余熱鍋爐高溫段水力清灰可行性分析

文_張瑾 福建龍凈環保股份有限公司、 龍凈能源發展有限公司

跟傳統的煤燃燒鍋爐相比，生活垃圾成分復雜，燃燒后的灰熔點相對較低，垃圾焚燒鍋爐運行一段周期后，會造成高溫段空煙道水冷膜式壁表面形成嚴重的積灰或結焦現象，導致膜式壁受熱面的吸熱量下降，余熱鍋爐蒸發量降低，同時還會對水冷壁造成熔鹽腐蝕。此外，由于高溫段吸熱量下降，過熱器的入口煙溫會增加，會造成過熱器的使用壽命降低。積灰嚴重時，只能通過采用人工在線爆破清灰方式或者停爐人工清灰，因此會帶來不必要的清灰風險以及停爐損失。本文以A項目為例分析垃圾焚燒項目余熱鍋爐的二、三煙道設置在線清灰系統必要性和經濟性。

1 項目概況

項目配置2×500t/d爐排焚燒線，其中余熱鍋爐采用單鍋筒、自然循環、室內布置、四通道臥式結構，過熱器采用三級布置、二級噴水減溫的結構型式，并布置有省煤器。

2 鍋爐主要參數

2.1 鍋爐基本設計參數

焚燒爐垃圾處理量為 500t/d，額定蒸汽出口壓力為4.0MPa，額定蒸汽出口溫度為450℃，鍋爐給水溫度為130℃，排煙溫度為190℃。

2.2 鍋爐高溫段基本尺寸

本項目主要考慮在鍋爐高溫段的二、三煙道設置清灰裝置，各煙道的尺寸規格如下：

第二煙 道為 長 方形結 構，其尺寸為11860mm×9040mm×2720mm（高度×寬度×深度），中間設置有膜式壁隔墻。考慮第一煙道側的開口、耐火材料的鋪設情況，理論可設置除灰區域尺寸7860mm×9040mm×2720mm（高度×寬度×深度）。

第三煙道尺寸均為11860mm×9040mm×2720mm（高度×寬度×深度），考慮水平煙道測的開口、耐火材料的鋪設情況，理論可設置除灰區域尺寸5810mm×9040mm×2720mm（高度×寬度×深度）。

3 鍋爐高溫段清灰的必要性

3.1 鍋爐積灰的產生

焚燒爐產生的高溫煙氣經過余熱鍋爐時，與水和蒸汽進行熱量交換后煙氣溫度降低，煙氣中微粒若因溫度降低在接觸受熱面時已凝固，則會在受熱面管壁面形成積灰；若顆粒在接觸受熱面時仍為熔化狀態，則在受熱面管壁上冷凝形成結焦層，同時熔融狀態的顆粒會起到類似粘合劑的作用，抓取煙氣中的固體顆粒形成大塊的難以清除的結焦層。

3.2 鍋爐積灰的危害

余熱鍋爐積灰、結焦后，會導致受熱面熱阻增加，鍋爐熱效率降低；會增加煙氣流通的阻力，造成煙氣通道內負壓降低甚至正壓，只能通過降低負載繼續運行或者停爐清灰，造成較大的經濟損失；同時高溫的煙氣進入過熱器區域會造成高溫腐蝕（研究表明過熱器入口煙溫高于650℃時，則高溫腐蝕程度加劇），爆管風險加大，過熱器的壽命下降。

實踐證明，在鍋爐運行過程中，有規律地對受熱面進行清灰，能較好地預防鍋爐的結焦、積灰和受熱面腐蝕，保障鍋爐安全運行，提高機組可用率。

3.3 高溫段清灰的重要性

對于垃圾焚燒鍋爐，由于水平煙道通道積灰現象顯著，鍋爐設計時在水平煙道的過熱器、蒸發器、省煤器前均會設置蒸汽或激波清灰裝置，可有效緩解這些管束上的積灰、結焦現象。高溫段設置清灰裝置同樣具有重要的意義：①增加膜式壁吸熱量，提高整體鍋爐效率，增加垃圾處理量以及蒸發量；②有利于降低其對膜式壁的腐蝕；③可有效降低過熱器入口煙溫，減小過熱器超溫風險，提高過熱器壽命；④降低水平煙道的結焦程度，有效減少停爐清灰次數，提高年運行時間；⑤煙道清灰作為一種主動調節手段，在鍋爐運行工況或燃料變化時，可靈活調整清灰范圍和頻率，穩定鍋爐出力以及蒸汽參數，降低控制難度。

4 清灰方式的選擇

4.1 清灰方式的主要類型

鍋爐的清灰方式主要有機械振打清灰、激波清灰、蒸汽清灰等。其中機械振打清灰對管接頭和集箱焊接質量的要求較高，故目前國內運用較少。激波清灰只限于第一排偏兩側管束，存在較大的吹灰盲區，只能去除沉積在受熱面表面的浮灰，且存在一定的安全隱患。蒸汽清灰可去除積灰和結渣，但因其會對受熱面造成損傷，需再裝防磨瓦板，目前主要用作管束的清灰，不適用于膜式壁上積灰的清除。而水力清灰利用水噴淋到膜式壁表面瞬間氣化產生的爆炸激波來清除其表面的積灰與結渣，比較適用于清除鍋爐高溫段膜式壁面的積灰和結焦。

