垃圾焚烧发电余热锅炉设计额定负荷影响因素研究

2020-07-28谢军

发电设备 2020年4期

谢军

(上海康恒环境股份有限公司，上海 201703)

近年来，垃圾焚烧发电由于“减量化、无害化、资源化”的优势，逐步取代垃圾填埋，成为处置生活垃圾的最佳方式[1]。垃圾焚烧发电厂主要目的是处理垃圾并利用废热发电，余热锅炉位于垃圾焚烧炉排炉上方，主要目的是回收垃圾焚烧高温烟气热量并通过汽轮发电机组转化为电能。

垃圾焚烧余热锅炉负荷范围的选取将直接影响锅炉的投资成本、运行稳定性、安全性及经济性。目前，国内生活垃圾焚烧余热锅炉的设计选型、运行指导及性能评价一般按照炉排炉的额定负荷及运行范围进行；但由于余热锅炉和炉排炉的影响因素和响应特性不同，两者的运行范围存在差异。笔者以某机械式炉排炉及配套余热锅炉为研究对象，该炉膛燃烧室前后拱为水冷壁、两侧为护板结构，其中燃烧炉排侧墙布置空冷墙。配套余热锅炉为单锅筒、自然循环蒸汽锅炉、卧式布置。烟气流程为：炉排炉出口→第一通道→第二通道→第三通道→蒸发器一段→高温过热器→中温过热器→低温过热器→省煤器。笔者结合理论计算和数值模拟等方法，绘制不同参数过热器特性图，并总结出在不同的垃圾低位热值、处理规模和蒸汽参数条件下，余热锅炉额定负荷及运行范围。

1 余热锅炉传热方式

1.1 辐射传热量

在第一、二、三通道的受热面均为膜式水冷壁结构，由于高温烟气的流速较低，主要以吸收高温烟气的辐射传热量为主，高温烟气与受热面间的辐射传热方程[2]为：

(1)

式中：Qf为辐射传热量，kJ/h；εl为炉膛黑度；Fl为辐射传热面积，m2；Ψ为水冷壁角系数；σ0为斯忒藩-玻耳兹曼常数，σ0=5.67×10-11kW/(m2·K4)；Th、Tb分别为火焰有效温度、炉壁温度，K；φ为保热系数；qm,lj为垃圾焚烧处理质量流量，t/h；clj为燃烧产物从绝热温度Ta变化到炉膛出口温度Tl时的平均比热容，kJ/(kg·K)。

由式(1)可知：影响辐射传热的主要因素有炉膛黑度、辐射传热面积及火焰温度等。随着炉排负荷的增加，炉排炉出口烟气温度升高，余热锅炉输入热量增加，若辐射传热面积不变，第三通道出口烟温升高，则过热器入口烟温也随之升高。

1.2 对流传热量

在第四通道布置蒸发器、过热器和省煤器，主要传热方式为对流传热，对流传热计算公式为：

Qd=K·A·Δt

(2)

式中：Qd为对流传热量，kJ/h；K为对流传热系数，W/(m2·K)；A为对流传热面积，m2；Δt为对数平均温差，K。

由式(2)可知：对流传热量主要取决于对流传热面积、传热系数及温差。假设传热系数不变，对流传热量主要受温差和传热面积的影响。

在对流传热受热面中，由于过热蒸汽吸热能力差、具有热偏差及存在高温腐蚀的问题，过热器的工作环境较差，而过热器的工作性能是影响锅炉安全运行的关键因素。随主蒸汽温度和压力的提高，将饱和蒸汽加热到过热蒸汽所需的传热量增加，若过热器入口烟气温度不变，传热量增加，导致过热器烟气侧出口温度降低，温差减小，则须要大幅度地增加过热器面积；若提高过热器入口温度，则面临过热器高温腐蚀的问题。

