垃圾焚燒電廠焚燒爐-余熱鍋爐性能對比試驗研究

劉 軍，李全功，羅曉宇，王為術，姚 勝

(1.華北水利水電大學電力學院，鄭州 450045；2.西安熱工研究院有限公司蘇州分公司，蘇州 215153)

隨著社會經濟的快速發展及人們生活水平的不斷提高，城市生活垃圾數量不斷增加，垃圾焚燒發電技術因符合“減量化、無害化、資源化”的固廢處理要求而備受關注[1-3]。自1988年中國第一座垃圾焚燒電廠投運以來，在國家相關產業政策的鼓勵引導下，中國垃圾焚燒行業取得了蓬勃的發展。截至2018年年底，中國投運垃圾焚燒電廠的數量已達到300余座，垃圾焚燒發電技術已成為中國城市生活垃圾處理的主導技術[4-5]。

針對垃圾焚燒發電，已有的研究主要集中在國家政策、灰渣處理[6-9]、污染物控排[10-14]、控制系統優化[15-16]及運行優化調整[17-18]等方面，而針對現役老機組改造的研究較少。以某生產工藝及設備完全相同的A、B兩垃圾焚燒電廠為研究對象。自2003年機組投運以來，機組均未進行技術改造，隨著機組運行時間增加，兩臺機組日垃圾處理量均不斷減小，遠小于設計的垃圾處理量；水冷壁、過熱器及省煤器泄露頻率增加，嚴重影響機組正常運行及發電效益。同時，對比兩電廠運行參數及機組發電量發現，額定負荷條件下，B電廠主蒸汽流量及機組發電量均低于A電廠。為掌握機組運行狀況，探索兩電廠運行參數差異的原因，試驗研究了兩電廠焚燒爐-余熱鍋爐性能，對比分析焚燒爐-余熱鍋爐效率，定量計算各項熱損失，并對過熱器性能進行對比，總結機組運行中存在的技術問題及解決措施，試驗結果可為電廠經濟高效運行及技術改造提供指導。

1 設備及方法

1.1 機組概況

A、B兩電廠焚燒爐均采用比利時SEGHERS公司生產的傾斜多級往復順推爐排，單臺焚燒爐處理能力為400.00 t/d，余熱鍋爐為武漢鍋爐廠制造生產的中壓自然循環單汽包爐，平衡通風形式，焚燒爐-余熱鍋爐主要技術參數如表1所示。煙氣凈化系統采用“選擇性非催化還原技術(selective non-catalytic reduction，SNCR)+半干法脫酸+活性炭噴射+袋式除塵器+選擇性催化還原技術(selective catalytic reduction，SCR)”的工藝，配套安裝兩臺武漢汽輪機廠生產的型號為N12-3.8型中壓、單缸、凝汽式汽輪機及兩臺QF-12-2型發電機。

表1 A、B兩電廠焚燒爐-余熱鍋爐主要技術參數Table 1 Main technical parameters of incinerator-heat recovery boiler in power plants A and B

余熱鍋爐出口煙氣經過半干式反應塔，煙氣中的酸性氣體被石灰漿溶液充分吸收。在半干式反應塔與布袋除塵器連接的管道中噴射碳酸氫鈉與活性炭粉末，能夠吸收煙氣中剩余的酸性氣體、重金屬和二噁英等物質；之后煙氣進入布袋除塵器，被活性炭吸附的重金屬、二噁英及粉塵在布袋除塵器內被分離出，由灰斗排出，通過輸送設備進入灰倉。煙氣經布袋除塵器后進入選擇性催化還原系統，進一步脫除煙氣中NOx成分，并經引風機輸送至煙囪，由煙囪排入大氣。