垃圾鍋爐高溫段水力清灰在歐洲已經成熟應用，很大一部分垃圾焚燒余熱鍋爐上都有安裝使用，目前該技術在國內正大力推廣，清灰效果較好。

4.2 水力清灰的組成及實施

水力清灰系統主要包括桁架鋼軌、移動小車、金屬網軟管、噴頭、套管、套管入口密封擋板等。該裝置的清灰過程是在鍋爐的高溫段頂部安裝桁架鋼軌，鋼軌上安裝有可移動小車，小車可通過鋼軌移動到爐頂水冷壁上各個導管的位置，盤繞在小車內的軟管可沿著導管下降進入煙道內。軟管末端的噴頭進入煙道后，在水力推動下開始旋轉，形成傘狀水幕，當水遇到高溫膜式壁表面會瞬間氣化膨脹產生爆炸激波，利用激波來清除水冷壁表面的積灰與結焦。同時噴頭由軟管牽引在煙道內可上升和下降，實現膜式壁不同部位的積灰與結焦的清除。

4.3 水力清灰的運行效果

水力清灰技術在歐洲已經有成熟應用。圖1為三個歐洲項目在鍋爐設計階段的熱力計算結果，圖2 是某項目實際運行水力清灰后過熱器入口煙溫監測（每24h清灰一次）。可知水力清灰能明顯降低過熱器的入口煙溫，而在二、三煙道同時清灰下，過熱器入口煙溫可降低近100℃左右。鑒于清理二、三煙道的投資與僅清理三煙道的投資相比增加不大，故建議同時清洗二、三煙道。

圖1 不同項目高溫段水力清灰對過熱器入口煙溫的影響（理論計算）

圖2 某項目水力清灰對過熱器入口煙溫的影響（每24h運行一次）

過熱器入口煙溫對過熱器壽命有著至關重要的影響，一般400℃主汽溫度，過熱器入口設計溫度600℃；420～440℃主汽溫度，過熱器入口設計煙溫610℃。如果初始設計和后期運行都以此為參考，過熱器壽命一般在5年以上。

5 安裝水力清灰系統的可行性

對于新建項目建議最好在項目初期就安裝此設備，或者在設計的時候預留好爐頂開孔和位置，一般需要預留離爐頂3.5m左右的高度，預留寬度應該約為所清洗煙道的深度。余熱鍋爐設計階段，熱力計算以及布置受熱面的時候，就應該把水力清洗的效果考慮進去。A項目設計施工基本已經完成，要考慮安裝水噴淋清灰，只能從技改角度入手，現分析其可行性。

5.1 安裝位置及空間

A項目的垃圾焚燒鍋爐采用臥式鍋爐形式，爐膛以及第一煙道由于安裝了耐火材料以及必須保證停留時間（850℃，2s）的原因，一般不能清洗；其第二、三煙道沒有安裝耐火材料的位置，可考慮設置水力清灰裝置。A項目的鍋爐頂部平臺高度37.5m，鋼結構頂部梁高度約42m，頂部空間約4.5m，且此高度區域鍋爐二、三煙道無其他設備，故A項目具備水力清灰系統安裝空間條件。

5.2 對鍋爐性能的影響分析

根據當前A項目余熱鍋爐的設計，通過熱力計算得到水力清灰前后各受熱面入口的溫度分布情況見表1。

表1 A項目水力清灰前后各受熱面入口的溫度計算結果

由計算可知，水力清灰后高溫過熱器入口溫度可降低40℃（高溫段受熱面布置中可清灰受熱面較小，降溫幅度相對較低），有助于延長過熱器的壽命，同時及時清灰可降低高溫膜式壁面的熔鹽腐蝕，降低爆管風險。同時，各級鍋爐噴水減溫量都減少，可保證鍋爐負荷波動時的穩定性，可見水力清灰的實施有利于鍋爐的運行和維護。另外，在校核熱力結果時，發現A項目廠家所提供的熱力可能存在高溫段受熱面較小、換熱量不足的問題，若積灰嚴重，則污垢熱阻增加，換熱量更小。增加水力清灰系統可一定程度上緩解該設計上的不足。

6 水力清灰裝置設備構成及性能參數

6.1 水力清灰裝置設備構成（見表2）

表2 水力清灰裝置設備構成

6.2 水力清灰裝置性能參數（見表3）

表3 水力清灰裝置性能參數

密封空氣壓力(MPa) 0.6～0.7電機總功率（kW） 8絕緣等級 F防護等級 IP55

7 經濟效益分析

鍋爐高溫段清灰后，高溫段及水平段結焦結渣情況會有所改善，污垢熱阻減小，總傳熱系數增加，鍋爐發電效率增加；另外進入過熱器的煙溫減少，過熱器使用壽命延長，同時高溫腐蝕現象得到改善，非計劃停爐減少，各項均帶來運行成本減少或經營收入增加。以500t/d的焚燒爐為例各項收益估算見表4。

表4 增加水力清灰后鍋爐經濟效益分析

由表4可知水力清灰后帶來的鍋爐系統總收益為36.25萬元/a，考慮水力清灰系統的總投資約150萬元，則該方案約4a可回本，可見水力清灰系統經濟效益顯著，建議增設。

8 結語

綜上，水力清灰裝置能顯著改善高溫段的積灰結焦現象，降低過熱器入口煙溫，從而提高過熱器壽命，緩解水平段的結焦問題，降低鍋爐的控制難度，經濟效益顯著。