垃圾焚燒爐在線清灰系統應用

蔡文宇，沈濱(中節能(煙臺)環保能源有限公司, 山東 煙臺 264000)

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，城市化進程不斷加快，城市垃圾產生量急劇增加。根據中國統計年鑒，中國的城市垃圾清運量已經達到 22 801.8 噸，城市生活垃圾處理量急劇增長，給城市生活垃圾處理能力帶來極大的挑戰[1]。面對日益嚴峻的“垃圾圍城”問題，如何合理處理城市生活垃圾已經成為研究者關注的熱點問題[2]。

城市生活垃圾的處理方法通常包括填埋法、堆肥法和焚燒法[3]。由于城市生活垃圾中有較多的病菌和重金屬，所以填埋法和堆肥法不僅會占用大量土地，還會對地下水和土壤造成巨大污染。垃圾焚燒處理由于具有占地少、處理時間短、減量化顯著、無害化較為徹底以及垃圾焚燒余熱可利用等優點，已經成為不少城市解決垃圾問題的首要選擇[4-6]。垃圾焚燒處理量占所有垃圾無害化處理量的比重也逐年提高，截至2018年底，垃圾焚燒處理占所有垃圾無害化處理方式的比重已經達到45%。截至2019年底，在中國建設并投入運行的垃圾焚燒廠已經達到418 座[7-8]。由此可見，垃圾焚燒技術具有廣闊的應用前景。

垃圾焚燒爐受熱面掛灰是影響垃圾爐長周期運行的最主要因素，每2～3個月單臺爐就需停爐清灰一次。垃圾焚燒爐受熱面掛灰會縮短鍋爐運行周期，同時增加檢修工作量。現有吹灰系統受到高溫區受熱面管束積灰、煙氣溫度和噴吹范圍有限等因素制約，為保證鍋爐實現長周期運行，減少鍋爐檢修頻次，研發及制作真正達到實際使用效能的在線清灰設備具有重要意義。

1 在線清灰系統在焚燒爐上的應用背景

1.1 生活垃圾焚燒爐積灰結焦的因素

積灰是指溫度低于灰熔點的灰粒在受熱面上沉積，主要發生在對流受熱面上。目前對燃煤和生物質鍋爐的積灰研究已經形成比較系統的理論。積灰根據積灰強度分為黏結性積灰和松散性積灰：黏結性積灰一般在管壁的迎風面形成并沿著氣流增長，這種積灰不斷增長會引起管束的阻力迅速增加，直至整個煙道堵塞；松散性積灰一般形成在管壁的背風面，或者當顆粒很細微、煙氣速度很小時在管壁的迎煙面形成。

1.2 生活垃圾焚燒爐積灰結焦的影響因素

垃圾焚燒與一般燃料燃燒相比，垃圾熱值低而含水量高，質地低劣；垃圾焚燒過程極為復雜，氣、液、固體多項反應混合，多孔介質中的傳遞、同相和異相間的傳遞交互發生，并受晶界過程、電化學過程和應力演變過程等多重因素的影響。另外，由于垃圾形狀不均，質地隨季節、年份和地區而變化，相應的熱值變化幅度較大，焚燒過程中煙氣溫度和成分波動也很大，所以垃圾焚燒環境中發生的結渣比一般燃料燃燒過程更復雜。從垃圾飛灰的實際的灰熔融特性來看，其變形、軟化、熔融溫度明顯低于粉煤灰的溫度，基本上在1 050 ℃時發生軟化，較煤灰低約200℃。垃圾本身的固有特性，決定了垃圾焚燒爐易于結焦的特點。

生活垃圾焚燒爐積灰結焦所產生的影響主要包括以下五個方面：(1)鍋爐內積灰結焦最直接的影響是導致鍋爐煙氣流道阻塞，爐內煙氣負壓無法維持而被迫停運；(2)鍋爐受熱面積灰結焦導致受熱面熱阻增加，使排煙溫度大幅增加，導致鍋爐效率降低；(3)焚燒爐內積灰結焦加大了鍋爐本體承重，焦塊在重力作用下易將澆注料拉掉或局部脫落；(4)受熱面大面積積灰結焦，給停爐檢修帶來極大的困難，增加檢修維護工作量，同時也給檢修人員帶來安全與健康風險；(5)因積灰結焦造成鍋爐運行周期短，機組啟停頻繁，大大縮減了鍋爐及配套的汽輪發電機組壽命。

1.3 目前解決生活垃圾焚燒積灰結焦的對策與措施

在鍋爐運行中，因無法控制入廠垃圾品質與成分，且鍋爐運行周期短的首要因素是水平煙道中受熱面嚴重積灰結焦，故企業不能僅從技術應用方面采取措施加以控制，還應將解決水平煙道內受熱面積灰結焦問題作為首要任務。

2 在線清灰系統應用原理

2.1 系統功能及要求

在線清灰系統針對現有吹灰技術存在的不足，提供一種可以由人工智能控制、實現定點清灰的垃圾焚燒爐清灰系統。系統可根據焚燒爐各個受熱面前后煙氣的溫度以及壓差情況，相應調整爆燃氣體的壓力、流量和充氣時間，選擇不同容積的爆破布袋，達到最優的清灰效果。同時，系統需要配置安全提示音以及系統管路安全防護裝置，保證在線清灰作業人員的安全，不對周圍設備和環境帶來隱患。

2.2 在線清灰系統設計方案

在線清灰系統采用可編程控制系統，配備供氣裝置、混氣裝置、自動點火裝置、爆破裝置、防止回火裝置以及聲光報警提示設備。在實際應用中只需要將儲氣袋對準要清灰的受熱面，控制供氣裝置供氣，由點火裝置將混合氣體點燃，使得儲氣袋爆破，便可實現對特定區域的清灰，增加受熱面的換熱效率，延長焚燒爐運行周期，提高經濟效益。

