垃圾焚燒發電廠產能提升改造分析

摘要：系統分析某垃圾焚燒發電廠垃圾焚燒爐和余熱鍋爐運行過程中出現的問題，然后提出產能提升改造方案。總體來說，將空冷墻結構改成水冷燃燒室結構；改進前后拱的結構，在后拱布置水冷壁，外敷耐火澆注料；于二煙道煙氣預熱器下方增設豎直布置的屏式水冷壁，同時在該處增設蒸汽吹灰點；余熱鍋爐受熱面原有激波吹灰方案改為蒸汽吹灰+激波吹灰的聯合吹灰方式。改造后，焚燒爐運行穩定，垃圾處理量由500 t/d增加至596 t/d；高溫過熱器入口溫度由620 ℃降至552 ℃；蒸發量比設計值提高23.9%；月發電量由598.56萬kW·h提高至717.47萬kW·h。本項目改造思路可以為其他垃圾焚燒發電廠產能提升改造提供參考。

關鍵詞：垃圾焚燒發電廠；垃圾焚燒爐；余熱鍋爐；產能提升；改造

中圖分類號：TM619；X705 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）04-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.04.017

Analysis on capacity improvement renovation of waste incineration power plants

HU Wentao

（Shanghai SUS Environment Co.， Ltd.， Shanghai 201703， China）

Abstract： This paper systematically analyzes the problems that occur during the operation of the waste incinerator and waste heat boiler in a certain waste incineration power plant， and then proposes a capacity improvement renovation plan. Overall， the air-cooled wall structure is changed to a water-cooled combustion chamber structure; the structure of the front and rear arches is improved， with water-cooled walls arranged in the rear arches and fire-resistant casting materials applied externally; a vertically arranged screen type water-cooled wall is added below the second flue gas preheater， and a steam blowing point is added at this location; the original shock wave blowing scheme for the heating surface of the waste heat boiler is changed to a combined blowing method of steam blowing and shock wave blowing. After the renovation， the incinerator operates stably， and the waste treatment capacity increases from 500 t/d to 596 t/d; the inlet temperature of the high-temperature superheater has decreased from 620 ℃ to 552 ℃; the evaporation rate increases by 23.9% compared to the design value; the monthly power generation has increased from 5.985 6 million kW·h to 7.174 7 million kW·h. The renovation ideas of this project can provide reference for the capacity improvement renovation of other waste incineration power plants.

Keywords： waste incineration power plant; waste incinerator; waste heat boiler; capacity improvement; renovation

隨著我國工業化和城鎮化進程的加快，城市生活垃圾產生量急劇增加，垃圾圍城已成為影響城市發展的重要問題[1-2]。垃圾焚燒發電技術不僅可以解決垃圾圍城問題，還可以實現垃圾的能源化與資源化，非常符合固體廢物處理處置的減量化、無害化與資源化原則[3]。改革開放以來，在國家政策的引導下，我國垃圾焚燒發電行業得到快速的發展[4-5]。截至2019年底，我國已投產的生活垃圾焚燒發電廠約達500座[6]。垃圾焚燒發電技術正逐步取代傳統的填埋技術，成為當前我國城市生活垃圾處理與處置的主要方法之一。

我國早期生活垃圾水分與不可燃物含量高、熱值低，機械爐排爐被大量應用，同時為了更好地焚燒垃圾，焚燒爐爐膛大都做成絕熱爐膛結構[7]。然而，隨著近年來生活垃圾分類的推廣，濕垃圾被分離，垃圾低位熱值普遍得到大幅度的提高。原來的焚燒爐設計熱值是固定的，入爐垃圾低位熱值超過焚燒爐設計熱值，會使焚燒爐一直處于超過最大設計熱負荷的狀態。根據國內垃圾焚燒發電廠的運行經驗，焚燒爐一直處于超過最大設計熱負荷的狀態，爐膛溫度長時間高于1 050 ℃，會加劇焚燒爐的結焦[7]。另外，焚燒爐煙氣溫度的升高會導致后續余熱鍋爐受熱面出現高溫腐蝕[8]。只有降低焚燒爐的垃圾處理量，才能有效控制爐膛溫度，才能使其熱負荷不超過最大設計值，才能滿足焚燒爐安全、穩定運行的要求[9]。可是，減少垃圾處理量會加劇生活垃圾處置壓力，降低垃圾焚燒發電廠經濟效益，因此這些焚燒爐需要擴容改造。

