機械爐排鍋爐提高運行熱效率的科學(xué)操作方法

楊旭亮

（上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計院有限公司，上海 200232）

隨著國內(nèi)大型城市人口規(guī)模的進(jìn)一步增加，大型機械爐排鍋爐的應(yīng)用將更加廣泛。而大型機械爐排鍋爐技術(shù)目前還主要依靠進(jìn)口，國內(nèi)自主開發(fā)設(shè)計的單條焚燒線規(guī)格仍然少于500 噸/日，這樣勢必會影響國內(nèi)垃圾焚燒技術(shù)的發(fā)展[1]。為了實現(xiàn)對國內(nèi)大型焚燒爐的技術(shù)空缺填補，應(yīng)將提高機械爐排鍋爐的熱效率作為主要目標(biāo)，只有突破大型爐排關(guān)鍵技術(shù)，基于科學(xué)操作層面提升排爐的運行熱效率，才能為城鎮(zhèn)快速、穩(wěn)定發(fā)展多作出貢獻(xiàn)[2]。因此，下述將結(jié)合排爐的運行原理與燃燒調(diào)整目標(biāo)，對提升排爐的熱效率科學(xué)操作方法展開設(shè)計研究。

1 機械爐排鍋爐燃燒調(diào)整的原則

為實現(xiàn)對機械爐排鍋爐燃燒的全面優(yōu)化，應(yīng)在對其燃燒調(diào)整前，進(jìn)行爐排系統(tǒng)的全新認(rèn)知。目前國內(nèi)垃圾焚燒爐包含料斗、溜槽、推料裝置、燃燒爐排、焚燒爐體、爐下灰斗、主灰斗、出渣機等部件，爐排爐立面布置圖隨著焚燒爐規(guī)模的增加爐型基本不變，爐排爐的剖視圖通過增加橫向長度實現(xiàn)單爐焚燒規(guī)模[3]。機械爐排鍋爐結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 機械爐排鍋爐結(jié)構(gòu)

爐排的橫向增加，對爐排爐的傳動機構(gòu)、中間吸收裝置、焚燒爐鋼梁的承載等部件設(shè)計提出了更高的要求，爐排寬度的增加尤其是對傳動機構(gòu)及中間吸收裝置提出要求。在運行過程中，爐排受熱膨脹量會受到爐內(nèi)燃燒的不均勻性因素影響，如果調(diào)整過緊，容易出現(xiàn)運行卡滯，如有調(diào)整過大，易出現(xiàn)爐內(nèi)進(jìn)風(fēng)量過大，熄滅垃圾等問題[4]。同時，油缸驅(qū)動傳動機構(gòu)推進(jìn)爐排，會導(dǎo)致單列爐排過大，傳動機構(gòu)受熱變形，進(jìn)而對爐排推進(jìn)的均勻性造成影響。

為解決上述問題，本文將從下述6 個方面，對機械爐排鍋爐燃燒調(diào)整的原則進(jìn)行描述。在鍋爐正常運行條件下，工作人員需要及時進(jìn)行爐內(nèi)各項運行數(shù)據(jù)、燃燒數(shù)據(jù)的記錄，根據(jù)記錄結(jié)果進(jìn)行爐內(nèi)燃燒的調(diào)整，確保鍋爐在安全穩(wěn)定的條件下運行[5]。為滿足此種運行需求，提出“六個保持”調(diào)整原則，具體內(nèi)容見表1。

