垃圾焚燒爐受熱面的積灰分析及清潔應用

劉剛

（南寧市三峰能源有限公司，廣西 南寧 530000）

垃圾焚燒爐受熱面的積灰分析及清潔應用

Fouling analysis and cleaning applications of garbage incinerator heating surface

劉剛

（南寧市三峰能源有限公司，廣西 南寧 530000）

垃圾焚燒發電項目日益增多，大多數垃圾焚燒發電項目都經常面臨受熱面積灰嚴重而無法運行導致停爐，本文通過對受熱面飛灰的成分分析、熔融特性分析，找出減少積灰的運行方式和生成積灰后去除解決方案。

飛灰積灰；吹灰器；清灰劑；除渣劑；高壓清洗技術

隨著國家對環境保護的重視，垃圾焚燒發電逐漸成為我國城市生活垃圾處理方式的首選具備其必然性。上海、福州、重慶、溫州等地都已有垃圾發電廠投入運營，既有效的改善環境，又給投資者帶來經濟回報。作為垃圾發電廠主要設備之一的垃圾焚燒爐，它可謂是垃圾發電廠的核心。我國大部分城市生活垃圾都呈現出低熱值，高水分、高灰分的特性，垃圾焚燒過程中經常出現受熱面積灰問題，導致鍋爐效率下降，嚴重時導致負壓都無法形成，被迫停爐。如何防止受熱面積灰就顯得特別重要。

1 垃圾飛灰特性分析

垃圾焚燒爐因為其燃料是垃圾，如玻璃瓶、塑料瓶、爛衣服、爛鞋子、瓜果木屑、鐵絲網、燃料灰渣、陶瓷瓦礫等，中國地域遼闊，東西經濟發展不平衡，燃料結構差別大，生活習慣也有很大不同，在燃氣地區城市生活垃圾中有機物占72.12%高于無機物（占16.84%）和其他成分（占12.04%）；在燃煤區，有機物只占25.09%，無機物占到了70.16%，遠遠高于燃氣去，其他成分只占4.52%，在發達地區，紙張在城市生活垃圾中所占比例很大，但在欠發達地區食品則是主要組成物。垃圾組成雖有如此大的差異，但燃燒以后產生的飛灰性質是相近的，只是灰量差異大。有人曾研究了國內3個正在運行的城市生活垃圾發電廠的飛灰，結果表明：焚燒飛灰成分相當復雜，其主要成分是SiO2、CaO、Al2O3和Fe2O3，其次為Na2O K2O、MgO，還含有少量重金屬，如Cd、Cr.Cu Pb、zn等，飛灰粒徑的主要范圍在10 ～100 μm之間。將垃圾焚燒爐的飛灰按粒徑分為7檔：＜ 20 μm 20 ～41 μm，42～60 μm，61～110 μm，111～149 μm 150～230 μm， ＞230 μm。這時飛灰的粒徑不一樣，質量也就不一樣，他們會順著煙氣的流程方向逐步沉積這時如不及時清除，便形成積灰。飛灰中因燃燒的原因含有焦炭的薄片, 焦炭片越少，顆粒燃燒得越完全其顏色主要是黑色和白色顆粒，形狀包括扁平和園狀型的，成渣結塊時也有球型的，然而，球型的粒子不太多。對飛灰樣品的研究表明，它們的晶體結構除了CaSO4型之外，還有可能有NaCl 或KCl型。研究飛灰的熔融特性，主要成分為（CaO、SiO2、Al2O3Fe2O3）。根據實驗結果，如果垃圾焚燒過程中添加了CaO，那么則會生產低熔點的CaCl2，其熔點為782 ℃而其他的熔點均比較高，根據《垃圾焚燒飛灰基本特性研究》中所取的三組樣品，最低一組樣品的DT軟化溫度為1 191 ℃，最低的ST流動溫度為1 215 ℃最高的一組為DT軟化溫度為1 382 ℃，最高的ST流動溫度為1 412 ℃。意味著爐溫達到了上述溫度后，則飛灰大部分都將呈熔融狀，極具黏附性。

