對垃圾焚燒爐過熱器節能改造的研究

文_姚冰 樂俊超

1.上海東石塘再生能源有限公司 2.上海環境集團再生能源運營管理有限公司

1 垃圾焚燒爐的研究現狀及過熱器節能改造的意義

1.1 垃圾焚燒技術的研究現狀

垃圾焚燒技術，就是一種將垃圾中有機可燃物質與氧氣接觸發生氧化還原反應從而轉變為灰渣并排出的技術，這種技術在使用過程中會放出大量的熱并應用到電力生產中，可有效地對垃圾進行資源化、減量化處理。目前，我國使用的垃圾焚燒技術有流化床焚燒爐技術、回轉窯焚燒爐技術、垃圾熱解氣化焚燒爐技術以及機械爐排焚燒爐技術，這些技術都有相應的優勢和特點。

1.2 垃圾焚燒爐的應用需求

垃圾焚燒爐是垃圾處理過程中非常重要的一類設備，在具體的應用中，隨著焚燒規模的進一步擴大，其應用需求也不斷的嚴格。首先，要保證垃圾焚燒爐具有完整的焚燒爐結構和性能。對于熱值不同的垃圾，需要不同的焚燒爐結構才能夠有效提高燃燒效率。其次，要有完整的煙氣凈化系統，為了保證環境不受到干擾，需要對焚燒產生的煙氣進行處理和凈化，目前典型的煙氣處理工藝是半干法/干法脫酸/濕法脫酸+布袋除塵+選擇性/非選擇性催化脫硝工藝。最后是完善的檢測控制系統，目前國內外的垃圾焚燒廠使用較為廣泛的控制系統是DCS控制系統，這種系統能夠全面有效地控制工藝過程，并有較好的應急能力。

1.3 垃圾焚燒爐過熱器節能改造的意義

在垃圾焚燒過程中，鍋爐高溫過熱器區域會逐漸結焦積灰，達到一定程度就會導致高溫過熱器區域發生嚴重的堵塞現象，在長期吸熱不均勻的情況下會使得鍋爐過熱區域的溫度異常升高，導致過熱器管超溫損壞，給垃圾處理企業造成經濟損失。因此，需要對垃圾焚燒爐過熱器進行節能改造，徹底解決結焦積灰問題，保障工作人員的安全和企業的經濟效益。

2 垃圾焚燒爐過熱器現有問題及影響因素

2.1 影響灰粒沉積的主要因素

所謂積灰，就是燃燒過程中產生的灰分不斷地發生形的變化以及輸送效果，而這也是過熱器出現堵塞的主要原因，而目前能夠影響灰粒沉積的因素包括有熱遷移、慣性撞擊、凝結、化學反應。前兩種直接與固體顆粒相關，而后兩者則主要是與氣體有關。在熱遷移和慣性碰撞情況中，以10Lm 的顆粒為分界線。當顆粒小于10Lm 時，主要是由于爐內溫度梯度的存在而使小粒子從高溫區向低溫區移動，發生熱遷移。而對于大于10Lm 的顆粒來說，慣性撞擊時造成灰粒向受熱面的壁面輸送。當含有灰粒氣流轉向時，具有較大慣性動量的灰粒離開氣流而撞擊到受熱面的壁面上。在凝結和化學反應情況中，堿金屬、硫和氯元素以氣體的形態相互撞擊，并且發生化學反應，而產物則凝結在飛灰顆粒和受熱面的壁面上，這些產物大多都是硫酸鹽或者氯化物，導致積灰層逐漸增厚，也就是凝結現象。

2.2 堿金屬的影響

在飛灰中，堿金屬很容易受到高溫而氣化，特別是一些水溶性的堿金屬化合物，而這些氣化的堿金屬化合物容易與揮發性的氯結合形成堿金屬氯化物。當產生的煙氣中含有較多的硫，這些堿金屬氯化物將會與硫發生反應，從而生成硫酸鹽，這些硫酸鹽在焚燒爐過熱器中受到高溫并積灰，并具有一定的粘性。比如硫酸鈉的熔點要低于硫酸鉀，所以其也是主要的凝結物質，在凝結之后由于長時間與三氧化硫、氧化鐵等物質接觸而導致其容易生成堿金屬復合硫酸鹽，這種鹽類的熔點要低于高溫對流受熱面的溫度，所以其呈現出熔融的形態，從而更具粘性，在管道表面進行粘結。另外，如果一些已經氣化的堿金屬在凝結的過程中會進一步加大接觸面積，并且少部分會存在液相，這也使得飛灰之間有著較快的燒結。

2.3 高溫爆管現象研究

高溫過熱器區域堵塞如果過于嚴重會導致爆管現象，而過熱器的高溫段爆管后僅能夠進行堵焊處理，而堵焊處理則會消耗有效管數，使得流通面積和換熱面積逐漸縮小，過熱器的壓差增大，蒸發量減小，嚴重損害了垃圾處理企業的經濟效益。目前，對于高溫爆管現象的直接原因是因為過熱器的高溫段底部彎頭有結晶物質，這部分的結晶物質使得熱阻增大，這也就使得其局部過熱，最終使得爆管現象。而出現大規模爆管的原因則比較復雜，包括有汽包內旋風分離器數量不足和分離效果不好導致飽和蒸汽含水量大、旋風分離器法蘭連接處密封不足使爐水在過熱器管中蒸發致使鹽類堆積、水冷段受熱面積小使得過熱器入口煙氣溫度抬高、減溫器采用鍋爐用水，其含鹽量較大導致堆積等原因。

