垃圾焚燒余熱鍋爐投運初期過熱器吸熱量特性研究＊

金 飛，郭孝武，龍吉生，趙翠玲

（1.上海康恒環境股份有限公司，上海 201703；2.上海生活垃圾焚燒處理技術及裝備工程研究中心，上海 201703）

0 引言

隨著我國城市規模及人口大幅增加，城市生活垃圾產生量也呈逐年上升趨勢。國家發展改革委等部門發布《關于加快推進城鎮環境基礎設施建設的指導意見》，提出到2025 年，城鎮生活垃圾焚燒處理能力達到8×105t/d 左右，占無害化處理能力比例達到65% 左右［1］。焚燒處理因其減量化、資源化和無害化效果突出，使得近幾年垃圾焚燒廠投運數量大幅增長，已成為我國生活垃圾處理的主要方式［2-4］。

目前垃圾焚燒爐主要有機械爐排爐、流化床焚燒爐和回轉窯焚燒爐3 種類型，其中回轉窯焚燒爐多用于處理危險廢物，機械爐排爐及流化床爐多用于處理生活垃圾，且機械爐排爐所占比例越來越大，已成為主流的垃圾焚燒方式［5］。

投運初期的機械爐排爐大多出現過熱汽溫低于設計值，或達到設計汽溫，但運行6 個月后隨著積灰加重，又出現減溫水量偏大問題。汽溫偏低不僅會降低發電效率，而且會使汽輪機末級蒸汽濕度增加，加大葉片侵蝕風險，威脅汽輪機安全運行［6-7］。過熱器減溫水量大或頻繁投入會引起減溫水因霧化效果降低而不能完全汽化，減溫器后管件產生交變應力，導致管件開裂，影響機組安全運行［8］。

針對以上問題，對比垃圾焚燒余熱鍋爐與煤粉鍋爐的過熱器布置型式和熱力數據，以及余熱鍋爐不同時段的熱力數據，進而對余熱鍋爐過熱器的吸熱量變化特性進行分析研究。

1 材料與方法

1.1 鍋爐類型

1.1.1 垃圾焚燒余熱鍋爐

某機械爐排垃圾焚燒余熱鍋爐布置示意如圖1所示。鍋爐采用臥式布置，焚燒煙氣經過一、二、三水冷空腔煙道后進入水平煙道，水平煙道內依次布置一級蒸發器、高溫過熱器、中溫過熱器、低溫過熱器、省煤器，煙氣完成換熱后進入尾部凈化系統。過熱器入口煙溫約620 ℃，出口煙溫約340 ℃，整體布置于煙溫較低的區域。

圖1 垃圾焚燒余熱鍋爐布置示意Figure 1 Arrangement schematic of the waste incineration waste heat boiler

1.1.2 煤粉鍋爐

某蒸發量130 t/h 高溫高壓（9.8 MPa，540 ℃）煤粉鍋爐布置型式如圖2 所示，鍋爐采用Π 式布置，爐內依次布置屏式過熱器、高溫過熱器、低溫過熱器、省煤器及空氣預熱器（簡稱“空預器”）等。過熱器入口煙溫約1 000 ℃，出口煙溫約600 ℃，整體布置于煙溫較高的區域。

圖2 煤粉鍋爐布置示意Figure 2 Arrangement schematic of the coal-fired boiler

1.2 研究方法

對垃圾焚燒余熱鍋爐和煤粉鍋爐分別進行熱力計算，并對比分析，得出研究結論。

對流受熱面傳熱方程式［9］如公式（1）所示：

式中：Q為1 kg 燃料受熱面的吸熱量，kJ/kg；β為修正系數；K為傳熱系數，W/（m2·℃）；H為受熱面積，m2；Δt為傳熱溫壓，℃；Bcal為計算燃料消耗量，kg/h。

