福州某垃圾焚燒廠鍋爐燃燒熱效率關鍵影響因素研究

陳 飛，羅威威，尤 俊，王志建

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建 福州 350008）

隨著社會高速發展，人類活動產生的垃圾量隨之劇增。據生態環境部發布的《2018年全國大、中城市固體廢物污染環境防治年報》數據顯示：2017年全國202個大、中城市生活垃圾產生量高達20194.4萬噸[1]。土地資源日益緊張，垃圾填埋的處理方式嚴重受限；而焚燒可使生活垃圾體積減少85%-90%，質量減少80%，還能回收一部分能量，是目前國內一種有效且前景廣闊的垃圾處理方法[2-4]。目前福建省內共有41臺在用的垃圾焚燒爐，且數量還將持續增加。

垃圾焚燒爐實質上也是鍋爐種類之一，而鍋爐的評價指標之一是運行熱效率。通過測試垃圾焚燒爐的熱利用效率，與設計熱效率相比較，分析影響鍋爐熱效率的關鍵因素，尋求有效的提升鍋爐熱效率的措施，指導企業進一步降低能耗，實現節能增效的目的。文中采用反平衡法對福州某焚燒廠三臺垃圾焚燒爐的能效進行測試。

1 垃圾焚燒鍋爐概況

文中選取福州市某垃圾焚燒廠作為研究對象，該廠共有3臺垃圾焚燒鍋爐，鍋爐編號分別為1#、2#與3#，主要處理市區內的生活垃圾，鍋爐型號SLC300-4.1/400，日處理垃量3×300噸，往復爐排結構。垃圾焚燒鍋爐運行流程如下：垃圾在垃圾貯存池中發酵3-7天后，由抓斗將其從前部料斗進入爐排，經燃燒、放熱、減量后落入出渣機排出，冷空氣經空氣預熱器加熱后進入爐膛，垃圾燃燒后的熾熱煙氣經爐膛、第二煙道（布置有旗式對流管）、第三煙道（布置有對流蒸發器和三級對流過熱器）、尾部煙道（布置有省煤器和空氣預熱器）換熱后排出鍋爐。

2 測試方法

垃圾焚燒爐的熱效率測試按照GB/T 18750《生活垃圾焚燒鍋爐》第7.4條規定：垃圾焚燒爐及余熱鍋爐按照GB/T 10184《電站鍋爐熱工性能試驗規程》測試，現場采用反平衡法進行測試，吳劍[5]列出了反平衡的計算過程。煙氣含氧量、CO2與CO濃度采用德國MRU公司型號為MGA5的紅外煙氣分析儀進行測試；排煙溫度采用美國安捷倫公司型號為34972型的數據采集系統進行采集，每15min采集一組數據。

生活垃圾燃料的采樣與分析參照行業標準CJ/T 313-2009《生活垃圾采樣和分析方法》。生活垃圾燃料的熱值采用長沙開元5E-KCIV型快速量熱儀測定，工業分析采用長沙開元5E-MAG6700型工業分析儀測定。

3 結果與討論

3.1 生活垃圾燃料特性分析

分別對3臺鍋爐燃料的熱值與灰分進行分析，并與設計值比較，結果見表1。

表1 設計燃料與試驗燃料的特性數據

表1的分析結果顯示：

（1）試驗燃料的發熱量低于設計值。燃料熱值的設計值為6700kJ/kg，實測值僅為6120kJ/kg～6380kJ/kg。當熱值實測值低于設計值，導致爐膛溫度變低，爐膛內輻射傳熱減少，煙氣量增大，燃料在爐內停留時間變短，會導致鍋爐排煙溫度升高，增加排煙熱損失。

（2）灰分實測值高于設計值。灰分含量越大，發熱量越低，容易導致著火困難和著火延遲；同時高灰分會導致爐膛燃燒溫度降低，燃料燃盡度變差，造成飛灰可燃物高；灰分含量越大，碳粒可能被灰層包裹，碳粒表面燃燒速率降低，火焰的傳播速度減小，造成燃燒不良；另外飛灰含量越高，使鍋爐受熱面特別是尾部的省煤器、空預器受熱面的磨損加劇。

