危廢處理中余熱鍋爐設計探討

夏春林,張 鍇,喬秀亮,王 振,徐學景

(煙臺國冶冶金水冷設備有限公司,山東 煙臺 265500)

《國家危險廢物名錄》(2021 年版)認定:工業(yè)危險廢物、醫(yī)療廢物和其他社會源危險廢物等46 個大類的危險廢物,屬于危廢范疇。其總量隨著社會經濟飛速發(fā)展也在逐年增長[1-5],2020年,我國危廢年產總量達4 583.2萬t[6]。

為了保護人體健康及改善生態(tài)環(huán)境質量,一般可采用安全土地填埋法、高溫焚燒法、化學處理法及固化法等四種方法處置危廢[7-14],其中高溫焚燒法是當前較成熟的處置危廢的技術方案,其相較于其他三種處理方式,對危廢減重、減容、無害化具有明顯優(yōu)勢。

焚燒處理法是指在高溫及足夠氧量的前提下,讓危廢在特制焚燒爐內進行劇烈的氧化反應,分解或降解危廢的過程。焚燒過程中產生的高溫煙氣成分種類繁多,但是其攜帶有豐富的能量,具有較高的回收價值。通常為了降本增效,可在焚燒爐后設置余熱鍋爐系統(tǒng)。

本文以某公司危廢處理焚燒爐的余熱鍋爐為例,探討危廢在高溫焚燒后,含熱能的煙氣余熱回收問題。

1 鍋爐設計

1.1 工藝流程

本鍋爐為利用焚燒爐尾氣余熱來產生蒸汽的余熱回收裝置, 循環(huán)方式是自然循環(huán),立式布置。主要由汽化冷卻煙道、汽包、連接管道、鍋爐系統(tǒng)公輔設施等組成,如圖1所示,鍋爐的工藝流程見圖2。

圖1 主要部件布置示意圖

圖2 鍋爐系統(tǒng)工藝流程示意

1.2 設計參數

1.2.1 設計條件

煙氣參數如表1所示。

表1 煙氣參數

1.2.2 工藝條件

工藝條件參數如表2所示。

表2 工藝參數

1.2.3 設備布置

為滿足焚燒爐生產運行中爐氣排出流暢,減少煙道系統(tǒng)積灰[15-16],汽化冷卻煙道布置中盡量減少彎曲及水平布置,盡可能做到布置合理緊湊。

煙道位于焚燒爐后方,連接焚燒爐出口煙道后,煙道折彎90°向下與過渡段連接,過渡段出口接低溫段煙道,然后再與除塵管道相接,經急冷塔、除塵器、風機等再排入大氣。余熱鍋爐系統(tǒng)全部支吊在危廢處理廠的各層平臺上。

1.2.4 設備組成

本套煙氣余熱回收鍋爐主要分為以下幾個部分:汽包、汽化煙道、鍋爐配管等,還含有煙道非金屬補償器及支吊架等輔助設施。

1) 汽包

汽包作為汽化冷卻系統(tǒng)自然循環(huán)的配水及集氣裝置,其產生的蒸汽一方面可用作廠區(qū)內的生產生活用氣,另一方面也用作除氧蒸汽對給水進行除氧。為確保安全,在汽包上設置安全閥二套、緊急放散閥組一套及相應的排汽消聲器,當系統(tǒng)超壓時進行緊急排放,以保系統(tǒng)安全。技術參數如下:

規(guī)格:DN 1 000×4 500 mm(筒體直段長度);

形式:臥式;

介質:水及飽和蒸汽;

工作壓力:1.2 MPa;

工作溫度:188 ℃。

2)煙道

汽化煙道高溫段直徑1 850 mm,低溫段直徑1 630 mm,主體由高壓鍋爐無縫鋼管,中間焊接扁鋼組成膜式壁圓形結構。由于危廢處理系統(tǒng)整體在負壓下運行,采用了SNCR(選擇性非催化還原)處理工藝,在煙道的合適位置上,必須為此開有合適的工藝孔,以滿足危廢處理工藝需要。