表1 機械爐排鍋爐燃燒調(diào)整“六個保持”原則

2 機械爐排鍋爐提高運行熱效率的科學(xué)操作方法設(shè)計

2.1 機械爐排鍋爐脫硝、脫硫處理

為達(dá)到提高機械爐排鍋爐運行熱效率的目的，首先從脫硝、脫硫的角度出發(fā)，在提升運行熱效率同時，實現(xiàn)對鍋爐煙氣凈化處理，從而達(dá)到超凈排放的效果。當(dāng)前常見的煙氣凈化處理主要有濕法、干法、半干法、SCR 和SNCR，煙氣再加熱系統(tǒng)一般分為煙氣換熱器（GGH）和蒸汽換熱器（SGH）。目前國內(nèi)最常用的、經(jīng)濟(jì)效益最佳的煙氣處理工藝是煙氣再循環(huán)+SNCR+干法+半干法。SNCR 脫硝技術(shù)即非催化還原劑，化學(xué)反應(yīng)過程是通過在焚燒爐內(nèi)850-1000°C 的溫度區(qū)域噴入，使氮氧化物還原成氮氣和水。常規(guī)SNCR 反應(yīng)效率可達(dá)到33%，設(shè)置煙氣再循環(huán)后可以達(dá)到55%左右。半干法主要由氫氧化鈉制備罐、儲備罐、旋轉(zhuǎn)霧化器、霧化漿液和煙氣混合等系統(tǒng)組成。經(jīng)過旋轉(zhuǎn)霧化器高速旋轉(zhuǎn)將石灰漿霧化，使其在反應(yīng)塔中與煙氣中的酸性氣體充分反應(yīng)。干法主要吸收劑為消石灰或碳酸氫鈉，消石灰干粉為最常用，碳酸氫鈉也是很好的吸收劑，其對酸性氣體吸收效果高于消石灰干粉，但是碳酸氫鈉成本遠(yuǎn)高于消石灰干粉，使用消石灰干粉作為吸收劑，可滿足《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18485-2014）要求，如果對去除酸性氣體要求不高的地區(qū)，為節(jié)約成本設(shè)計時優(yōu)先考慮消石灰干粉。為滿足歐盟2010 標(biāo)準(zhǔn)，可以采用干法+半干法從而更好去除煙氣中的酸性氣體，如圖2。

圖2 煙氣再循環(huán)+SNCR+半干法+干法

隨著環(huán)保要求的提高，煙氣指標(biāo)也相應(yīng)的提高，特別在沿海一線城市，為達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的低排放目標(biāo)，脫銷、脫酸工藝一般為煙氣再循環(huán)+SCR+SNCR+干法+濕法工藝組合在一起，是目前最完成、處理標(biāo)準(zhǔn)最高的煙氣凈化工藝組合，主要應(yīng)用在一線大城市及經(jīng)濟(jì)效益好、對排放總量要求高的地區(qū)。

2.2 合理布置前、后拱，強化爐內(nèi)燃燒

在實現(xiàn)對鍋爐的脫硝和脫硫處理后，考慮到當(dāng)前垃圾焚燒發(fā)電爐排鍋爐運行，因此其燃燒體系當(dāng)中的前拱較短但位置較高；后拱較長但位置較低。這一結(jié)構(gòu)造成鍋爐在使用過程中，其爐膛水冷度較大。在使用爐排鍋爐時常常會出現(xiàn)起火難度增加的問題，且容易斷火的問題產(chǎn)生，嚴(yán)重影響垃圾焚燒發(fā)電的效率[8]。針對這一問題，通過對前、后拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布置的方式，實現(xiàn)垃圾焚燒發(fā)電爐排鍋爐對爐內(nèi)燃燒的強化，從而達(dá)到提高垃圾焚燒發(fā)電熱效率的目的。在對鍋爐前后拱結(jié)構(gòu)設(shè)計時，遵循針對性和通用性原則，分別設(shè)計兩種不同的拱形結(jié)構(gòu)，前者采用輻射型前拱結(jié)構(gòu)，不放置后拱，利用擋火墻代替后拱；后者采用前拱中加中拱或前拱加超低后拱的結(jié)構(gòu)。

從圖3 中可以看出，通過增加中拱結(jié)構(gòu)后，其具備的有利于煙氣混合的優(yōu)勢能夠得到充分發(fā)揮，以此提升爐溫，促進(jìn)垃圾焚燒發(fā)電效率提升，從而提高爐排鍋爐整體運行熱效率。

圖3 機械爐排鍋爐前后拱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.3 增加爐排有效面積，確保鍋爐出力