2 結果與討論

2.1 余熱鍋爐與煤粉鍋爐過熱器布置型式及熱力計算數據對比

由于生活垃圾成分復雜，水分及灰分含量大，燃燒產生的煙氣中含有大量HCl 等腐蝕性氣體，同時飛灰中含有大量Cl 元素和堿金屬，導致煙氣對受熱面管路腐蝕性很強［5，10］。為降低高溫煙氣的腐蝕，保證過熱器管材的使用壽命，需在過熱器前布置大量的水冷蒸發受熱面，以降低過熱器入口煙溫［11］。一般垃圾焚燒余熱鍋爐過熱器入口煙溫運行值控制在600 ℃以下，出口煙溫在340 ℃左右，過熱器整體布置于煙溫較低的區域。

某垃圾處理量750 t/d、蒸發量69 t/h 的中溫次高壓垃圾焚燒鍋爐與某蒸發量130 t/h 的高溫高壓煤粉鍋爐過熱器傳熱數據對比如表1 所示。由表1可以看出，垃圾焚燒余熱鍋爐過熱器平均傳熱溫壓為95 ℃，煤粉鍋爐過熱器平均傳熱溫壓為419 ℃，后者是前者的4.4 倍。這將導致當過熱器入口煙溫變化相同溫度時，垃圾焚燒鍋爐過熱器平均傳熱溫壓的變化幅度遠大于煤粉鍋爐，垃圾焚燒鍋爐過熱器的傳熱溫壓對入口煙溫變化更敏感。

表1 垃圾焚燒鍋爐與煤粉鍋爐過熱器傳熱數據對比Table 1 Comparison of heat transfer data for superheater between waste incinerator boiler and coal-fired boiler

2.2 垃圾焚燒余熱鍋爐投運初期運行數據分析

對目前5 個典型高參數大型垃圾焚燒余熱鍋爐進行研究，其主要設計參數見表2。通過對表2中5 個垃圾焚燒項目運行數據分析，投運6 個月內垃圾處理量和熱值相對穩定，余熱鍋爐受熱面正常吹灰，運行工況基本穩定。各項目過熱器出口蒸汽溫度和入口煙溫隨運行時間的變化曲線如圖3～圖7 所示。

表2 某5 個垃圾焚燒項目余熱鍋爐的主要設計參數Table 2 Main design parameters of waste heat boiles of five waste incineration projects

圖3 項目A 過熱器出口汽溫和入口煙溫變化Figure 3 Change of project A superheater outlet steam temperature and inlet flue gas temperature

項目A 投運約2 個多月后過熱器出口汽溫從380 ℃上升到設計值450 ℃（允許偏差+5 ℃、-10 ℃），上升70 ℃；投運3 個月過熱器入口煙溫從450 ℃升至600 ℃，上升150 ℃；停爐清灰后入口煙溫在1.5 個月內從530 ℃上升至600 ℃，上升70 ℃，如圖3所示。

項目B 投運2 個月過熱器出口汽溫從410 ℃上升到475 ℃（設計值485 ℃，允許偏差+5 ℃、-10 ℃），上升65 ℃；投運5 個月過熱器入口煙溫從420 ℃升至570 ℃，上升150 ℃，如圖4 所示。項目C 投運2 個月過熱器出口汽溫從400 ℃上升到475 ℃（設計值485 ℃，允許偏差+5 ℃、-10 ℃），上升75 ℃；投運5 個月過熱器入口煙溫從380 ℃升至550 ℃，上升170 ℃，如圖5 所示。

圖4 項目B 過熱器出口汽溫和入口煙溫變化Figure 4 Change of project B superheater outlet steam temperature and inlet flue gas temperature

圖5 項目C 過熱器出口汽溫和入口煙溫變化Figure 5 Change of project C superheater outlet steam temperature and inlet flue gas temperature

項目D 投運2 個月過熱器出口汽溫從400 ℃上升到475 ℃（設計值485 ℃，允許偏差+5 ℃、-10 ℃），上升75 ℃；投運1.5 個月過熱器入口煙溫從450 ℃升至530 ℃，升80℃，如圖6 所示。

圖6 項目D 過熱器出口汽溫和入口煙溫變化Figure 6 Change of project D superheater outlet steam temperature and inlet flue gas temperature

