垃圾焚燒爐余熱鍋爐受熱面改造方案對比研究與驗證

許紹進，劉亞成，高 峰

（上海康恒環境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

我國的生活垃圾焚燒處理在最近十年中經歷了快速的發展，處理方式逐漸從以填埋為主改變為以焚燒為主。焚燒能夠實現垃圾的減量化、資源化、無害化，并降低了對環境的排放影響。焚燒過程的主要流程為儲運系統、焚燒系統和煙氣凈化系統。在焚燒過程中，垃圾在焚燒爐中燃燒，產生高溫煙氣，并在高溫區域停留一定時間，隨后通過余熱鍋爐進行換熱，產生過熱蒸汽發電。目前，焚燒爐分為機械爐排爐和流化床爐，并以機械爐排爐為主流技術。

近年來，隨著生活質量的提高和垃圾分類的逐步開展，垃圾熱值在全國范圍內均有增長［1］，垃圾也更加適宜焚燒處理，但對已經投運的焚燒爐運行穩定性產生了明顯的影響，許多項目出現了超溫結焦、排煙溫度高的問題。某焚燒廠因垃圾熱值升高超溫明顯，導致了超溫、積灰、腐蝕等問題。因此，該焚燒廠對焚燒爐進行技術改造，降低過熱器區域的煙氣溫度，減少積灰、腐蝕的風險，實現長周期穩定運行。

1 項目設計及運行概況

該項目設置有3 臺垃圾焚燒爐，單臺爐設計處理量為750 t／d，設計入爐垃圾熱值為1 700 kcal／kg［2］，在滿足850 ℃／2 s的爐膛溫度要求下采用了水冷爐膛設計，即左右側墻采用重型爐墻結構，左右側墻燃燒段為空冷爐墻，前拱、后拱為水冷壁結構并敷設耐火澆注料保護，焚燒爐爐膛結構如圖1所示。

圖1 水冷壁爐膛結構

余熱鍋爐形式為單鍋筒自然循環水管鍋爐，結構形式為臥式，分為4 煙道，1、2、3 煙道為膜式水冷壁構成的空煙道，4煙道水平布置各對流受熱面，其中1 煙道整體敷設了耐火澆注料，汽包布置于1 煙道上方空間。額定蒸發量為69 t／h；蒸汽參數為4.0 MPa／450 ℃；過熱器前煙氣設計溫度為580 ℃；高過、中過材質為12 CrMoVG；低過材質為20 G。

經過長時間的運行后，垃圾熱值已達到1 900 kcal／kg，與設計熱值1 700 kcal／kg 存在明顯差距，超過了設計熱負荷的110%［3］。由于采用了水冷爐膛和空冷爐墻的設計，爐膛的容積熱負荷適應性較好，在熱值達到1 900 kal／kg 后，積灰結焦較輕，沒有大焦、掉焦等問題，焚燒爐運行穩定。如圖2 所示。

圖2 入爐垃圾熱值變化情況

余熱鍋爐受熱值升高的影響，鍋爐蒸發量高于設計值，并存在如下問題。

（1）過熱器區域煙氣溫度高，減溫水量大。過熱器前煙氣溫度平均為602 ℃，最高可達630 ℃，高于設計溫度580 ℃，因此一級、二級減溫水量大，兩級減溫水總計約8 t／h，超過鍋爐設計值，運行中控制裕量小。

（2）水平煙道蒸發器、過熱器積灰結焦明顯，腐蝕嚴重。由于蒸發器前煙氣溫度近700 ℃，煙氣中的灰結渣性強，因此蒸發器區域的積灰明顯，部分區域存在積灰的架橋現象。高溫過熱器區域則因為煙氣溫度可達630 ℃，管壁溫度較高，在12 CrMoVG的管材上出現了凹坑等情況［4－5］。

（3）排煙溫度高，吹灰頻繁。余熱鍋爐出口的煙氣溫度升高，可達220 ℃，鍋爐熱效率降低。為提高蒸發量，降低排煙溫度，運行中提高了吹灰器使用頻率。

針對上述問題，決定改造原有焚燒爐，通過提高原受熱面換熱效果或增加爐內受熱面等方式降低水平煙道煙氣溫度，降低高溫腐蝕風險，提高鍋爐效率。

2 改造方案研究

根據余熱鍋爐受熱面改造的部位不同，國內主要有如下幾種改造方案：（1）爐膛絕熱爐墻改造；（2）取消一煙道上部澆注料；（3）輻射煙道內增加受熱面；（4）調整對流受熱面布置。以下將針對上述方案進行對比分析，選擇合理的改造方案。

2.1 方案1：爐膛絕熱爐墻改造

絕熱爐墻改造為國內普遍應用的方法之一，有效地解決了爐膛溫度高，高溫結焦嚴重、掉焦等問題。國內主要采用的方案為對主燃區和爐膛前、后拱進行改造，由空冷或絕熱拱改造為水冷拱［6－7］。珠海某項目爐膛設計為水冷爐膛，在熱值較低時因爐膛下部水冷度過高，無法滿足爐膛溫度要求而技改為絕熱爐墻，但在熱值升高后則采用了膜式水冷壁輕型爐墻的結構［8］。改造實例如圖3 所示。

圖3 國內焚燒廠絕熱爐墻改造實例

本項目前、后拱為水冷拱，且不存在嚴重的結焦問題。如將左右側墻改造為水冷爐墻，改造面積小，換熱效果差，煙氣溫度變化在10 ℃以內。如采用堆焊鎳基合金措施代替耐火材料，則存在因為爐膛下部水冷度過高而不能滿足850 ℃／2 s 的運行風險。因此，本項目不對焚燒爐爐膛進行改造。