3.2 垃圾焚燒爐熱效率分析

文中通過測試鍋爐的排煙溫度、鍋爐蒸發量、爐渣與飛灰的可燃物含量，并采用反平衡法計算鍋爐的熱效率。表2列出了計算結果，以下數據均為測試的計算平均值。

表2 垃圾焚燒爐熱效率主要試驗結果

從表2的結果可知，3臺鍋爐的熱效率為70.59%、71.26%與71.60%，均低于設計熱效率77%。氣體未完全熱損失q3、散熱損失q5以及灰渣物理熱損失q6較小，三者之和不超過4%。而排煙熱損失和固體未完全燃燒熱損失占比很大，分別占11.92%～18.55%與12.05%～13.54%，兩者熱損失之和均在25%以上。下面針對排煙熱損失和固體未完全燃燒熱損失進行簡要分析：

鍋爐排煙熱損失q2主要取決于排煙溫度和排煙容積。由表2可知，3臺鍋爐的排煙溫度均超過了190℃，超過TSG G0002-2010中規定的排煙溫度不高于170℃的要求。排煙溫度高于200℃，說明鍋爐內熱交換不良，或是后段燃燒發生問題。原因可能是鍋爐受熱面積灰或結渣，阻礙受熱面傳熱，導致排煙溫度升高，而且3臺鍋爐的過量空氣系數均大于設計值1.4，過量空氣進入爐膛導致煙氣量增大，增加了排煙的熱損值。

3臺鍋爐的固體未完全燃燒熱損失均超過12%，僅次于排煙熱損失。鍋爐固體未完全燃燒損失q4主要由飛灰含碳量和灰渣含碳量計算得出。此項損失影響因素較為復雜，與燃燒方式、燃料種類、燃燒狀況有關，燃料本身成分如水分、揮發分、含碳量都會影響燃料的燃燒完全程度，此外燃料燃燒過程也是重要影響因素，諸如風料配比、進料速度、爐膛溫度及爐排速度等。

4 提高垃圾焚燒鍋爐熱效率的措施

通過分析3臺垃圾焚燒爐熱效率的測試結果，文中分別從排煙溫度、過量空氣系數等方面提出以下五點改進措施，以提高垃圾焚燒爐的熱利用效率。

（1）降低排煙溫度。

降低排煙溫度有兩個途徑：一是加強對流管束、省煤器和空氣預熱器的清灰；二是降低進水溫度。運行中的清灰一般采用蒸汽吹掃或振打等方式，根據儀表顯示的溫度判斷積灰程度進行吹掃。

（2）合理調整過量空氣系數。

合理調整送風與引風的配比，將過量空氣系數控制在合理范圍內。在保證燃料充分燃燒的條件下，控制好過量空氣系數有利于提高燃料燃燒效率，降低排煙熱損失。控制好過量空氣系數還可以減少燃燒過程中所產生的排煙量，降低鍋爐漏風系數、維持爐膛燃燒穩定，降低煙風系統的能耗。

（3）改善鍋水品質，減少排污，充分利用鍋爐排污熱量。

鍋爐鍋水定期排污次數與水質好壞、蒸汽壓力及使用藥劑等有關。鍋爐水經蒸發濃縮后，爐水中不純物比例逐漸增加，若不進行排污，將會造成爐管水側發生結垢、腐蝕等問題。但若排放次數過多，常會造成明顯的熱量損失與效率下降，而有效的解決方法就是改善鍋爐水質，充分利用鍋爐排污水熱量，降低散熱損失。

（4）加強鍋爐、管路及閥件等外部保溫。

保溫不良的損失對于節約能源而言，也是相當可觀的，如造成發現表面溫度過高，保溫效果不良等情況，應及時進行修復。保溫材料可視實際經濟效益選擇適當的材質和厚度。

（5）避免鍋爐長時間運轉于低負載。

由于鍋爐表面熱散失率與表面積成正比，當鍋爐運轉在低負載時，鍋爐熱散失率也較大，因而鍋爐熱效率會較低。

5 結論

通過對生活垃圾焚燒鍋爐的能效進行測試，得出以下結論：

（1）燃料特性分析顯示，生活垃圾燃料的實測熱值低于設計熱值，且灰分高于設計值，導致鍋爐實際運行的熱效率低于設計值。

（2）鍋爐排煙熱損失與固體未完全燃燒熱損失是影響鍋爐熱效率的最主要因素。

（3）通過降低排煙溫度、調整空氣系數等措施，可提高垃圾焚燒爐的燃燒熱效率。