傳熱面積=某一負荷下所需傳熱面積/基準傳熱面積)，得到不同主蒸汽參數下高溫過熱器面積與入口煙氣溫度的關系(見圖1)。

由圖1可知：在設計階段，高溫過熱器傳熱面積隨著入口煙氣溫度升高而減小；入口煙氣溫度相同時，主蒸汽溫度越高，高溫過熱器所需面積越多；主蒸汽溫度越高，高溫過熱器面積隨入口煙氣溫度變化幅度越大。

在運行階段，過熱器面積一定，過熱器傳熱特性主要取決于溫差，入口煙氣溫度越高，溫差越大，則過熱器吸熱量增加。不同主蒸汽參數下高溫過熱器的相對熱量與入口煙氣溫度的關系見圖2，以主蒸汽參數為4.0 MPa、400 ℃且入口煙氣溫度為650 ℃時吸熱量為基準熱量(相對熱量=某一負荷下的熱量/基準熱量)。

圖2 運行階段入口煙氣溫度對高溫過熱器吸熱量影響

由圖2可知：高溫過熱器吸熱量隨入口煙氣溫度升高而升高，并且主蒸汽溫度越高吸熱量增加幅度越大。高溫過熱器入口煙氣溫度選擇過低會導致過熱器面積大幅度提高，增加初期設備投資；另一方面，鍋爐運行一段時間后有會不同程度的結焦和積灰，造成高溫過熱器入口煙氣溫度上升，高溫過熱器吸熱量顯著上升，容易出現汽溫超溫。

2.3 不同主蒸汽參數時鍋爐運行范圍

爐排額定負荷工況(MCR工況)是指在垃圾設計低位熱值條件下，處理量達到設計值、熱灼減率合格，并且鍋爐保持連續穩定運行的工況。

不同主蒸汽參數時的余熱鍋爐過熱器特性曲線見圖3，AC段和DH段分別是減溫水量最大(15%額定蒸發量，以質量流量計算)和無減溫水時過熱器所需吸熱量，A-C-D-H-A區域為不同負荷下過熱器所需吸熱量；曲線I-G-M-J-K為不同負荷下過熱器與煙氣之間傳熱量；M點為MCR工況。由圖3可知：IG段傳熱量低于所需吸熱量，無法把蒸汽加熱到額定參數，降低了汽輪發電機組熱效率；JK段傳熱量遠高于所需吸熱量，過熱器容易發生超溫和腐蝕爆管。

圖3 不同主蒸汽參數時的過熱器特性曲線

不同主蒸汽參數時的余熱鍋爐建議運行負荷見表1。

表1 余熱鍋爐經濟運行負荷范圍

3 爐排爐對鍋爐負荷的影響

在垃圾焚燒工程設計和運行中，爐排負荷變化通常用燃燒圖表示(見圖4)，在圖4中、橫坐標表示爐排爐的垃圾處理量，縱坐標表示垃圾的輸入熱量(低位熱值)，即爐排熱負荷，自原點出發的斜線OH、OG、OI分別為最高低位熱值線、設計低位熱值線和最低低位熱值線，均為常數。圖4中的相對處理量及相對輸入熱量均以MCR工況的參數為基準。該圖界定了爐排爐運行范圍內爐排熱負荷與垃圾處理量和垃圾熱值的關系，同時界定了爐排連續運行范圍(M-A-B-C-E-M區域)、短時超負荷運行范圍(M-A-H-G-I-E-M區域)和助燃范圍(C-D-E-C區域)。由圖4可知：爐排熱負荷與和入爐垃圾處理量呈線性關系。

圖4 爐排燃燒圖

爐排爐特性參數包含爐排機械負荷、床層熱強度、燃燒室型式和燃燒室容積熱負荷，其中爐排機械負荷和燃燒室型式影響余熱鍋爐額定負荷的選取。爐排機械負荷大小與處理規模、爐排類型、垃圾特性和爐渣熱灼減率等有關，當垃圾熱值升高、熱灼減率降低、助燃空氣溫度升高、單爐垃圾處理量升高時，爐排機械負荷均會提高。圖5是爐排機械負荷與垃圾低位熱值(1 cal=4.186 8 J)和處理質量流量的關系。

圖5 某爐排處理質量流量與機械負荷關系

由圖5可知：處理質量流量越大，爐排機械負荷設計值越大；垃圾設計低位熱值越高，爐排機械負荷設計值越大。因此，處理質量流量較小、熱值較低的爐排后期具有較大超負荷能力。

垃圾焚燒余熱鍋爐存在以下特性：當熱負荷較低或輻射通道未積灰結焦時，進入過熱器的煙氣溫度較低，將蒸汽加熱到額定溫度所需過熱器傳熱面積較大；當熱負荷較高或輻射通道積灰結焦時，進入過熱器的煙氣溫度較高，將蒸汽加熱到額定溫度所需過熱器傳熱面積較小。由于入爐垃圾量變化、垃圾熱值逐年上升和垃圾熱值季節性變化等因素[7]，造成余熱鍋爐熱負荷在較大范圍波動。城市生活垃圾灰分含量高，燃燒后煙氣攜帶的飛灰熔點低，余熱鍋爐運行一段時間后，輻射通道存在不同程度的積灰或結焦，當運行不當或熱負荷波動大時，積灰結焦現象尤其嚴重，降低輻射通道吸熱量造成進入過熱器的煙氣溫度較運行初期上升了50～120 K。由于熱負荷波動大和積灰結焦現象的存在，目前按爐排額定負荷設計的余熱鍋爐存在主蒸汽易超溫、減溫水量大、高溫過熱器入口煙氣溫度高和安全連續運行時間短等問題。為使爐排適應在可運行區間內超負荷運行，同時解決余熱鍋爐超溫問題，建議余熱鍋爐額定負荷高于爐排額定輸出熱負荷。減溫水設計質量流量大于15%額定蒸發量可滿足負荷變化時過熱器汽溫控制要求(見圖3)。因此，提高余熱鍋爐額定負荷主要是提高水冷系統熱負荷和省煤器熱負荷，建議的余熱鍋爐額定負荷(主要考慮水冷系統熱負荷)見表2。

表2 建議的余熱鍋爐額定負荷

4 結語

(1) 爐排和余熱鍋爐負荷變化影響因素和響應特性不同，兩者的運行范圍存在差異。根據垃圾低位熱值和處理量，余熱鍋爐水冷系統和省煤器熱負荷可按爐排爐MCR工況下輸出熱負荷的105%～125%選取，過熱系統減溫水設計質量流量大于15%額定蒸發量。

(2) 應根據不同的主蒸汽參數選擇合理的余熱鍋爐經濟運行負荷范圍。在低負荷范圍，主蒸汽參數允許低于額定值，滿足高于汽輪機允許最低進汽溫度即可。