鍋爐水冷壁提質增容改造技術應用研究

李清伍

（廣州環投增城環保能源有限公司，廣東 廣州 511335）

0 引言

生活垃圾焚燒發電技術是通過垃圾在高溫下與空氣中的氧氣發生劇烈化學反應，釋放熱能，熱能再經過余熱鍋爐進行回收發電，以實現資源循環利用。由于可以做到減量化、無害化、資源化處理生活垃圾，所以目前獲得廣泛采用[1]。

我國早期的垃圾焚燒爐由于考慮到國內生活垃圾熱值低含水率高的特點，為使垃圾能更好地燃燒，通常焚燒爐爐膛都采用絕熱爐膛結構，隨著社會發展和經濟水平的提高，城市生活垃圾熱值有了大幅的提高，導致焚燒爐的容積熱負荷整體上升，焚燒爐膛溫度高于1100℃，造成爐膛結焦、爐墻損壞等問題，對鍋爐的整體安全、經濟運行造成影響。因此，有必要在鍋爐水冷壁改造方面做技術研究，優化解決該問題。

1 提出問題與分析

某電廠配備3臺日處理能力750噸的生活垃圾焚燒爐排爐，3臺中溫、中壓、單汽包自然循環臥式水管鍋爐，設計熱值6800k J/kg，配套煙氣處理系統為國內首批采用雙脫酸、雙脫硝處理工藝，處理后環保排放指標優于《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18485-2014）。于2018年調試運行，投產后根據近兩年的運行數據，目前的生活垃圾熱值平均值約9500k J/kg，遠高于當初的設計熱值（6800k J/kg），導致焚燒爐爐溫偏高，長期運行在1150℃以上，最高達1200℃。長周期持續的超高溫運行，致使鍋爐結焦嚴重、爐墻經常局部損壞。爐溫高嚴重影響焚燒爐和余熱鍋爐的安全、穩定、經濟運行：（1）焚燒爐墻結焦嚴重，鍋爐經常掉焦，嚴重時鍋爐MFT保護動作、除渣機頻繁堵塞；（2）焚燒爐爐墻經常局部燒壞，甚至存在坍塌的重大安全隱患；（3）鍋爐換熱面煙氣腐蝕性加劇，三管減薄速度加劇，存在泄漏的安全隱患。

1.1 問題分析

垃圾品質變化的影響。該電廠處理的生活垃圾內部含有工業垃圾及邊角料、垃圾含水率大幅低于設計值，設計垃圾熱值為6800k J/kg，實際熱值為9500k J/kg左右，遠遠高于鍋爐設計值，導致鍋爐爐膛出口溫度高達1150℃，遠高于設計值961.8℃，甚至高于灰軟化溫度1100溫度，所以爐膛結焦嚴重。

焚燒爐設計的影響。該電廠焚燒爐燃燒室設計為順流式、爐拱形式為單前拱，無后拱。存在問題：鍋爐在運行過程中，爐膛設計無后拱，沒有布置水冷壁吸熱，輻射熱不能及時被帶走，熱量直接作用于垃圾表面助燃，大量熱量集中在前后拱區域，導致該區域熱量集中，結焦嚴重、焚燒爐墻經常燒壞。技術分析：垃圾在爐膛內充分燃燒的關鍵是高溫煙氣的紊流程度，為達到最佳焚燒效果，爐膛的設計非常關鍵；爐膛的設計主要是爐膛形狀和尺寸，爐拱作為燃燒室的組成部分，其作用十分重要，也是爐膛設計的關鍵，爐拱正常由前拱和后拱組成；爐拱具有儲存熱量和輻射熱量的功能，其基本設計依據是輻射與對流原理；按照垃圾與煙氣的運動方向，可將燃燒室分為順流式、逆流式與混流式，目前較少采用順流式燃燒室，多采用混流式燃燒室；因為垃圾是以揮發分燃燒為主，容易著火，逆流和混流兩種形式的燃燒室前拱均采用斜面式拱且不設前拱下的著火拱，以增強前拱的輻射熱，并促使煙氣向前流動，直接對新進入的垃圾進行對流加熱，后拱采用長而盡量低的斜面式拱，將后拱下產生的煙氣引導至爐前方，增強著火區、燃燒區的輻射熱及對流換熱。這方面的研究聶永豐教授等進行過數值模擬研究提出：既要保證爐膛空間良好的火焰充滿度，又要使喉口位置煙氣瑞流效果強烈，充分發揮爐拱的輻射及對流傳熱的效果，使燃燒區和燃盡區垃圾產生的揮發分氣體和固定碳都得到充分燃燒，前拱不動，后拱后移0.5m時可以實現最佳的爐膛流場工況[2-3]。

燃燒配風的影響。該電廠煙氣凈化采用全球領先的工藝技術，即“SNCR+半干法+活性炭噴射+袋式除塵器+濕法+SCR”，實現雙脫酸雙脫硝，煙氣排放指標優于歐盟2010標準。煙氣處理效率的提高，同時也帶來了煙氣系統設計復雜、系統阻力大的問題，引風機設計功率為2000kw、全壓15k Pa，所以為了減少系統阻力、盡量降低煙氣流速，以維持鍋爐的正常穩定運行，鍋爐燃燒實際配風量明顯低于設計風量，省煤器出口氧量約為3%（設計為6%）。鍋爐燃燒風量偏小帶來的問題：一方面會造成煙氣中一氧化碳含量偏高，降低了無機物灰渣熔點，增加了爐壁結焦的趨勢；另一方面，二次風投入量偏少，氧量長期偏低，會使垃圾中的未燃燒顆粒在經過焚燒爐出口時，容易因重量問題而產生大面積沉積，在喉部上方結焦，并增加飛灰在喉部的沉積結焦的趨勢。爐墻結焦加劇又增加了水冷壁吸熱的阻力，導致爐膛水冷壁吸熱能力下降，爐膛出口煙溫升高，后續還將加劇對流換熱面的高溫腐蝕，影響過熱器的安全運行[4-5]。