生活垃圾分類實施后，垃圾低位熱值明顯提高。劉先榮等[10]從爐體前后拱角度、溫度場、速度場、煙氣主要組分分布及污染物排放特性入手，對高熱值生活垃圾焚燒爐進行數值模擬研究。樂俊超[11]從控制爐膛溫度、降低高溫過熱器入口煙溫、降低煙氣含氧量等角度提出高熱值垃圾處置的優化措施，并對焚燒爐及余熱鍋爐換熱面進行改造。為控制爐膛溫度，彭小軍[7]將原有的焚燒爐耐火絕熱結構改為膜式水冷壁結構，擴容改造后，全年增加的經濟效益約為530萬元。這些改造案例都為本次改造提供實踐依據。

1 項目運行現狀

廈門市某垃圾焚燒發電廠（一期）自2013年開始投產運營，配置2座設計處理量300 t/d的機械爐排爐（編號1#和2#），同時配備余熱鍋爐（立式），主要設備技術參數如表1所示。受熱面清灰方式為激波清灰。運行數據顯示，本項目入爐垃圾熱值已超過設計垃圾熱值，2018年8—11月，平均垃圾處理量約為500 t/d，比額定處理能力減少100 t/d，產能不足，汽輪機發電功率約為7.0 MW。焚燒爐空冷墻與后拱為絕熱結構，有結焦現象；激波吹灰效果不好，積灰嚴重，高溫過熱器腐蝕并爆管，超溫嚴重。

垃圾分類導致垃圾熱值的提高，為了保證垃圾得到及時有效處置，同樣垃圾處理量下，焚燒爐的整體熱負荷上升，進入余熱鍋爐的煙氣溫度隨之升高，焚燒爐出口煙氣溫度過高，易造成后續受熱面積灰和產生高溫腐蝕[12]。垃圾焚燒爐及余熱鍋爐長時間超負荷運行，嚴重影響使用壽命。此外，爐膛結焦也是垃圾焚燒爐爐膛設計特別關注的問題之一。垃圾燃燒生成的高溫飛灰熔融物黏附在爐膛內壁，不僅會影響焚燒爐的連續運行，還會縮短耐火材料的使用壽命。隨著垃圾熱值的不斷提高，現有的空冷爐墻無法有效地抑制爐膛結焦，不能適應高熱值垃圾的焚燒[13]。

對于建成時間較早的垃圾焚燒發電廠，設計時通常會對垃圾焚燒爐及余熱鍋爐預留10%的超負荷余量。但是，為了保證鍋爐運行的安全性，焚燒爐及余熱鍋爐不能長期處于超負荷運行狀態。經鍋爐內部關聯結構與汽水系統分析，隨著垃圾熱值的提高，垃圾焚燒爐的爐膛溫度會相應升高，過熱器入口溫度也隨之提高，煙氣中的飛灰在高溫下變為熔融態，不容易沉降，易黏聚在過熱器、省煤器等換熱器的外表面，最終造成過熱器、省煤器等換熱設備管束的磨損與腐蝕[13]。為保證鍋爐長期安全穩定運行，可在原垃圾焚燒爐及余熱鍋爐的基礎上進行適當改造，使垃圾焚燒爐能滿足高熱值垃圾處理的需求，而且余熱鍋爐的熱負荷也能適當提高。

2 產能提升改造方案

2.1 焚燒爐水冷燃燒室結構

技術改造前，采用空冷墻結構。當垃圾設計熱值不高時，采用空冷耐火磚來防止爐墻結焦是可行的，但本項目設計熱值已高達8 000 kJ/kg，故在燃燒段增加水冷壁可有效地防止爐墻結焦。技術改造后，采用水冷燃燒室，爐排燃燒室與爐墻的換熱量增大，從而降低爐膛熱負荷和焚燒爐出口煙氣溫度，保證垃圾完全燃燒，一、二次風的通入量也相應降低，從而達到低空氣比燃燒的目的，余熱鍋爐出口煙氣量降低，運行效率提高。水冷燃燒室可以降低爐內側壁的煙氣環境溫度，抑制結焦的附著和成長；冷卻空氣用量少，可以降低煙氣量；因增加熱量吸收和減少煙氣量，可提高鍋爐效率；燃燒室可高溫燃燒，分解二噁英。