項目E 從投運開始過熱器出口汽溫即達到設計值485 ℃，投運6 個月過熱器入口煙溫從520 ℃上升到610 ℃，上升90 ℃，如圖7所示。據了解該項目運行6 個月時，減溫水量達10 t/h。

圖7 項目E 過熱器出口汽溫和入口煙溫變化Figure 7 Change of project E superheater outlet steam temperature and inlet flue gas temperature

綜上可知：①過熱器出口汽溫達到設計值約需要2 個月時間，期間汽溫上升65 ℃以上、過熱器入口煙溫上升約100 ℃；②過熱器入口煙溫達到限值需要3～5 個月時間，期間煙溫上升約150 ℃；③投運即達到設計汽溫的項目E，后期出現了減溫水量大、過熱器超溫的情況。

由此可見，垃圾焚燒余熱鍋爐投運初期隨著運行時間的加長，過熱器出口汽溫和入口煙溫變化幅度很大，影響機組安全運行。而傳統的煤粉鍋爐不存在此問題，一般在投運初期即可達到設計汽度，可見垃圾焚燒余熱鍋爐過熱器吸熱有其特殊性。

2.3 余熱鍋爐投運初期過熱器吸熱量計算及分析

垃圾焚燒項目A 和項目B 投運初期過熱器熱力計算數據如表3 和表4 所示。由表3、表4可知：

表3 項目A 過熱器熱力計算數據Table 3 Thermal calculation data of superheater in project A

表4 項目B 過熱器熱力計算數據Table 4 Thermal calculation data of superheater in project B

1）投運6 個月與投運5 d 相比，各級過熱器傳熱系數的變化小，項目A、B 均增加13%；各級過熱器平均傳熱溫壓變化幅度大，項目A 平均增加71%，項目B 平均增加52%；各級過熱器吸熱量變化幅度大，項目A 增加77%，項目B 增加60%。由此可見傳熱溫壓是影響過熱器吸熱量的主要因素。

2）投運6 個月與投運5 d 相比，隨著運行時間的加長，一、二、三煙道積灰加重，水冷壁吸熱量下降，中溫過熱器1 引起過熱器入口煙溫上升較大，項目A 過熱器入口煙溫上升了139 ℃，項目B 高溫過熱器入口煙溫則上升了113 ℃，這是導致過熱器傳熱溫壓增大、過熱器傳熱量增加的主要原因。

3 結論及建議

1）由于防腐要求，垃圾焚燒余熱鍋爐過熱器必須布置在低煙溫區，導致過熱器整體傳熱溫壓小，因此當入口煙溫上升相同溫度時，垃圾焚燒鍋爐過熱器吸熱量較煤粉鍋爐變化幅度更大。

2）由于垃圾焚燒余熱鍋爐目前的運行特性，即隨著投運時間的加長（約3～6 個月），一、二、三煙道積灰程度加劇，導致過熱器入口煙溫變化幅度大，一般可升高100 ℃以上，因此投運初期過熱器整體吸熱量變化幅度很大，可增加60%以上。

3）垃圾焚燒余熱鍋爐過熱器的吸熱量在投運初期變化幅度較大，這一問題雖然無法完全避免，但可采取以下措施進行改善：①一、二、三煙道采取相應的清灰措施，如一煙道水冷壁由敷設澆注料形式，改為掛磚形式；二、三煙道采用墻式吹灰或水力清灰；②采用中溫過熱器前置及中溫過熱器和高溫過熱器順流布置，降低過熱器管壁溫度，從而降低過熱器高溫腐蝕風險；③提高中溫過熱器和高溫過熱器的材料等級或在基材表面敷設防腐涂層，如堆焊、熱噴涂、重熔等；④采用三級噴水減溫方式，嚴格控制各級過熱器出口汽溫，降低過熱器腐蝕風險。

4）建議垃圾焚燒余熱鍋爐設計工況為投運后期運行工況，在投運初期進行（72+24）h 試運行時，允許過熱器出口汽溫低于設計溫度。