垃圾焚燒余熱鍋爐二三通道結焦原因分析及應對措施

彭小軍++周洪權++傅玲瓊

摘 要：余熱鍋爐的結焦和積灰直接影響到垃圾焚燒發電廠的經濟性和安全性，本文分析了國內某垃圾焚燒廠鍋爐二三通道結焦成因，并結合本廠實際情況采取了相應措施，以期為國內垃圾焚燒行業的工作者提供參考。

關鍵詞：垃圾焚燒余熱鍋爐；結焦；高溫腐蝕；激波清灰

中圖分類號：TK227.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）07-0008-03

城市生活垃圾成分復雜多樣，含水量高，焚燒過程中很容易在換熱面上形成結焦和積灰。換熱面結焦積灰后導致傳熱熱阻增加，管內介質的吸熱量減少，鍋爐排煙溫度升高。理論計算和運行經驗表明，鍋爐排煙溫度升高15～20℃，鍋爐熱效率約降低1個百分點[1]，此外嚴重的結焦和積灰還會引起換熱管腐蝕和爆管停爐，造成重大的經濟損失和安全隱患。

垃圾余熱鍋爐主要分為四個通道，其中四通道（即水平通道）主要布置了蒸發器、過熱器和省煤器等對流換熱面。由于對流換熱面管束多，也是積灰最嚴重的區域。長期以來，垃圾余熱鍋爐通常都只是考慮了在四通道設置清灰裝置，而對于二三通道的結焦則很少關注。近年來隨著垃圾熱值的提高，鍋爐的熱負荷整體上升，導致鍋爐二三通道溫度均有所提高，也加重了該區域內水冷壁的結焦。

1 結焦原因分析

鍋爐結焦是煙氣中攜帶的熔化或部分熔化的灰顆粒，碰撞到受熱面管子被冷卻凝固而形成，主要出現在輻射、半輻射和高溫對流等受熱面。鍋爐結焦是一個物理、化學綜合過程，基本上分兩個階段。首先是垃圾中的堿金屬化合物、鈣和磷的化合物，由垃圾中揮發出來，變成以氧化物、氯化物、氫氧化物的蒸汽或氣體，隨煙氣沖刷換熱管，換熱冷卻后在管子外表面凝結，形成粘結性沉淀層。同時，在高溫煙氣中硫氧化物氣體長期作用（燒結）下，形成薄而密實的硫酸鹽沉積層（第一層灰），該沉積灰層極難清除。然后隨著灰層厚度不斷增加，其灰污表面溫度不斷升高，逐漸接近于當地煙氣溫度，若此煙氣溫度使灰處于熔化狀態，則在第一層粗糙的灰層表面極易粘附一些煙氣中尚未得到冷卻成為凝固狀態的液態灰顆粒，形成增長速度很快的梳狀、松散多孔的外灰層沉積物（第二層灰）。

鍋爐結焦，往往是由于眾多因素綜合作用的結果，而灰熔點的高低是其中最重要原因之一。一般認為，灰渣中CaO、MgO和Fe2O3等堿性氧化物質量分數越高，其熔融溫度越低[2]。通過檢測發現，垃圾焚燒后的灰燼中含有較多的堿金屬（鈣、鈉、鎂等），如下表1所示。垃圾成分中的這些堿金屬氧化物、氯化物及其硅酸鹽、硫酸鹽類易揮發，能促進灰層形成，降低灰熔點。從垃圾飛灰的實際灰熔融特性來看，其變形、軟化、熔融溫度都明顯低于煤灰的溫度，基本在1050℃時發生軟化，較煤灰低約200℃，且試驗發現此三個溫度點差距不大或沒有明顯分界。可以說垃圾本身的固有特性，決定了垃圾焚燒爐易于結焦的特性。

2 余熱鍋爐運行狀況

上海某垃圾焚燒發電廠共設有兩臺垃圾焚燒鍋爐，單臺設計日處理量為400t/d，垃圾低位熱值設計值為6700kJ/kg。

本項目于2014年年初開始運行，隨著城市生活水平的提高，垃圾的整體熱值均有所提高。根據表2焚燒廠2016年1-7月噸垃圾發電量統計表計算可得，本廠噸垃圾平均發電量約為400kW.h/噸。根據垃圾焚燒發電廠全廠熱效率0.20考慮，粗步估算金山廠的垃圾實際熱值基本超過7200kJ/kg。