1.3 工质吸热量

过热器工质吸热量Qxr取决于负荷和减温水质量流量，其计算公式为：

Qxr=qm,gz(hgr-hbh)+qm,jw(hgr-hjw)

(3)

式中：qm,gz为工质质量流量，t/h；qm,jw为减温水质量流量，t/h；hgr、hbh、hjw分别为过热蒸汽、饱和蒸汽和减温水的比焓，kJ/kg。

由式(3)可知：负荷越高、过热蒸汽质量流量越大、减温水质量流量越大，过热器所需吸热量越大。而过热器与烟气间传热量取决于温差和传热系数。过热器入口烟气温度随着负荷降低而降低，同时辐射传热系数和温差随着入口烟温降低而降低。负荷降低时，平均烟气流速降低，对流传热系数也随之降低。

2 主蒸汽参数对锅炉负荷的影响

过热器为余热锅炉故障率最高的部件之一，因此可采用过热器传热特性图来反映锅炉运行范围。

2.1 主蒸汽参数对锅炉负荷的影响

垃圾中含有氯、硫及碱金属元素等，燃烧后容易造成氯、硫化合气体腐蚀和低熔点碱金属盐熔融腐蚀。KAWAHARA Y等[3-4]的研究表明：烟气中含氯量、烟气温度、管壁温度和管壁积灰程度共同决定管子的腐蚀速度，烟气中含氯量越高、烟气温度越高、管壁温度越高、积灰越严重，管子的腐蚀速度越快。目前，高温脱氯技术尚不成熟，因此余热锅炉防腐蚀主要从控制烟气温度、有效清灰和采用耐腐蚀材料等方面着手。从高温过热器腐蚀角度，主蒸汽温度越高，在设计阶段和运行阶段，高温过热器入口烟气温度控制值(允许最高值)越低[5-6]。

2.2 主蒸汽参数与过热器传热特性

余热锅炉过热器布置在350～650 ℃烟道处，烟气设计流速较低，传热系数较小，而过热器传热特性取决于温差和有效面积。在设计阶段，假定高温过热器为顺流布置，传热系数不变，以主蒸汽参数为4.0 MPa、400 ℃且入口烟气温度为650 ℃时所需传热面积为基准传热面积(相对传热面积=某一负荷下所需传热面积/基准传热面积)，得到不同主蒸汽参数下高温过热器面积与入口烟气温度的关系(见图1)。

由图1可知：在设计阶段，高温过热器传热面积随着入口烟气温度升高而减小；入口烟气温度相同时，主蒸汽温度越高，高温过热器所需面积越多；主蒸汽温度越高，高温过热器面积随入口烟气温度变化幅度越大。

在运行阶段，过热器面积一定，过热器传热特性主要取决于温差，入口烟气温度越高，温差越大，则过热器吸热量增加。不同主蒸汽参数下高温过热器的相对热量与入口烟气温度的关系见图2，以主蒸汽参数为4.0 MPa、400 ℃且入口烟气温度为650 ℃时吸热量为基准热量(相对热量=某一负荷下的热量/基准热量)。

图2 运行阶段入口烟气温度对高温过热器吸热量影响

由图2可知：高温过热器吸热量随入口烟气温度升高而升高，并且主蒸汽温度越高吸热量增加幅度越大。高温过热器入口烟气温度选择过低会导致过热器面积大幅度提高，增加初期设备投资；另一方面，锅炉运行一段时间后有会不同程度的结焦和积灰，造成高温过热器入口烟气温度上升，高温过热器吸热量显著上升，容易出现汽温超温。