2 積灰和結渣的形成機理

爐管壁面的積灰、結渣是一種普遍現象，在爐膛內火焰中心處的溫度高，燃料中的灰分大多呈熔化狀態，而在爐管壁附近的煙溫則較低，一般在接觸受熱面時已凝固，沉積在壁面上成疏松狀，就形成積灰；該積灰通過吹灰器便可以清除。如果煙氣中的灰粒在接觸壁面時仍呈熔化狀態或粘性狀態，則粘附在爐管壁上形成緊密的灰渣層，就形成了結渣或結焦。結渣主要由煙氣中夾帶的熔化或部分熔化的顆粒碰撞在爐墻、水冷墻或熔融的沉淀物形式出現在輻射受熱面上。這部分高溫結渣易發生在爐膛內耐火澆注料表面及高溫過熱器區域。特別是爐內耐火澆注料表面，熔融狀態的飛灰直接粘附其表面形成致密的結焦層，硬度極硬。鍋爐結渣是個很復雜的物理化學過程, 它涉及物料的燃燒、爐內傳熱、傳質、物料的潛在結渣傾向、灰粒子在爐內運動以及灰與管壁間的粘附等復雜過程,

至今還沒有能定量描述結渣過程的數學模型。 有人試著從灰粒輸運機理及在爐壁、管壁上的粘接和結聚長大成灰渣的機理探討結渣機理。灰顆粒的輸運主要有氣相擴散、熱遷移、慣性遷移?；以诠鼙谏铣练e存在兩個不同的過程：一個為初始沉積層的形成過程,初始沉積層為化學活性高的薄灰層, 它是由尺寸十分小的灰顆粒組成。主要是由揮發性灰組分在水冷壁上冷凝和微小顆粒的熱遷移沉積共同作用而形成，由于粘附以及與管子的化學反應而生成的非常牢固的覆蓋層。初始沉積層中堿金屬類和堿土金屬類硫酸鹽含量較高, 這些微小的顆粒由范德瓦爾力和靜電力保持在管壁上，并與管壁金屬反應生成低熔點化合物，強化了微小顆粒與壁面的連接。初始沉積層具有良好的絕熱性能，它的形成使管壁外表面溫度升高。另一個沉積過程為較大灰粒在慣性力作用下沖擊到管壁的初始沉積層上，當初始沉積層具有粘性時，它捕獲慣性力輸運的,灰顆粒，并使渣層厚度迅速增加。由于初始沉積層主要是由揮發分灰組分的冷凝及微小顆粒的熱遷移而引起，因而從工程角度考慮，很難防止初始沉積層的形成。造成爐內結渣迅速增加，并對鍋爐安全運行構成威脅的主要因素是慣性沉積。

3 如何控制積灰和結渣

（1）爐溫控制是關鍵。從運行的經驗來看，大部分的積灰與結渣在豎直的水冷壁上很少附著，這跟煙氣的流動狀態有關，而發生積灰或結渣的區域一般都從水平過熱器的背面開始。研究飛灰的熔融特性，垃圾焚燒的燃燒溫度一般要求高于850 ℃，原則上燃燒的最高溫度就應該控制低于飛灰的變形溫度，防止結渣的發生。其一，是長期取樣測定本廠的飛灰成分以及熔融性，在根據變形溫度來控制爐膛燃燒溫度，考慮垃圾焚燒過程中會產生局部高溫，以及熱電偶測量的影響。建議爐膛溫度應比飛灰的變形溫度低50～100 ℃，對垃圾焚燒爐的爐膛溫度嚴加控制，是有效防止爐膛結焦的最有力措施。