由于焚燒廠運行后垃圾實際熱值偏高，如果焚燒爐滿負荷運行（即400t/d），則鍋爐總的熱負荷超過設計熱負荷，這樣鍋爐會因為吸熱面積相對偏低而導致鍋爐煙氣偏高。根據之前的運行數據（見表3），鍋爐一、二、三通道都出現了超溫現象，其中三通道出口煙溫長期維持在700℃以上，超過原設計值650℃。長期超溫運行造成鍋爐二、三通道及高溫過熱器受熱面結焦積灰非常嚴重（見圖1）。實際運行中基本上每2-3個月就需要停爐人工清灰一次，極大的增加了檢修和維護成本。

3 為減少鍋爐高溫結焦采取的相應措施

為減輕鍋爐結焦積灰，延長鍋爐連續運行時間，焚燒廠采取了以下措施。

3.1 控制鍋爐熱負荷

通過該廠焚燒爐兩年的運行經驗來看，當鍋爐長期超過額定熱負荷的時候，結焦積灰就比較快。由于垃圾熱值超過設計值，為了保持余熱鍋爐總的熱負荷不超額，目前每條焚燒線垃圾處理量都控制在370噸左右。

3.2 嚴格控制焚燒爐膛溫度

根據近幾年焚燒爐的運行經驗來看，當焚燒爐膛溫度高于1050℃，三通道出口煙溫高于650℃，則鍋爐二三通道和高溫過熱器結焦和積灰情況會加重。為改善鍋爐結焦積灰的現狀，焚燒廠除了控制垃圾處理量之外，還通過調節助燃空氣溫度和冷卻風量等措施，將焚燒爐膛溫度嚴格控制在1050℃以下。

3.3 鍋爐二三通道增加激波清灰

本項目設計初期只考慮在鍋爐四通道設置了機械振打清灰裝置，主要用于鍋爐過熱器、蒸發器和省煤器等對流換熱面的清灰。然而在實際運行中由于機械振打裝置制造精度和安裝精度未能達到設計值，而且設計采購的振打裝置采用的是空氣錘方式，運行中經常出現沖擊力小的情況，導致清灰效果很差，并且頻繁的振打震動也容易導致鍋爐換熱管焊口的損壞。2014年7月焚燒廠在鍋爐四通道增設了激波清灰（每臺爐共計38個點），此后機械振打清灰基本不再使用。

通常1mm的積灰對于傳熱的阻力大約是鋼鐵材料的50倍，由于余熱鍋爐二三通道結焦沒有采取任何清除措施，導致水冷壁的傳熱效率大大降低，鍋爐長期處于超溫狀態。長期超溫運行造成鍋爐二、三通道及高溫過熱器受熱面結焦積灰非常嚴重，為防止鍋爐腐蝕爆管，只能通過縮短鍋爐運行周期采用人工清灰來解決。為改變這一現狀，2016年2月焚燒廠計劃在鍋爐的二、三通道加裝激波吹灰器，考慮到激波清灰的有效半徑在1.5-2米，此次每臺爐共計增加20個激波吹灰點，具體位置見圖2。

4 改造效果

鍋爐改造后，于2016年3月重新啟動。表4為二三通道設置激波清灰后鍋爐運行的數據，從表中可見，盡管隨著鍋爐運行時間的延后，鍋爐因結焦和積灰的加重煙氣溫度逐漸在升高，但總的上升幅度比之前在變緩，其中三通道出口煙氣溫度在運行后3個月后才提高到700℃左右。總的來說，通過嚴格控制鍋爐熱負荷和焚燒爐膛溫度，加上二三通道設置了激波清灰設施，鍋爐結焦積灰情況都有了很好的改善。根據運行人員介紹，目前鍋爐的停爐清灰時間已由原來的2-3個月變為5-6個月，基本可滿足每年兩次停爐檢修的要求。

此次二三通道增加激波清灰點總的投入費用約為120萬（含設備費和安裝費），由于每年減少了兩次停爐清灰時間，焚燒廠垃圾處理和發電都有了一定的提高，具體收益見表5。

由表5可見，通過鍋爐二三通道增加清灰等措施的采用，初步估算每年全廠即可增加收入268.3萬元，基本一年之內即可收回改造成本，經濟效益十分可觀。

5 結語

鍋爐運行的穩定性對整個焚燒廠都至關重要，而有效解決鍋爐結焦積灰問題則是關鍵所在。在實際的設計和運行過程中，我們仍需要不斷的學習和改進，才能找到垃圾焚燒余熱鍋爐更好的清灰方法和方式，延長鍋爐的運行周期。

參考文獻

[1]林宗虎，徐通模.實用鍋爐手冊[M].北京：化學工業出版社，2009.4.

[2]戴愛軍，杜彥學，等.煤灰成分與灰熔融性關系研究進展[J].煤化工，2009（4），16-19.