當(dāng)前大部分工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)行垃圾燃燒發(fā)電時，其鍋爐的額定出力無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)水平。因此，根據(jù)這一現(xiàn)象可以看出，爐排的有效面積也是影響其運行熱效率的重要因素。為改善此種問題，提高垃圾焚燒發(fā)電效率，嘗試通過增加爐排有效面積的方式，確保鍋爐的出力。當(dāng)無法改變爐面的表面積時，其排熱負(fù)荷也是固定不變的。例如，針對三類垃圾燃燒爐設(shè)計的鍋爐，若使用二類或一類排爐進(jìn)行燃燒，則會造成燃料消耗量的進(jìn)一步增加。同時，按照三類或二類爐排設(shè)計，若采用一類爐排進(jìn)行燃燒，不僅會使燃燒的速度變慢，同時其有效著火也十分困難。

根據(jù)這一情況，結(jié)合焚燒發(fā)電鍋爐的運行實際，可采用適當(dāng)增加爐排有效面積的方式，確保對鍋爐的優(yōu)化處理。針對老式低效運行的快裝鍋爐而言，在不改變其鍋爐本體的情況下，只對燃燒體系的爐排和爐拱進(jìn)行調(diào)整，不僅能夠達(dá)到提高運行熱效率的目的，同時還能夠進(jìn)一步延長焚燒燃料在爐排上的燃燒時間，確保鍋爐在運行時能夠達(dá)到設(shè)計出力。

2.4 加裝袋式除塵器

由于機械爐排鍋爐在使用的過程中其物料是循環(huán)使用的，因此會造成脫硫塔出口位置上的煙氣含塵量增加，為了確保煙氣當(dāng)中的顆粒物排放量不會影響到鍋爐的運行熱效率，需要加裝袋式除塵器，并要求其分離效率超過99.9%。袋式除塵器的分離效率計算公式為：

3 對比分析

為實現(xiàn)對設(shè)計方法的檢驗，選擇某大型機械爐排鍋爐運行管理單位參與實驗，按照提出的燃燒調(diào)整原則與設(shè)計的操作方法，對機械爐排鍋爐作業(yè)模式進(jìn)行調(diào)整，完成設(shè)計后，將機械爐排鍋爐的運行熱效率作為對比指標(biāo)，開展實驗。

實驗前，先操作機械爐排鍋爐，觀察鍋爐燃燒后爐渣的顏色，根據(jù)爐渣的不同顏色判斷機械爐排鍋爐的運行是否符合標(biāo)準(zhǔn)。排出爐渣不同顏色代表的含義見表2。

表2 機械爐排鍋爐燃燒排出爐渣不同顏色代表的含義

對比此單位機械爐排鍋爐運行后排出爐渣的顏色發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備運行無異常。在此基礎(chǔ)上，對比本文設(shè)計操作方法與傳統(tǒng)操作方法，在操作機械爐排鍋爐時，鍋爐的熱效率進(jìn)行對比。其中熱效率計算公式如下：

從圖4 可以看出，本文操作方法在操作機械爐排鍋爐時的熱效率>傳統(tǒng)操作方法在操作機械爐排鍋爐時的熱效率，說明設(shè)計的方法可以起到提高機械爐排鍋爐運行熱效率的作用。

圖4 本文操作方法與傳統(tǒng)操作方法在操作機械爐排鍋爐時的熱效率變化

結(jié)束語

垃圾焚燒廠的設(shè)計規(guī)模越來越大，單條焚燒線已經(jīng)達(dá)到800 噸/日，而國際上特別是歐美國家，單條焚燒線已經(jīng)達(dá)到1200 噸/日。目前日本焚燒爐應(yīng)用最廣，然而日本爐排由于其地理位置原因，爐排爐設(shè)計規(guī)模較小，目前日立造船爐排在國內(nèi)最大規(guī)模是750 t/d。為了進(jìn)一步提高我國機械爐排鍋爐的運行熱效率，本文開展了提高其運行效率的科學(xué)操作方法設(shè)計。