2.3 在線清灰系統實施方式

在線清灰系統包括氧氣供給裝置和乙炔供給裝置，氧氣供給裝置包括氧氣瓶和氧氣供給管路，乙炔供給裝置包括乙炔瓶和乙炔供給管路，氧氣供給管路和乙炔供給管路的末端連接混氣裝置的入口，混氣裝置能夠將氧氣和乙炔混合均勻。在兩種氣體進入混合裝置前均設置有防止回火的單向閥。爆破裝置包括點火裝置和儲氣袋，點火裝置設于混氣裝置上，儲氣袋設于混氣裝置的出氣口處，點火裝置能夠將混合氣體點燃使儲氣袋爆破。儲氣袋外層為布料，內側為塑料。

2.4 材料與方法

2018—2021年煙臺潤達垃圾處理運營有限公司生產情況(如表1所示)，公司實行垃圾與污泥協同燃燒處置，污泥摻燒比例為8%左右，使得鍋爐受熱面掛灰速度更快，投產2至3個月后，鍋爐水平煙道各個受熱面管束被灰堵塞，影響煙氣正常流通，致使省煤器出口負壓值達到-400 Pa以上，需要停爐進行清灰作業。以該公司400 t/d垃圾焚燒爐為實驗對象，2020年1月31日鍋爐在線清灰系統正式投入運用，表1統計了該公司2018—2021年實際生產數據。

表1 2018—2021年煙臺潤達垃圾處理運營有限公司的生產實際情況

3 在線清灰系統應用效果評價

3.1 垃圾焚燒爐在線清灰應用效果圖對比

如圖1和圖2所示，垃圾焚燒爐正常運行時，通過人孔門查看的過熱器管束積灰與清灰后的實際狀態圖。如圖1所示，過熱器第一排管束的積灰有凸起，積灰溫度較高，并且黏性較大，附著在過熱器管束上。如圖2所示，在線清灰設備將過熱器管束上的積灰清除后，管束顯現出的本來面貌。

圖1 過熱器清灰前

圖2 過熱器清灰后

另一部分的積灰需要在另一側人孔門處實施在線清灰才能夠被清除。

3.2 垃圾焚燒爐在線清灰系統應用停爐檢修統計

污泥中含灰量較大，污泥焚燒后的殘余物大部分被煙氣帶往后部受熱面，附著在尾部受熱面管子上，影響了換熱效率，殘余物長時間積累，造成尾部受熱面積灰嚴重，對鍋爐負荷產生不良影響。同時，在高過、中過受熱面煙氣通道中所堆積的灰會形成非常硬的灰塊，運行期間很難清除，如處理不及時，會造成過熱器煙溫過高。

煙臺潤達垃圾處理運營有限公司2019年在焚燒運行過程中未采取措施，污泥協同摻燒造成的鍋爐受熱面積灰嚴重，2臺焚燒爐停爐清灰8次。2020年該公司在焚燒運行過程中采取在線清灰，2臺焚燒爐停爐清灰4次。2021年兩臺焚燒爐整體運行情況良好，在線清灰系統投運正常，2臺焚燒爐停爐清灰4次。

3.3 應用在線清灰系統經濟性分析

3.3.1 垃圾焚燒爐正常運行日經濟產值

如表2、表3所示，兩臺垃圾焚燒爐正常運行每天平均所創造的日均收益為：

表2 垃圾焚燒爐日均經濟產值

表3 垃圾焚燒爐日均耗材費用

39.44 萬元－3.124 5 萬元=33.315 5 萬元。

3.3.2 垃圾焚燒爐在線清灰系統應用前后效果對比

煙臺潤達垃圾處理運營有限公司供試兩臺垃圾焚燒爐2018年至2021年4年間垃圾焚燒爐停運時間(如表4所示)。結果表明，在線清灰的應用使得每年停爐維修次數降低4次，縮短年均停爐時間12天。

表4 計劃停爐時間明細

3.3.3 在線清灰系統應用綜合效益分析

在線清灰系統應用總增產效益：

在線清灰系統的應用使年均停爐時間減少12天，增創產值：

33.315 5萬元×12=399.786 萬元。節省啟爐次數為4次(每次啟爐燃油費用7 萬元)，即節省啟爐燃油費用7 萬元×4=28 萬元。

在線清灰系統運行成本：

(1)在線清灰設備成本費用：控制系統1.0 萬元，配氣系統0.5 萬元，附屬設備配件1.0 萬元，合計2.5萬元。按5年折舊，每年0.5 萬元攤銷。

(2)在線清灰設備維護費用0.5 萬元/年。

(3)在線清灰外委操作費用為79.51 萬元/年。

在線清灰年發生費用共計80.01萬元。

在線清灰系統運行凈增產效益：

對比分析在線清灰全年創造的經濟效益：427.786萬元－80.01萬元=347.776 萬元。

4 結語

污泥處置的一個重要發展路徑是焚燒，而與生活垃圾協同焚燒處置無疑是污泥徹底無害化處置的一條投資少、見效快、運行成本低、可操作性強的處置路線。在線清灰技術的應用，使鍋爐受熱面積灰情況得到了極大改善，延長了鍋爐運行周期，提升了鍋爐受熱面的換熱效率，減少了啟停爐的頻次，兩臺400 t/d垃圾焚燒爐運用在線清灰系統后，每年凈增長利潤347.8萬元，具有較高的經濟效益。