对垃圾焚烧炉过热器节能改造的研究

2020-02-10姚冰乐俊超

节能与环保 2020年9期

文_姚冰乐俊超

1.上海东石塘再生能源有限公司 2.上海环境集团再生能源运营管理有限公司

1 垃圾焚烧炉的研究现状及过热器节能改造的意义

1.1 垃圾焚烧技术的研究现状

垃圾焚烧技术，就是一种将垃圾中有机可燃物质与氧气接触发生氧化还原反应从而转变为灰渣并排出的技术，这种技术在使用过程中会放出大量的热并应用到电力生产中，可有效地对垃圾进行资源化、减量化处理。目前，我国使用的垃圾焚烧技术有流化床焚烧炉技术、回转窑焚烧炉技术、垃圾热解气化焚烧炉技术以及机械炉排焚烧炉技术，这些技术都有相应的优势和特点。

1.2 垃圾焚烧炉的应用需求

垃圾焚烧炉是垃圾处理过程中非常重要的一类设备，在具体的应用中，随着焚烧规模的进一步扩大，其应用需求也不断的严格。首先，要保证垃圾焚烧炉具有完整的焚烧炉结构和性能。对于热值不同的垃圾，需要不同的焚烧炉结构才能够有效提高燃烧效率。其次，要有完整的烟气净化系统，为了保证环境不受到干扰，需要对焚烧产生的烟气进行处理和净化，目前典型的烟气处理工艺是半干法/干法脱酸/湿法脱酸+布袋除尘+选择性/非选择性催化脱硝工艺。最后是完善的检测控制系统，目前国内外的垃圾焚烧厂使用较为广泛的控制系统是DCS控制系统，这种系统能够全面有效地控制工艺过程，并有较好的应急能力。

1.3 垃圾焚烧炉过热器节能改造的意义

在垃圾焚烧过程中，锅炉高温过热器区域会逐渐结焦积灰，达到一定程度就会导致高温过热器区域发生严重的堵塞现象，在长期吸热不均匀的情况下会使得锅炉过热区域的温度异常升高，导致过热器管超温损坏，给垃圾处理企业造成经济损失。因此，需要对垃圾焚烧炉过热器进行节能改造，彻底解决结焦积灰问题，保障工作人员的安全和企业的经济效益。

2 垃圾焚烧炉过热器现有问题及影响因素

2.1 影响灰粒沉积的主要因素

所谓积灰，就是燃烧过程中产生的灰分不断地发生形的变化以及输送效果，而这也是过热器出现堵塞的主要原因，而目前能够影响灰粒沉积的因素包括有热迁移、惯性撞击、凝结、化学反应。前两种直接与固体颗粒相关，而后两者则主要是与气体有关。在热迁移和惯性碰撞情况中，以10Lm 的颗粒为分界线。当颗粒小于10Lm 时，主要是由于炉内温度梯度的存在而使小粒子从高温区向低温区移动，发生热迁移。而对于大于10Lm 的颗粒来说，惯性撞击时造成灰粒向受热面的壁面输送。当含有灰粒气流转向时，具有较大惯性动量的灰粒离开气流而撞击到受热面的壁面上。在凝结和化学反应情况中，碱金属、硫和氯元素以气体的形态相互撞击，并且发生化学反应，而产物则凝结在飞灰颗粒和受热面的壁面上，这些产物大多都是硫酸盐或者氯化物，导致积灰层逐渐增厚，也就是凝结现象。

2.2 碱金属的影响

在飞灰中，碱金属很容易受到高温而气化，特别是一些水溶性的碱金属化合物，而这些气化的碱金属化合物容易与挥发性的氯结合形成碱金属氯化物。当产生的烟气中含有较多的硫，这些碱金属氯化物将会与硫发生反应，从而生成硫酸盐，这些硫酸盐在焚烧炉过热器中受到高温并积灰，并具有一定的粘性。比如硫酸钠的熔点要低于硫酸钾，所以其也是主要的凝结物质，在凝结之后由于长时间与三氧化硫、氧化铁等物质接触而导致其容易生成碱金属复合硫酸盐，这种盐类的熔点要低于高温对流受热面的温度，所以其呈现出熔融的形态，从而更具粘性，在管道表面进行粘结。另外，如果一些已经气化的碱金属在凝结的过程中会进一步加大接触面积，并且少部分会存在液相，这也使得飞灰之间有着较快的烧结。