2.2 方案2：取消一煙道上部澆注料

為保持850 ℃／2 s的運行溫度要求，1 煙道內敷設了耐火澆注料至頂棚向下0.3 m處。澆注料的換熱效果差，因此1 煙道溫降小，若取消1 煙道內澆筑料，可以有效換熱，降低煙溫［9］。深圳某項目為絕熱爐膛，取消1 煙道內部分區域的澆筑料，并采用堆焊保護，爐膛出口溫度降低132 ℃［10］。針對該項目，計算結果表明，如果將1 煙道上部澆注料全部取消，如圖4 所示。爐膛上部金屬導熱效果優于耐火材料，吸熱加強，則1 煙道出口溫度可下降80 ℃，降溫效果明顯。但爐膛下部為水冷結構，1 煙道取消澆注料后，爐膛水冷度過大，爐溫容易波動，不能滿足850 ℃／2 s要求，且運行中難以調整控制［11］。同時，需考慮高溫區域的防腐措施，因此成本較高。考慮運行和成本因素，本項目不采用該種技術方案。

圖4 取消1 煙道上部澆注料

2.3 方案3：輻射煙道內增設對流受熱面

在空煙道內增設受熱面，可直接增大換熱面積，降低煙氣溫度，但面臨著高溫腐蝕和積灰的影響。深圳某焚燒廠在1 煙道出口后增設了過熱器，盡管蒸汽溫度只有350 ℃，但管束壽命僅不到2 年，需頻繁更換過熱器［12］。可見，1 煙道及2 煙道上部由于煙氣溫度過高，高溫腐蝕嚴重，不適于增設受熱面，應在較低煙氣溫度的區域布置增設受熱面。2 煙道下部為前后隔墻水冷壁，可用空間較小，3 煙道下部后墻有足夠空間布置，因此選擇3 煙道增設受熱面。

針對立式煙道增設受熱面，國內有如下改造方式：（1）利用原水冷壁，將部分水冷壁直管改為旗形管，利用旗形管的彎曲部分增加受熱面積［13－14］；（2）利用懸吊式的S型蒸發屏增加受熱面積［11］，利用直管改造的方案增加的面積較小，但結構布置復雜，施工較為困難，因此決定在三煙道增設懸吊S蒸發屏，以降低水平煙道煙氣溫度。余熱鍋爐受熱面改造如圖5 所示。

圖5 余熱鍋爐受熱面改造

2.4 方案4：調整對流受熱面布置

高溫過熱器前增設1 組蒸發器，節距為220 mm×120 mm，蒸發器前設置3 層激波清灰設備。水平煙道可通過調整蒸發器和過熱器的面積分配，使原有高溫過熱器調整為蒸發受熱面，原有2 級蒸發器變為低溫過熱器，降低過熱器煙氣溫度和蒸汽溫度。某余熱鍋爐將低溫過熱器改造成高溫省煤器，以降低蒸汽溫度［14］。但水平煙道入口溫度較高，積灰情況較重，調整受熱面需考慮受熱面間距。通過計算，發現對流受熱面調整后減溫水量顯著降低，但受熱面改造空間有限，施工復雜，且減少了受熱面面積，不能達到提高鍋爐負荷的效果，因此不采用該種方案。現有激波清灰器清灰效果較差，可在水平煙道蒸發器前增設蒸汽吹灰器提高清灰效果，降低積灰情況。

2.5 各方案性能對比

匯總上述各方案對比性能參數，得到如表1 所示的各改造方案性能對比。

表1 各改造方案性能對比

通過對上述各種方案的論證對比，選擇了在3 煙道布置S型蒸發受熱面，主要傳熱方式為對流換熱。考慮到熱負荷、結構布置、改造難易等因素，受熱面管采用φ51 mm×5 mm，截距270 mm，為“雙S”型結構，材質為20G，并在上下S 型區域開孔設置蒸汽吹灰器，以提高換熱效果。

改造后的鍋爐設計參數如表2 所示。

表2 余熱鍋爐改造設計參數

3 運行效果

改造后，過熱器區域降溫明顯，過熱器區域煙氣溫度穩定運行在540～550 ℃，在負荷較高時，煙氣溫度約560 ℃，較改造前有明顯下降。兩級減溫水量總計約3.37 t／h，較技改前8 t／h 有明顯下降，鍋爐超負荷能力顯著提高，主蒸汽流量在75 t／h 左右。改造后，對流受熱面積灰顯著減少，無明顯積灰架橋現象。表3 所示為改造前后運行數據對比。

表3 改造前后鍋爐運行數據

4 結束語

近年來，隨著人民生活水平的不斷提高和垃圾分類的有序開展，垃圾的熱值不斷提升。部分項目的垃圾熱值超過設計值，導致焚燒爐內和余熱鍋爐出現了積灰結焦、煙氣超溫和高溫腐蝕等問題。針對某焚燒項目過熱器前超溫和積灰問題，進行了余熱鍋爐受熱面改造方案的研究，通過對比不同的改造方案，選擇以3 煙道增設S 型受熱面措施。改造后，過熱器前煙溫降低明顯，積灰問題也得到了減輕，減少了高溫腐蝕的風險，提高了鍋爐運行的穩定性，對類似項目改造也有良好的借鑒意義。