該煙道工況惡劣,直接受大量高溫煙氣的沖刷,也承受HCl等強腐蝕性物質的高溫腐蝕,非常容易損壞。煙道的使用壽命一直是制約危廢處理系統(tǒng)正常運行的重要因素之一。

為了改善煙道的使用壽命,其他設計制作公司一般主要從煙道結構、循環(huán)系統(tǒng)及制造工藝上采取改進措施,但實際使用效果并不理想,某些煙道投產后三個月左右就會產生漏點,導致系統(tǒng)不能正常運行。近些年國內也采用了超音速電弧噴涂的高新技術對煙道內側進行了保護,實際使用時有一定的改善,效果不夠顯著。

在性能、成本、效率等全方位評估的基礎上,近些年采用材料表面合金堆焊技術,在煙道的受熱管表面(煙氣流經之處)進行鎳基合金堆焊,使堆焊后的煙道比裸裝煙道提高了抗蝕性、耐磨性及耐高溫性,從而大幅度地提高產品的綜合性能。堆焊區(qū)域使用壽命可達五年左右,大大減少了停爐時間,也節(jié)約了維修和備件成本。

在一種金屬上堆焊另一種金屬,制作出勝于基體材料性能約2～3 mm厚的表面功能層,是很常見的工藝,但是要求較薄堆焊層的鎳基合金金屬堆焊卻難度較高,lnconel 625焊絲是鎳基合金焊絲,成分見表3。

表3 lnconel 625焊絲成分表 %

該焊絲黏度大、流動性差,對于要求堆焊層在一個很薄的范圍內(1.8～2.5 mm)的堆焊工藝有一定的難度,尤其是在膜式壁鋼管-扁鋼曲面結構的煙道表面堆焊,它要求堆焊層表面均勻、平滑,無裂紋、夾渣、氣孔、漏焊等缺陷,同時高Cr-Ni-Mo元素含量的lnconel 625焊絲由于連續(xù)堆焊焊縫溫度過高很容易產生熱裂紋,還會造成過大變形,而焊縫溫度過低又會產生冷裂紋。面對這些技術難題,工藝設計必須充分考慮,對堆焊部位的受熱管和聯(lián)箱采用合理的工藝措施,合理編制焊接工藝規(guī)程(WPS),以確保堆焊質量達到要求。堆焊后的煙道見圖3。

圖3 堆焊后成品煙道內壁示意

3)煙道非金屬補償器

該非金屬補償器是安裝在高溫段煙道之間,在焚燒爐正常生產時,用來保證煙道的氣密性,同時吸收煙道的熱位移;在焚燒爐或焚燒爐煙道檢修時可以快速便捷地將高溫段煙道分離。

非金屬補償器技術參數:

煙道節(jié)圓直徑:1 850 mm ;

長度:～350 mm;

最大軸向伸縮量:70 mm;

橫向變形量:30mm;

主材:非金屬+不銹鋼。

1.2.5 余熱鍋爐計算

焚燒爐產生的煙氣首先經過燃燒室,依次進入高溫段煙道,過渡段、低溫段煙道,急冷塔,除塵系統(tǒng)等,最終排向大氣。為了保證鍋爐安全可靠,應按設計工況進行設計計算,可利用計算軟件多次迭代計算出符合要求的結果,據此進一步優(yōu)化設計鍋爐本體結構。余熱鍋爐熱力計算界面如圖4所示。

圖4 余熱鍋爐熱力計算

2 結 論

本文主要探討了危廢處理行業(yè)的余熱回收利用問題。該系統(tǒng)日常平均產汽量約3 t/h,按年工作300天計算,蒸汽除掉水、電等成本后價值約100元/t,每年可創(chuàng)造效益約300天×24 h ×3 t/小時×100 元/t=216萬元。而且該系統(tǒng)排煙溫度不大于500 ℃,可滿足后續(xù)處理系統(tǒng)的要求。由此可見,該鍋爐系統(tǒng)可有效地為危廢處理企業(yè)降本增效,具有一定的社會效益和經濟效益。