3 改造工藝設計

3.1 裝置改造研究

垃圾焚燒爐過熱器裝置的改造包括對過熱器下集箱、管排弧彎、水冷壁、機械打清灰、管組密封盒、管屏下聯箱疏水管、水平煙道、蒸發器和各級過熱器、省煤器等結構或者裝置的改造，本文不做贅述。

3.2 煙氣工藝流程設計

在具有較高溫度的煙氣從燃燒爐進入組合除塵器后，需要對其進行分離工作，將大部分的粉塵清除后再進入鍋爐的本體中，并且保證清除后的煙氣能夠按照一定的次序通過水冷段、蒸汽過熱器、蒸發管束、省煤器以及空氣預熱器，從而達到降低溫度的目的，一般在溫度降低至150℃左右就可以進入除塵器。

3.3 汽水工藝流程設計

汽水的處理是非常重要的一項工藝。一般來說，汽水一般都是來自于除鹽水系統的除鹽水，通過水泵來增加壓力，并由此進入熱力除氧器。在除氧之后，汽水將會經過鍋爐加壓后的水泵，并分為三個部分。第一部分就是直接通過省煤器來進入鍋筒，并且充當鍋爐的補充水。第二部分則直接送入蒸汽過熱器的中部減溫帶，作為溫度調節劑來調節蒸汽過熱器中的蒸汽溫度。在鍋筒中，爐水將直接通過下降管輸送到對流管束下部集箱和水冷段下部集箱以及燃燒爐水冷組件下集箱。經過加熱后，爐水將上升到鍋筒中，而鍋筒中的飽和蒸汽則通過分離裝置進入蒸汽過熱器，進入汽輪機進行發電或供給熱用戶使用。

3.4 過熱器爆管問題應對策略

過熱器爆管問題主要是由結焦和積灰導致。目前需要采取措施有爐膛溫度控制、焚燒爐的熱負荷和蒸發量控制、風量和風溫控制、清灰措施控制、入爐垃圾熱值穩定性控制、爐膛出口負壓控制、煙氣攜帶飛灰量減小措施、清焦措施優化、使用清灰除焦劑等。本文主要探討垃圾焚燒器過熱器改造策略，下面主要對設備改造和清灰除焦劑進行研究。

3.4.1 一次風溫調整

提高一次風溫可以有效地加強干燥效果，并避免風溫隨汽機負荷大幅度變動的情況，這可以通過在一抽雙減出門口前引一個單獨蒸汽接到空預器母管門后，從而使得其作為空預器一級單獨供氣，達到提高一次風溫的效果。一次風溫提高可有效減少一次風量的使用，降低爐膛內飛灰產生，從而間接減少過熱器處的飛灰積聚。

3.4.2 吹灰器的選擇

焚燒爐過熱器吹灰方式有蒸汽吹灰、激波吹灰、聲波清灰、機械振打清灰等多種方式。利用多種清灰方式相結合的方法，可有效去除熱器管壁附著的飛灰，降低飛灰結塊的幾率，防止堵塞煙氣通廊。同時可在相應的吹灰效果下減少吹灰器管道的維護量，從而達到更好的機組效率。

3.4.3 清灰除焦劑

本文對清灰除焦劑的討論主要在于堿金屬脫除劑。國內外對于堿金屬脫除劑的研究眾多，比如說在1988 年就有學者針對于澳大利亞低品質煤在燃燒時加入某些試劑來達到減小積灰情況進行研究。而當時的研究表明，高嶺土、白云石、粗砂、很細的礬土等添加劑都可以有效地降低其燒結強度。而在國內，通過對高溫煙氣模擬實驗的研究可以得到，通過活性礬土、二氧化硅、硅藻土、煤灰等在高溫下都有一定的堿金屬脫除效果，而在后續實驗中得出了高嶺土的堿金屬容量更好的結論。目前，眾多研究表面堿金屬脫除劑的效果與吸附劑的化學成分、吸附劑的孔結構等都有非常緊密的關系，目前清灰除焦劑在國內部分企業針對爐膛及過熱器清焦清灰，已經進行使用。

4 效果評價

通過上述改造，可以使焚燒爐各部分煙氣側壓差會有相應的降低，煙氣的流動更加流暢，煙氣的阻力減小，降低管排和管排之間積灰的可能性。

在經濟方面，通過對堿金屬的有效脫出，焚燒爐過熱器能夠減輕積灰，延長設備的運行時間，減少非計劃停爐檢修，可為垃圾處理企業帶來可觀的經濟效益。

5 結語

過熱器結焦積灰是垃圾處理企業經常遇到的運行問題，會導致非停增加、降低運行效率，增加運行廠用電等問題，增加企業運行成本，嚴重者會造成設備損毀等事故危及企業安全運行，因此必須對垃圾焚燒過熱器進行研究和優化。本文即以此為核心進行了探討，希望能夠對有關人員提供參考。