2.3 不同主蒸汽参数时锅炉运行范围

炉排额定负荷工况(MCR工况)是指在垃圾设计低位热值条件下，处理量达到设计值、热灼减率合格，并且锅炉保持连续稳定运行的工况。

不同主蒸汽参数时的余热锅炉过热器特性曲线见图3，AC段和DH段分别是减温水量最大(15%额定蒸发量，以质量流量计算)和无减温水时过热器所需吸热量，A-C-D-H-A区域为不同负荷下过热器所需吸热量；曲线I-G-M-J-K为不同负荷下过热器与烟气之间传热量；M点为MCR工况。由图3可知：IG段传热量低于所需吸热量，无法把蒸汽加热到额定参数，降低了汽轮发电机组热效率；JK段传热量远高于所需吸热量，过热器容易发生超温和腐蚀爆管。

图3 不同主蒸汽参数时的过热器特性曲线

不同主蒸汽参数时的余热锅炉建议运行负荷见表1。

表1 余热锅炉经济运行负荷范围

3 炉排炉对锅炉负荷的影响

在垃圾焚烧工程设计和运行中，炉排负荷变化通常用燃烧图表示(见图4)，在图4中、横坐标表示炉排炉的垃圾处理量，纵坐标表示垃圾的输入热量(低位热值)，即炉排热负荷，自原点出发的斜线OH、OG、OI分别为最高低位热值线、设计低位热值线和最低低位热值线，均为常数。图4中的相对处理量及相对输入热量均以MCR工况的参数为基准。该图界定了炉排炉运行范围内炉排热负荷与垃圾处理量和垃圾热值的关系，同时界定了炉排连续运行范围(M-A-B-C-E-M区域)、短时超负荷运行范围(M-A-H-G-I-E-M区域)和助燃范围(C-D-E-C区域)。由图4可知：炉排热负荷与和入炉垃圾处理量呈线性关系。

图4 炉排燃烧图

炉排炉特性参数包含炉排机械负荷、床层热强度、燃烧室型式和燃烧室容积热负荷，其中炉排机械负荷和燃烧室型式影响余热锅炉额定负荷的选取。炉排机械负荷大小与处理规模、炉排类型、垃圾特性和炉渣热灼减率等有关，当垃圾热值升高、热灼减率降低、助燃空气温度升高、单炉垃圾处理量升高时，炉排机械负荷均会提高。图5是炉排机械负荷与垃圾低位热值(1 cal=4.186 8 J)和处理质量流量的关系。

图5 某炉排处理质量流量与机械负荷关系

由图5可知：处理质量流量越大，炉排机械负荷设计值越大；垃圾设计低位热值越高，炉排机械负荷设计值越大。因此，处理质量流量较小、热值较低的炉排后期具有较大超负荷能力。

垃圾焚烧余热锅炉存在以下特性：当热负荷较低或辐射通道未积灰结焦时，进入过热器的烟气温度较低，将蒸汽加热到额定温度所需过热器传热面积较大；当热负荷较高或辐射通道积灰结焦时，进入过热器的烟气温度较高，将蒸汽加热到额定温度所需过热器传热面积较小。由于入炉垃圾量变化、垃圾热值逐年上升和垃圾热值季节性变化等因素[7]，造成余热锅炉热负荷在较大范围波动。城市生活垃圾灰分含量高，燃烧后烟气携带的飞灰熔点低，余热锅炉运行一段时间后，辐射通道存在不同程度的积灰或结焦，当运行不当或热负荷波动大时，积灰结焦现象尤其严重，降低辐射通道吸热量造成进入过热器的烟气温度较运行初期上升了50～120 K。由于热负荷波动大和积灰结焦现象的存在，目前按炉排额定负荷设计的余热锅炉存在主蒸汽易超温、减温水量大、高温过热器入口烟气温度高和安全连续运行时间短等问题。为使炉排适应在可运行区间内超负荷运行，同时解决余热锅炉超温问题，建议余热锅炉额定负荷高于炉排额定输出热负荷。减温水设计质量流量大于15%额定蒸发量可满足负荷变化时过热器汽温控制要求(见图3)。因此，提高余热锅炉额定负荷主要是提高水冷系统热负荷和省煤器热负荷，建议的余热锅炉额定负荷(主要考虑水冷系统热负荷)见表2。