1.2 測試設備及方法

試驗過程中，采用畢托管及微壓計(型號HM7750)測量一次風、二次風及省煤器出口煙氣流量，省煤器出口煙道煙氣濕度采用濕度槍測量，風煙系統溫度采用K型鎧裝熱電偶及點溫計(型號F-51-2)實時測量。利用ROSEMOUNT公司生產的NGA2000型煙氣分析儀實時測量省煤器出口煙氣中氣體成分，包括O2、CO、CO2、NO濃度，機組主蒸汽流量、溫度、壓力等采用電廠安全儀表系統(safety instrumented system，SIS)數據?；以蛹爸茦臃椒▍⒖紭藴省渡罾贌以又茦优c檢測》(CJ/T 531—2018)[19]。根據測試結果計算并對比分析焚燒爐-余熱鍋爐性能，焚燒爐-余熱鍋爐效率計算方法參考歐盟標準[20]。為進一步研究尾部煙道換熱器性能，按照等截面網格法分別在過熱器及省煤器進出口對開溫度測孔，每側6個測孔，每個測孔內放置3根熱電偶。以過熱器進口煙道為例，過熱器進口煙道截面可獲得36個溫度數據，求取36個溫度數據的平均值，即為過熱器進口截面的煙氣溫度。尾部煙道測點布置示意圖如圖1所示，溫度實時采集系統如圖2所示。

圖1 尾部煙道測點布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring point arrangement in tail flue

圖2 溫度采集系統布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of temperature acquisition system arrangement

2 試驗結果與分析

2.1 焚燒爐-余熱鍋爐性能分析

試驗過程中，A、B兩電廠均以鍋爐最大連續蒸發量，即100%MCR (maximum continuous rating)負荷工況時機組熱負荷為基準，分別測試煙/風流量、溫度及省煤器出口煙氣成分等數據，同時多次抽取渣樣化驗并計算爐渣熱灼減率，根據測試結果分析焚燒爐-余熱鍋爐性能。因垃圾成分復雜，試驗時采用發酵時間足夠充分的垃圾，以減少機組負荷波動。試驗開始前，機組負荷穩定0.50 h后開始試驗，試驗測試6.00 h。根據試驗測試結果計算焚燒爐-余熱鍋爐效率及垃圾熱值，計算結果如表2所示，A電廠各部分能量所占比例及總熱損失中各項熱損失所占比例如圖3所示，B電廠各部分能量所占比例及總熱損失中各項熱損失所占比例如圖4所示。

由表2、圖3及圖4可得，A、B兩電廠省煤器出口排煙溫度遠高于設計排煙溫度(通常為200.00～230.00 ℃)，A電廠實測排煙溫度為288.30 ℃，B電廠為269.62 ℃，過高的排煙溫度會造成排煙熱損失增大，通常排煙溫度升高15.00～20.00 ℃，鍋爐效率下降1個百分點。100%MCR負荷工況下，計算可得A、B兩電廠焚燒爐-余熱鍋爐效率分別為77.33%及77.49%，均低于設計值(80.00%)。各項熱損失計算結果表明，總熱損失中排煙熱損失所占份額最大。A廠的計算結果表明，總熱量中排煙熱損失占18.78%，總熱損失中排煙熱損失占82.84%，其次為爐渣熱損失，占12.27%；B廠的計算結果表明，總熱量中排煙熱損失占19.04%，總熱損失中排煙熱損失占84.61%，其次為爐渣熱損失，占9.21%。試驗結果表明，A、B兩電廠省煤器出口排煙溫度均較高，其原因可能有兩個方面：一為隨生活水平提高。生活垃圾熱值不斷增加，遠超過兩電廠的設計垃圾熱值，導致垃圾焚燒爐處理能力大幅下降，同時造成爐膛出口溫度普遍升高。根據試驗結果可計算出試驗期間A電廠垃圾熱值為7 588.99 kJ/kg，B電廠垃圾熱值為7 336.19 kJ/kg，兩電廠垃圾熱值均遠高于設計垃圾熱值(5 861.00 kJ/kg)。另一方面，隨機組運行時間增加，水冷壁、過熱器及省煤器換熱性能可能變差，影響機組經濟性。排煙溫度過高可造成過熱器及省煤器高溫腐蝕，管壁減薄速率加快，最終導致過熱器及省煤器泄露，影響機組正常運行。焚燒爐-余熱鍋爐效率計算結果表明，A、B兩電廠焚燒爐-余熱鍋爐效率均偏低，其主要影響因素為排煙溫度過高，排煙熱損失較大。為進一步改善焚燒爐-余熱鍋爐性能，提高機組經濟性，需采取措施降低排煙溫度或對尾部余熱加以利用?？刹扇〉拇胧┌ǎ核浔诙押?，提高水冷壁吸熱量；爐排打孔，加強一次風與爐床料層的混合、攪拌，實現均勻布風；更換或增加過熱器及省煤器管屏，同時采取措施對尾部余熱加以利用，增加機組效益。