1.2 解決方案

根據上述分析，為解決爐溫高導致爐墻頻繁損壞和鍋爐結焦的問題，決定采取對焚燒爐和余熱鍋爐進行水冷壁增容改造，將空冷爐墻取消，將水冷壁下拉，側墻和后墻均改造為水冷爐墻，并增加后拱。以提高焚燒爐的垃圾熱值適應能力和設備整體可靠性安全性，提高垃圾處理量提高經濟性。

2 鍋爐水冷壁增容改造實施

2021年1月對3號鍋爐進行提質增容改造，改造目標：將焚燒爐兩側墻和后墻耐火磚爐墻大部分取消，將余熱鍋爐水冷壁下拉替換爐墻，增加換熱面積，一方面可增加吸熱量降低爐膛溫度提高經濟性，另一方面大量取消耐火磚爐墻可提高焚燒爐整體可靠性安全性，有效消除爐墻坍塌的重大安全隱患。

2.1 改造前的設計和問題

焚燒爐區域前拱區域設置水冷壁，左側、右側、后墻為焚燒爐爐墻，未設置水冷壁，爐墻結焦、損壞頻繁，。

圖1 爐墻結焦及損壞情況圖

2.2 改造內容

（1）拆除一通道兩側墻及后墻原水冷壁下集箱及以下的磚墻部分，兩側墻水冷壁將延伸至爐排上方約1米的位置，余下部分將用磚墻過渡；（2）膜式水冷壁底部采用膨脹節與磚墻連接，保證爐膛的膨脹不受影響，同時做好接口密封配合；（3）改造后介質將從每側下降管各引數路支管，進入爐底新增的水冷壁進口集箱，通過膜式壁后，由出口集箱匯合并接入原上部水冷壁側墻管中；（4）新增的膜式壁將覆蓋原磚墻盡量大的范圍，同時在爐內向火側敷設耐火燒注料，以減少此部分膜式壁吸熱，避免對一通道爐膛煙溫產生較大的影響；（5）新增膜式壁荷載通過原上部水冷壁和鋼結構承受，新增管道及集箱通過支吊架將承載在鋼結構上。

2.3 改造設計

（1）水冷壁設計、制造滿足《鍋爐安全技術監察規程》；（2）爐膛設計壓力：±5800Pa，最大瞬時承載壓力：±8700Pa；（3）焚燒爐左右側墻、后墻的管屏、集箱及引入引出管：設計壓力P=4.664MPa、工作壓力4.40MPa、水壓試驗壓力Psw=6.6MPa，設計溫度t=271℃、出口工作溫度t=257℃。

2.4 改造實施

（1）拆除空冷爐墻。拆除焚燒爐兩側墻及后墻的絕熱磚墻部分，兩側墻水冷壁將延伸至爐排上方約1米的位置；（2）安裝膜式水冷壁。將一通道下部爐膛兩側墻及后墻水冷壁下拉，加裝膜式水冷壁。

圖2 水冷壁改造圖

3 改造結果

本次3號鍋爐水冷壁增容改造于2021年1月底完成，改造后運行至今，焚燒爐運行狀況安全可靠。從運行數據看，焚燒爐爐膛溫度降至1100～1140℃，焚燒爐結焦情況有所好轉，解決了爐墻損壞停爐檢修的問題，鍋爐垃圾處理量和全廠發電量都有提升，鍋爐經濟性提高。

3.1 改造投資分析

（1）改造前爐墻損壞檢修維護費用每年約為200萬元，每年爐墻檢修導致鍋爐停運損失約為120萬元，總共增加生產成本每年約320萬元；（2）本次3號鍋爐水冷壁增容改造預算500萬元，改造時間安排在鍋爐A修期間進行，故不產生鍋爐機組停運損失，總計該次改造費用約為500萬元；（3）每年的經濟收益約350萬元，兩年內可回收投資成本。

3.2 提質增容效果分析

（1）焚燒爐兩側墻和后墻耐火磚爐墻大部分取消后，解決了焚燒爐墻損壞經常停爐檢修的問題；（2）焚燒爐兩側墻和后墻水冷壁下拉后，增加了水冷壁換熱面積和容積，降低了爐膛出口溫度約25℃，基本解決了爐膛嚴重結焦的問題。

4 結語

3號鍋爐通過水冷壁提質增容改造后，解決了爐墻頻繁損壞、爐膛溫度高嚴重結焦等的問題，提高了焚燒爐的安全穩定性，經濟性指標也顯著提高，證明本次3號鍋爐水冷壁擴容改造技術可行，后續1、2號鍋爐也將采用該方法進行改造。對于出現類似的垃圾焚燒爐超溫、結焦及爐墻損壞問題的解決具有一定的參考價值。