（2）裝設在線吹灰器。垃圾焚燒爐受熱面一般包括過熱器和省煤器、空預器、水冷壁。過熱器和省煤器一般都采用在線清灰設備。用得比較多的是蒸汽吹灰器和燃氣脈沖吹灰器還有聲波吹灰器。前兩種吹灰器在垃圾焚燒發電廠中應用較廣泛，普遍認為蒸汽吹灰器是垃圾焚燒爐較為合適的一種吹灰器，吹掃面積大，吹掃效果好，且故障率少。那如何使用好蒸汽吹灰器呢？首先還得要控制好爐膛溫度，爐膛溫度過高后熔融態的飛灰集結在管壁上是不容易吹掉的。低于變形溫度的積灰則顯得疏松些，容易吹掉。其次吹灰器參數選擇也相當重要，如果吹掃壓力選擇過高，會導致被吹掃受熱面磨損加大，壓力過低那么吹掃效果就不明顯，吹不掉低熔點的飛灰。一般情況下，垃圾發電廠吹掃壓力都在1.0～2.5 MPa之間，溫度大概控制在350 ℃左右。直接選用主蒸汽母管供汽，盡量避免使用減溫水，減溫水霧化效果不好，將會導致吹掃時蒸汽帶水吹向受熱面而引發受熱面管道爆管。吹灰行程也盡量選夠，一般情況下對稱布置的吹灰器?？臻g允許，最好是采用錯位布置，做到全覆蓋。目前，大多數垃圾發電廠都采用長伸縮和半伸縮吹灰器。這兩種吹灰器各有優缺點，綜合起來看，垃圾發電廠使用長伸縮吹灰器配正壓槍箱是比較好的。半伸縮吹灰器，因為有一半槍管長期置于爐內，停止吹掃時無蒸汽冷卻，長期受高溫煙氣侵蝕，易變形損壞，且不易維護。長伸縮吹灰器，每次吹掃完后槍管自動退回，且易于檢查管道變形及噴嘴破損情況，發現問題隨時檢修，不會造成更大的事故。吹灰器吹掃半徑在2 m而半伸縮吹灰器在1.5 m，應根據蛇形管的布置合理選擇。

（3）添加鍋爐清灰劑、除渣劑，考慮成本及環保因素，本人不建議長期使用。

（4）停爐的清洗。在解決了鍋爐運行中的通過燃燒控制積灰、結渣和蒸汽吹掃后，停爐時對鍋爐受熱面的整體清洗至關重要。水冷壁一般未設置吹灰器，過熱器與省煤器等也會因吹灰器的局限性留下死角。因此停爐后對鍋爐進行一次全面的清潔。傳統模式都采用人工除灰，效率低且清灰不徹底。而現在多采用高壓水射清流洗。他清洗速度快，比一般人工清灰快幾倍到十幾倍。管道清洗質量好，基本上可以見到金屬光澤。高壓水射流清洗就是將普通自來水通過高壓泵增壓到數百乃至數千公斤壓力，然后通過特殊的噴嘴（孔徑1 mm～2 mm），以極高的速度（500 m/s左右超音速）噴出能量高度集中的小水流，在能量由勢能轉化為動能后，小水流對垢物進行撞擊、氣蝕、磨削、楔劈、粉碎和剝離。利用這種具有巨大能量的水流進行清洗。由于是采用普通自來水清洗，所以對設備管材無任何腐蝕，同時具備清洗效率高；不損傷清洗物的表面；不受材質、形狀限制；自動化程度高；不污染環境，清洗能力強，可實現三維清洗；節省能源等優點。現普遍被采用。

4 結論

從上述四方面著手解決，可有效防止鍋爐積灰和結渣，保持鍋爐受熱面清潔，有效提高鍋爐效率和運行時間。

［1］ 杜吳鵬，高慶先，張恩琛，繆啟龍，吳建國. 《中國城市生活垃圾排放現狀及成分分析》.環境科學研究所，第19卷第5期.

［2］ 祝建中. 城市垃圾焚燒爐內灰渣的性質及結渣機理初探.

［3］ 王雪濤，焦有宙. 城市生活垃圾焚燒飛灰基本特性研究. 電站系統工程.

［4］ 趙光杰，李海濱. 垃圾焚燒飛灰基本特性研究. 燃料化學報，2005.4.

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1009-797X （2015） 18-0071-03

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.18.027

劉剛（1983-），男，畢業于重慶電力高等專科學校，從事垃圾焚燒發電廠管理工作。

2015-08-11