2.3 高温爆管现象研究

高温过热器区域堵塞如果过于严重会导致爆管现象，而过热器的高温段爆管后仅能够进行堵焊处理，而堵焊处理则会消耗有效管数，使得流通面积和换热面积逐渐缩小，过热器的压差增大，蒸发量减小，严重损害了垃圾处理企业的经济效益。目前，对于高温爆管现象的直接原因是因为过热器的高温段底部弯头有结晶物质，这部分的结晶物质使得热阻增大，这也就使得其局部过热，最终使得爆管现象。而出现大规模爆管的原因则比较复杂，包括有汽包内旋风分离器数量不足和分离效果不好导致饱和蒸汽含水量大、旋风分离器法兰连接处密封不足使炉水在过热器管中蒸发致使盐类堆积、水冷段受热面积小使得过热器入口烟气温度抬高、减温器采用锅炉用水，其含盐量较大导致堆积等原因。

3 改造工艺设计

3.1 装置改造研究

垃圾焚烧炉过热器装置的改造包括对过热器下集箱、管排弧弯、水冷壁、机械打清灰、管组密封盒、管屏下联箱疏水管、水平烟道、蒸发器和各级过热器、省煤器等结构或者装置的改造，本文不做赘述。

3.2 烟气工艺流程设计

在具有较高温度的烟气从燃烧炉进入组合除尘器后，需要对其进行分离工作，将大部分的粉尘清除后再进入锅炉的本体中，并且保证清除后的烟气能够按照一定的次序通过水冷段、蒸汽过热器、蒸发管束、省煤器以及空气预热器，从而达到降低温度的目的，一般在温度降低至150℃左右就可以进入除尘器。

3.3 汽水工艺流程设计

汽水的处理是非常重要的一项工艺。一般来说，汽水一般都是来自于除盐水系统的除盐水，通过水泵来增加压力，并由此进入热力除氧器。在除氧之后，汽水将会经过锅炉加压后的水泵，并分为三个部分。第一部分就是直接通过省煤器来进入锅筒，并且充当锅炉的补充水。第二部分则直接送入蒸汽过热器的中部减温带，作为温度调节剂来调节蒸汽过热器中的蒸汽温度。在锅筒中，炉水将直接通过下降管输送到对流管束下部集箱和水冷段下部集箱以及燃烧炉水冷组件下集箱。经过加热后，炉水将上升到锅筒中，而锅筒中的饱和蒸汽则通过分离装置进入蒸汽过热器，进入汽轮机进行发电或供给热用户使用。

3.4 过热器爆管问题应对策略

过热器爆管问题主要是由结焦和积灰导致。目前需要采取措施有炉膛温度控制、焚烧炉的热负荷和蒸发量控制、风量和风温控制、清灰措施控制、入炉垃圾热值稳定性控制、炉膛出口负压控制、烟气携带飞灰量减小措施、清焦措施优化、使用清灰除焦剂等。本文主要探讨垃圾焚烧器过热器改造策略，下面主要对设备改造和清灰除焦剂进行研究。

3.4.1 一次风温调整

提高一次风温可以有效地加强干燥效果，并避免风温随汽机负荷大幅度变动的情况，这可以通过在一抽双减出门口前引一个单独蒸汽接到空预器母管门后，从而使得其作为空预器一级单独供气，达到提高一次风温的效果。一次风温提高可有效减少一次风量的使用，降低炉膛内飞灰产生，从而间接减少过热器处的飞灰积聚。

3.4.2 吹灰器的选择

焚烧炉过热器吹灰方式有蒸汽吹灰、激波吹灰、声波清灰、机械振打清灰等多种方式。利用多种清灰方式相结合的方法，可有效去除热器管壁附着的飞灰，降低飞灰结块的几率，防止堵塞烟气通廊。同时可在相应的吹灰效果下减少吹灰器管道的维护量，从而达到更好的机组效率。

3.4.3 清灰除焦剂

本文对清灰除焦剂的讨论主要在于碱金属脱除剂。国内外对于碱金属脱除剂的研究众多，比如说在1988 年就有学者针对于澳大利亚低品质煤在燃烧时加入某些试剂来达到减小积灰情况进行研究。而当时的研究表明，高岭土、白云石、粗砂、很细的矾土等添加剂都可以有效地降低其烧结强度。而在国内，通过对高温烟气模拟实验的研究可以得到，通过活性矾土、二氧化硅、硅藻土、煤灰等在高温下都有一定的碱金属脱除效果，而在后续实验中得出了高岭土的碱金属容量更好的结论。目前，众多研究表面碱金属脱除剂的效果与吸附剂的化学成分、吸附剂的孔结构等都有非常紧密的关系，目前清灰除焦剂在国内部分企业针对炉膛及过热器清焦清灰，已经进行使用。