2.2 焚燒爐全水冷壁后拱

焚燒爐前后拱接受焚燒爐爐膛熱輻射，是結焦的高風險區域。生活垃圾焚燒爐爐膛應按照低位熱值合理設計。當預期低位熱值在相當長的時間內均低于5 434 kJ/kg時，宜采用絕熱后拱設計；當預期低位熱值超過6 688 kJ/kg時，宜采用全水冷壁爐膛[14]。

技術改造前，半絕熱后拱結構如圖1所示。根據目前本項目熱值和結焦情況，調整后拱角度，改進前后拱的結構，在后拱布置水冷壁，外敷耐火澆注料。這樣不僅可以降低前后拱溫度，防止結焦，提高焚燒爐連續運行時間，還可以提高吸熱效率，提高鍋爐蒸發量。

技術改造后，水冷壁后拱結構如圖2所示。后拱由絕熱澆筑改為水冷壁，采用單排膜式壁布置方式，利用鰭片管拼焊成氣密管屏，并通過上下兩端的集箱把組成管屏的全部鰭片并聯在一起。爐膛的膜式壁設計基本原則為：爐膛底部靠近爐排的上方暴露在高溫火焰中，要覆蓋耐火材料，以避免高溫腐蝕；在最大連續運行負荷條件下，爐膛容積熱負荷不高于640 000 kJ/（m3·h）；爐膛出口煙氣流速不高于4 m/s，以避免煙氣中顆粒物對管壁的磨損；控制焚燒爐煙溫850～1 050 ℃，以避免在足夠高的煙氣溫度下實現完全燃燒和有害氣體的有效分解，并避免飛灰因軟化而黏附在管壁，導致腐蝕發生。

2.3 余熱鍋爐受熱面改造

余熱鍋爐腐蝕分為高溫腐蝕和低溫腐蝕，目前以高溫腐蝕為主。輻射通道煙氣溫度高，存在CO、HCl等還原性氣體，同時可能存在滲濾液回噴等不利影響，因此輻射通道為第一風險區；高溫過熱器管內工質溫度較高，當溫度控制不佳和積灰嚴重時可能發生腐蝕，為第二風險區。結合本項目原有基礎設計，煙氣預熱器下方增設豎直布置的屏式水冷壁，同時增設蒸汽吹灰點。汽水混合物垂直進出，與墻式水冷壁結構特性相同，有利于水循環，同時能避免積灰。

將現有一級蒸發器減少一半管排，增加管間距，減少積灰。更換現有高溫過熱器，取消二級蒸發器，更換成低溫過熱器。鍋爐的受熱面從高溫到低溫的布置依次為水冷屏、一級蒸發器、過熱器（高、中、低）和省煤器。

2.4 鍋爐吹灰方案優化

鍋爐積灰會釋放二噁英，為二噁英的合成提供場所，因此將余熱鍋爐受熱面改為蒸汽吹灰+激波吹灰的聯合吹灰方式，有效地防止換熱面積灰，提高鍋爐運行周期，大大減少二噁英的合成[15]。本項目以原有激波吹灰方案為基礎進行優化。在水冷屏增設2個蒸汽吹灰點（預留吹灰接口），一級蒸發器增設2個蒸汽吹灰點，高溫過熱器增設1個激波吹灰點（預留吹灰接口）。蒸汽吹灰汽源為過熱蒸汽。這樣既可減少鍋爐受熱面管束的積灰，又可降低因積灰而造成的管壁超溫現象，防止高溫腐蝕。

3 改造效益分析

3.1 焚燒爐爐膛溫度

技術改造后，連續試運行72 h，2#焚燒爐爐膛中上層平均溫度的變化曲線如圖3所示。結果顯示，焚燒爐出口溫度平均值在922 ℃左右，滿足焚燒爐煙溫850～1 050 ℃的要求。