表2 焚燒爐-余熱鍋爐效率計算Table 2 Calculation of incinerator-heat recovery boiler efficiency

圖3 A電廠各部分能量所占比例及總熱損失中各項熱損失所占比例Fig.3 The proportion of various parts’ energy and the proportion of each heat loss in total heat loss in power plant A

圖4 B電廠各部分能量所占比例及總熱損失中各項熱損失所占比例Fig.4 The proportion of various parts’ energy and the proportion of each heat loss in total heat loss in power plant B

2.2 過熱器、省煤器性能分析

為進一步研究A、B兩電廠排煙溫度過高的原因及兩電廠運行參數的差異，對余熱鍋爐尾部煙道過熱器及省煤器性能進行分析。試驗過程中，分別測試過熱器及省煤器進出口煙氣溫度，計算過熱器進口到省煤器進口余熱利用率、省煤器進口到省煤器出口余熱利用率及過熱器進口到省煤器出口總余熱利用率，分析評價過熱器及省煤器性能，計算結果如表3所示。

由表3可得，A電廠過熱器及省煤器性能整體優于B電廠。100%MCR負荷工況時，B電廠過熱器進口到省煤器進口余熱利用率為34.91%，比A電廠低9.14個百分點；B電廠省煤器進口到省煤器出口余熱利用率為29.48%，比A電廠低0.24個百分點；B電廠過熱器進口到省煤器出口總余熱利用率為54.10%，比A電廠低6.58個百分點。為進一步評價過熱器性能，分別計算A、B兩電廠過熱器對數平均溫差，可得A電廠過熱器對平均數溫差為428.28 ℃，B電廠過熱器對數平均溫差為289.99 ℃。同等條件下，過熱器及省煤器余熱利用率低，即過熱器及省煤器性能差，則生成的過熱蒸汽量減少。由以上數據可得，A電廠過熱器及省煤器性能整體優于B電廠，同樣試驗條件下，可導致B電廠過熱蒸汽流量小于A電廠。

表3 A、B兩電廠過熱器及省煤器性能測試結果Table 3 Test results of superheater and economizer performance in power plant A and B

3 結論

(1)A、B兩電廠焚燒爐-余熱鍋爐效率分別為77.33%及77.49%，低于設計值(80.00%)，其主要原因為排煙溫度過高，排煙熱損失過大。

(2)A電廠實測省煤器出口排煙溫度為288.30 ℃，B電廠為269.62 ℃，遠高于設計排煙溫度，過高的排煙溫度可加快過熱器及省煤器等的腐蝕速率，增加受熱面泄露頻率，影響機組經濟性。

(3)A電廠過熱器及省煤器性能整體優于B電廠，同樣試驗條件下，可導致B電廠過熱蒸汽流量小于A電廠，造成B電廠運行經濟性低于A電廠。

(4)兩電廠排煙溫度均較高，排煙余熱利用潛力較大，為提高機組經濟性，建議對尾部余熱加以利用，如加裝低低溫省煤器，加熱凝結水或采用煙氣換熱器，加熱一次風等。