3.2 高溫過熱器入口溫度

技術改造后，連續試運行72 h，2#焚燒爐高溫過熱器入口溫度的變化曲線如圖4所示。結果顯示，高溫過熱器入口溫度在552 ℃左右，滿足不大于580 ℃的設計要求。

3.3 鍋爐蒸發量

技術改造后，連續試運行72 h，鍋爐蒸發量變化曲線如圖5所示。結果顯示，鍋爐蒸發量在28 t/h上下波動，設計值為22.6 t/h，蒸發量比設計值提高23.9%。

3.4 經濟分析

通過擴容改造，提高垃圾處理量和鍋爐蒸發量，發電量隨之增加。技術改造前后的對比分析如表2所示。技術改造后，垃圾處理量約增加96 t/d，月發電量約增加118.91萬kW·h，月上網電量約增加

94.7萬kW·h。按照上網電價0.65元/（kW·h）計算，電量增加的經濟效益為61.56萬元。垃圾補貼費用按118元/t計算，月增加部分垃圾補貼費用為33.98萬元。經合計，每年增加經濟效益約1 000萬元，一年即可收回擴容改造投資成本，經濟效益可觀。

4 結語

技術改造后，本項目采用水冷燃燒室，優化前后拱的結構，在后拱布置水冷壁，外敷耐火澆注料；于煙氣預熱器下方增設豎直布置的屏式水冷壁，同時增設蒸汽吹灰點；余熱鍋爐受熱面原有激波吹灰方案改為蒸汽吹灰+激波吹灰的聯合吹灰方式。本次改造不僅減少焚燒爐運行過程的結焦問題，解決過熱器入口超溫、高溫腐蝕等問題，也減少計劃外停爐檢修，大幅度提高垃圾處理量與產能，滿足技術改造預期要求。

參考文獻

1 呂國鈞，蔣旭光，蔡永祥，等.400 t/d循環流化床垃圾焚燒鍋爐改造的設計和運行[J].鍋爐技術，2019（2）：27-34.

2 劉先榮，羅翠紅，唐玉婷，等.900 t/d高熱值生活垃圾焚燒爐爐體結構的數值模擬研究[J].鍋爐技術，2019（5）：11-18.

3 王 強.環保與生活[M].重慶：重慶大學出版社，2014：4.

4 劉 軍，李全功，羅曉宇，等.垃圾焚燒電廠焚燒爐-余熱鍋爐性能對比試驗研究[J].科學技術與工程，2020（17）：6873-6877.

5 李光德，張建勇，張曰林，等.我國垃圾焚燒處理現狀及其發展[J].環境科學進展，1998（6）：79-82.

6 焦學軍，張桂仙，沈詠烈，等.中國垃圾焚燒發電政策回顧與分析[J].環境衛生工程，2020（6）：57-65.

7 彭小軍.垃圾焚燒爐擴容改造技術研究[J].工業鍋爐，2019（4）：35-37.

8 張云鵬，郁鴻凌，劉 峰，等.垃圾焚燒爐余熱鍋爐過熱器高溫腐蝕及結構改進措施[J].工業鍋爐，2010（6）：18-20.

9 呂巖巖，楊 麟，徐 煜.垃圾分類對垃圾焚燒爐運行性能影響的分析[J].工業鍋爐，2020（3）：44-47.

10 劉先榮，羅翠紅，唐玉婷，等.900 t/d高熱值生活垃圾焚燒爐爐體結構的數值模擬研究[J].鍋爐技術，2019（5）：11-18.

11 樂俊超.焚燒爐應對高熱值垃圾措施分析[J].節能與環保，2020（10）：104-105.

12 傅玲瓊.生活垃圾焚燒廠鍋爐受熱面腐蝕原因及預防措施[J].工程技術研究，2017（5）：9-11.

13 龍吉生，王春風，倪鯤鵬，等.一種生活垃圾焚燒爐水冷爐墻裝置：CN206338813U[P].2017-07-18.

14 瞿兆舟.生活垃圾焚燒爐爐膛設計分析[J].環境衛生工程，2016（4）：61-63.

15 周芳磊.生活垃圾焚燒發電廠二噁英控制研究與實踐[J].環境衛生工程，2019（6）：93-96.